（机械电子工程专业论文）电磁流量计干标定装置“potok”的应用研究.pdf

摘要 电磁流量计是一种被广泛应用的流体流量检测仪表。电磁流量计的标定通常 有两种方法：湿标定和干标定。现阶段，电磁流量计湿标定方法因其标定原理简 单、精确度高而被广泛应用；相反，电磁流量计干标定方法相关理论尚欠成熟， 不少研究成果还达不到工业应用的要求。不过电磁流量计干标定具有许多湿标定 无法比拟的优势，拥有光明的应用前景，因此国际上许多科研工作者和电磁流量 计生产厂家都对这项技术尤为关注。 俄罗斯电磁流量计干标定技术基础理论相对完善，并且已经在俄罗斯国内实 现了工业化应用，应用效果良好。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室和俄 罗斯联邦国家统一企业国家热工仪表科学研究院展开技术合作，从俄罗斯引入了 一套电磁流量计干标定p o t 0 l k 装置。本课题以中俄合作项目为背景，主要完成 对p o t o k 装置的技术吸收工作，并配合俄方对p o t o k 装置进行改进，使得 p o t o k 装置引入中国后，能够适合我国电磁流量计行业的干标定需要。根据课 题的内容和特点，本论文分以下五个章节来阐述课题的相关内容。 论文第一章介绍了电磁流量计和电磁流量计标定的一些基本情况，概述了电 磁流量计干标定技术的国内外研究状况，着重介绍了俄罗斯电磁流量计干标定技 术，最后阐述了本课题的研究目的和研究内容。 论文第二章首先介绍了俄罗斯电磁流量计干标定装置p o t o k 的组成和特 点，接下来重点对p o t o k 装置于标定电磁流量转换器和传感器的原理和技术进 行了剖析。 论文第三章具体介绍了电磁流量计干湿对比试验。首先介绍了干湿对比试验 的意义和试验样本的选择方法，接下来分两部分具体阐述干湿对比试验的内容： 电磁流量计湿标定试验和电磁流量计干标定试验。 论文第四章进行p o t o k 装置验收试验，对俄罗斯电磁流量计干标定技术在 我国电磁流量计产品中的应用效果进行检验，并在试验结束后给出了相应的试验 结果。 论文第五章总结了课题研究中的几个关键技术，同时也列举了研究发现的 p o t o k 装置在实际应用中的一些不足，最后对我国电磁流量计干标定技术的研 究前景进行了展望。 关键词：电磁流量计，干标定，湿标定，m f c 传感器法 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri so n eo ft h ew i l d l yu s e dl i q u i dd e t e c t i n gm e t e r s t h e r ea r et w oc a l i b r a t i o nw a y sf o re l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ：w e tc a l i b r a t i o na n d d r yc a l i b r a t i o n n o w a d a y s ，t h ew e tw a y i sw i l d l yu s e df o ri t ss i m p l et h e o r ya n dh i g h p r e c i s i o n ；c o m p a r e d w i t hw e tc a l i b r a t i o n t h e r ei sn op e r f e c tt h e o r yf o r e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rd r yc a l i b r a t i o na n ds o m ed r yc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g i e sh a v e n o tm e tt h ed e m a n do fa p p l i c a t i o n h o w e v e r , d r yc a l i b r a t i o nm e t h o dh a sm o r e s u p e r i o r i t i e st h a nw e tc a l i b r a t i o na n dh a sg o o dp r o s p e c ti nt h ef u t u r e ，s om a n y s c i e n t i f i cr e s e a r c h e r sa n de l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rm a n u f a c t u r e sa r ep a y i n gg r e a t a t t e n t i o nt oi m p r o v i n gd r yc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g i e s t h er u s s i a nd r yc a l i b r a t i o nw a yo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rh a st h er e l a t i v e l y p e r f e c tt h e o r ya n d ，e s p e c i a l l y , h a sb e e na p p l i e da n da p p r o v e di ni n d u s t r i a l i z a t i o n s t a g e t h en a t i o n a lk e yl a b o r a t o r yo ff l u i dp o w e rt r a n s m i s s i o na n dc o n t r o li n z h e j i a n gu n i v e r s i t yh a si m p o s e do n ed r yc a l i b r a t i o nd e v i c ec a l l e dp o t o k f o r m r u s s i a t h i ss t u d yc o m e s 、f r o mt h ec h i n a - r u s s i ac o o p e r a t i v ep r o j e c t i nt h es t u d y , 1 h a v ed o n et h ef o l l o w i n gw o r k ：t r yt ob ef a m i l i a rw i t ht h en e wd r yc a l i b r a t i o nt h e o r y ； c o o p e r a t ew i t ht h er u s s i a n st om a k et h ed e v i c ea p p l i c a b l ef o rt h ee l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r si nc h i n a b a s e do nt h ec o n t e n ta n df e a t u r e so ft h es t u d y , t h et h e s i si s d i v i d e di n t of i v ec h a p t e r sa sb e l o w ： t h ef i r s tc h a p t e rg e n e r a l l ys u m m a r i z e st h ei n f o r m a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e ra n di t sc a l i b r a t i o n ，i n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u so f o r yc a l i b r a t i o na th o m e a n da b r o a da n dp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h er u s s i a nd r yc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yf o r e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , t h e nl i s t st h ea i ma n dc o n t e n to f t h es t u d y t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o na n df e a t u r e so ft h er u s s i a nd r y c a l i b r a t i o nd e v i c ep o t o k ，a n di l l u s t r a t e st h ep r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e rd r yc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yu s e di np o t o k t h et h i r d c h a p t e ri n t r o d u c e s t h e e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rd r y a n dw e t c o m p a r a t i v et e s ti nd e t a i l a tt h eb e g i n n i n go ft h i sc h a p t e r , t h et h e s i si n t r o d u c e st h e p u r p o s eo f t h et e s ta n dt h es e l e c tw a yo f t h et e s ts a m p l e s ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h et e s t i nt w op a r t s ：e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rw e tc a l i b r a t i o nt e s t a n de l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e rd r yc a l i b r a t i o nt e s t t h ef o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ev a l i d a t i o nt e s to fp o t o k i nt h ec h a p t e r , a p p l i c a t i o ne f f e c t i v i t y o ft h er u s s i a nd f yc a l i b r a t i o nm e t h o df o re l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e ri se v a l u a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t a t i o n f i n a l l y , t h i st h e s i ss u m su ps e v e r a lk e yp o i n t so ft h er u s s i a nd r yc a l i b r a t i o n t e c h n o l o g y , l i s t st h ed i s a d v a n t a g e so fp o t o k f o u n di nm ys t u d y , a n dm a k e st h e e x p e c t a t i o no f t h ed r yc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , d r yc a l i b r a t i o n ，w e tc a l i b r a t i o n ，m f c s e n s o rm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：许洳日 签字日期： a 一7 年6 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：砖兰d 日 签字日期：a 神7 年；月枷日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 降存 签字日期：二。7 年么月跏同 电话： 邮编： 浙江大学硕上学位论文 第一章研究背景 1 1 电磁流量计概述 1 1 1 电磁流量计的发展历史和应用现状 众所周知，工农业生产过程中经常需要测量流量这个重要参数。流体流量的 测量有多种不同的方法，使用电磁流量计测量是最为普遍的方法之一。 自从1 8 3 1 年英国物理学家法拉第发现电磁感应定律以来，人们就开始了应 用这个物理原理测量导电流体流速和流量的尝试和探索。1 8 3 2 年法拉第本人在 泰晤士河滑铁卢桥的两岸，选择与水流方向垂直的地磁场方向的地方，放下两个 金属棒当作电极束测量河水的流速。这是世界上第一次电磁流量计的试验。到了 1 9 1 7 年，史密斯和斯皮雷安获得了应用电磁感应的原理制造船舶测速仪的专利， 并推荐使用交流励磁来克服水的极化影响，从而丌辟了电磁流量计在海洋学上的 应用。1 9 5 0 年，荷兰人首先在挖泥船上使用电磁流量计测量泥浆流量。后来电 磁流量计在美国的一般工业生产中得到了应用。2 0 世纪6 0 年代初，希克里夫在 柯林等前人无限长均匀磁场的电磁流量计的数学解析基础上，完成了有限长均匀 磁场下等流速情况的数学解析，并用权重函数的理论揭示了产生感应电动势的微 观特征，使得电磁流量计有了系统的基础理论。同时，在电子工业飞速发展和工 业自动化程度不断提高的条件下，电磁流量计逐渐完善、成熟起来，发展成为一 种性能优良的流量仪表，在工业中得到了广泛的应用。2 0 世纪6 0 年代到7 0 年 代中期，随着对三维权重函数的深入研究，出现了权重分布磁场的电磁流量计。 由于集成电路的迅速发展和世界能源危机对流量测量仪表提出的更高性能要求， 随后出现了低频矩形波励磁的新技术。2 0 世纪8 0 年代以来，微电子技术和计算 机技术的迅猛发展，使电磁流量计制造技术更加成熟和完善，其应用领域更加扩 大。当代的电磁流量计采用单片机技术，用数字的处理方法等措施使电磁流量计 的测量精度和性能不断提高，比较容易实现了双向测量、空管检测、多量程自动 切换、人机对话、与上位机通讯、自诊断等附加功能。新一代具有h a r t 协议 及其他现场总线的电磁流量计更为用户实现全新的现场总线生产控制与管理提 供了条件1 1 u 2 i ij 。 浙江人学硕上学位论文 电磁流量计种类很多，应用面很广，既适用于管道连续配比生产等流程控制 的瞬时流量测量，也使用于贸易核算、储存交接以及灌装的总量测量。电磁流量 计可应用于各种导电液体：因易于选择与液体接触的电极和衬里材料，非常适合 于测量卫生要求或腐蚀性液体：又因其不易阻塞，与其它品种流量仪表相比更多 应用于测量含有固体颗粒或纤维的液固双相流体1 1 i 。近十年来，电磁流量计发展 较快，增长率一直比流量仪表整体高出近1 0 个百分比，被大量应用于制水供水 ( 上水) 业，排水和污水处理( 下水) 业以及化工、轻工、造纸业、食品业、制 药业和冶金业，在世界范围内其销售金额己居流量仪表诸品种的首位1 3 1 1 4 1 1 5 悯。 电磁流量计在冶金工业常用于连续铸钢、连续轧钢、炼钢电炉冷却水温度的 流量控制。在公用事业给排水领域，电磁流量计用于水厂出厂成品水和向国家交 纳水资源费的原水交接计量。在水厂内部用于工序间的流量测量和控制，在排水 领域应用于污水处理厂接收污水和各企业向自然界排放水的收费计量以及污水 治理过程中的流量测量和控制。在造纸业的制浆过程中，电磁流量计参与打磨浆、 水、酸、碱的流量测量；在抄纸车间用于对各浆池的流入量和流出量的测量，参 与多种浆料配浆比过程；在漂白工段用于对添加剂、分散剂和漂白剂的测量和控 制。在石油等地质勘探或开采过程中，电磁流量计常在固井工序用来测量水泥浆 灌注量。在化工、石化业中，电磁流量计较多用来测量腐蚀性液体，如制碱工程 的盐酸、硫酸等酸液和氢氧化钠等碱液i m i i1 1 8 1 1 9 i i 仲i 。 1 。1 2 电磁流量计的工作原理 电磁流量计作为一种测量导体流量的仪表，从原理上看，它是基于法拉第电 磁感应定律而工作的i l l j | 1 2 l 。具体地讲，电磁流量计就是利用电磁感应定律，把 流体流速这个物理量线性地转化为电动势这个更容易测量的物理量来完成流量 测量的装置。 根据法拉第电磁感应定律，导电液体在磁场内流动将产生感应电动势。如图 卜1 所示，导电流体流过电磁流量传感器工作磁场时，在管内流体流动方向和磁 场方向相互垂直方向的一对电极问，产生与体积流量成比例的电动势。电动势的 大小可表示为： u = z 圮h ，( 1 1 ) 浙江大学硕士学位论文 式中u 电极感应电动势信号； b 电磁流量传感器管道内磁感应强度； d 一电磁流量传感器内径； 卜常数： v 一电磁流量传感器管道内流体流速。 豳卜1电磁流鼙计， 作原理图 体积流量为q v 时，流量表示为靠；孚v 。代入( 1 1 ) ，可得式( 1 2 ) ： 旷卷u nz ， 式( 1 2 ) 表明，当电磁流量传感器内径d 和磁感应强度b 一定时，体积流量 q 。与感应信号电压u 成正比关系。 1 1 3 电磁流量计的结构组成 从结构上来看，电磁流量计一般由两个基本部分组成：电磁流量传感器和电 磁流量转换器。 电磁流量传感器( 也简称传感器) 是将“流体流量”转换为“电动势”的装 置，具体讲就是将流进管道内的液体流量值线性地转化成感应电动势信号，并通 过传输线将此信号送到转换器1 1 4 l 。除了插入式电磁流量传感器外，传感器大概 包括以下四个部分：( 1 ) 测量管；( 2 ) 工作磁场；( 3 ) 信号检出部分；( 4 ) 壳体。 测量管是传感器内流过被测流体的通道。一般由内衬绝缘材料的非导磁、高 电阻率金属管子构成。工作磁场一般由励磁线圈通电产生。信号检出部分包括电 极、电极引出线、电极屏蔽罩和接线端子盒等零部件。壳体起磁路与外界隔离、 浙江丈学硕士学位论文 保护作用。对有些低频矩形波励磁方式的传感器，外壳应用导磁材料制造，同时 也起到磁路磁轭的作用l l i 。 电磁流量转换器( 也简称转换器) 的作用是把电磁流量传感器输出的流量信 号放大，并转化成与被测介质体积流量成正比的标准电流信号或频率信号，以便 于显示，并可和电动单元组合仪表、d c s 配套使用o l 。电磁流量转换器主要包 括以下两个部分：( 1 ) 励磁电路。提供传感器线圈的励磁电流。( 2 ) 信号处理电路。 处理传感器产生的流量“电动势”信号，并最终以具体流量的形式表现出来。通 常，转换器由以下基本单元电路组成0 1 i ： ( 1 ) 恒流源励磁电路； ( 2 ) 差动前置放大器； ( 3 ) 具有低通滤波器的主放大器； ( 4 ) 同步采样、保持电路； ( 5 ) 模拟电流输出和频率输出即流量积算的变换电路； ( 6 ) 单片机与外围存储器、键盘显示驱动、数字通讯电路； ( 7 ) 辅助功能如状态报警、空管报警电路： ( 8 ) 电源电路。 1 1 4 电磁流量计的特点 电磁流量计的特点由电磁流量计的工作原理和结构特征所决定。总体说来， 电磁流量计具有如下特点0 1 3 1 1 1 5 i l l 1 1 1 7 l ： ( 1 ) 测量不受流体的密度、黏度、温度、压力的影响，在一定范围内不受电 导率的影响： ( 2 ) 传感器的测量管内部光滑无阻扰部件，因而几乎无压力损失，可靠性高； ( 3 ) 量程比宽，同一口径传感器上限流速可在0 3 1 5 m s 范围内连续调整； ( 4 ) 可测量导电的固液两相流； ( 5 ) 原理上，电磁流量计测量是线性的，测量精确度比较高，基本误差为指 示值的0 2 0 5 ； ( 6 ) 与其它流量计相比，其上游的直管段较短，通常在5 d ( d 管道直径) 以 上： 浙江大学硕上学位论文 ( 7 ) 传感器中，接液测量管的内壁衬有橡胶、氟塑料或工业陶瓷等衬里材料， 再适当地选择接液电极材料，可测量腐蚀性流体； ( 8 ) 直接进行电测量，反应速度快，可测脉动流量，阻尼时间可在0 1 2 0 0 s 范围调节； ( 9 ) 可测正、反两个方向流动流体的流量； ( 1 0 ) 检测部位无运动部件，不会发生滴漏现象。 1 2 电磁流量计标定概述 1 2 1 电磁流量计的标定目的 式( 1 1 ) 从理论上理想化了电磁流量计工作时产生的流量信号，但是传感器 在实际使用时，由于加工上带来的误差( 如线圈绕制、衬罩加工、电极装配等) 和现场各式各样的干扰( 包括串模干扰、共模干扰、同相干扰、微分干扰等) ， 导致传感器并不能完全按式( 1 1 ) 揭示的规律工作。下面的式( 1 3 ) 对式( 1 1 ) 作 了修改，考虑了电磁流量计工作时因各种干扰引入的误差，其中e o 为误差项。 u = k b d v + e o ( 1 3 ) 可以看出，式( 1 3 ) 是一个有截距的一元一次方程。这就是说，由于各种干扰的 存在，造成了在充满不流动的流体时，传感器仍然有输出信号的可能，也就是传 感器具有零点输出。因此，只有通过测量出传感器零点，予以修正方程的截距项， 才能修正仪表的测量线性度。仪表测量准确度在于方程斜率调整的准确度。通过 修正斜率k ，可以标定流量计的测量线性度。从这方面来讲，标定的目的就是获 取传感器特性方程的斜率值和截距值，从而真正保证测量的线性度和准确度要 求，达到高的测量精确度等级1 1 3 1 。 为了确定电磁流量计的流量值或流量测量值的准确度，必须对电磁流量计实 施标定。标定通常包括两种具体情况，分别实现两种不同的功能。第一，将量值 传递给仪表，确定流量标度标记所处的位置；第二，调整仪表的输出与标准值进 行比较，以判别仪表准确度，测定其误差值1 1 i 。例如，电磁流量计作为产品在出 厂之前总要进行标定，这属于第一种情况；而电磁流量计作为产品应用后，总要 定期进行标定以保证其精度要求，这就属于第二种情况。 浙江人学硕士学位论文 1 2 2 电磁流量计的标定方法 从电磁流量传感器和转换器是否分开进行标定的情况看，电磁流量计标定可 分为整机标定和分离标定两种方法。 使用整机标定方法标定电磁流量计时，电磁流量传感器和转换器组装成整台 仪表，在标定过程中通过直接设定合适的转换器仪表系数和零点完成标定。使用 分离标定方法标定电磁流量计时，电磁流量传感器和转换器各自分开标定，标定 结果需要分别获得电磁流量传感器和转换器的标定系数。一般来说，使用整机标 定方法标定单个仪表过程相对简单、方便；使用分离标定方法需要对电磁流量传 感器和转换器分开标定，过程相对比较烦琐，不过分离标定有利于实现电磁流量 计的互换，方便了使用过程中对仪表的维护。 从标定过程中是否需要实际流体流经电磁流量传感器管道来看，电磁流量计 标定又可分为湿标定和干标定两种方法。通常，湿标定也称作直接测量法，干标 定称为间接测量法。 干标定法标定电磁流量计，是以测量电磁流量传感器的流通面积等结构尺寸 和磁通密度，计算流量值，获得相应的精确度。干标定是在2 0 世纪7 0 年代以后 为解决大口径电磁流量计无法实施湿标定问题而产生的标定方法1 1 i 。 湿标定方法标定电磁流量计时，是以实际流体流过被标定的仪表，再用别的 标准装置( 标准流量计或流量标准计量器具) 测出流过流体的流量，与被标定仪 表的流量值作比较。电磁流量计湿标定一般又可细分为容积时间法、质量一 一时间法和标准流量计比较法三种，下面对这三种方法分别作介绍1 1 i ： 容积时问法：图卜2 是一种典型的容积时间法标定电磁流量计的结 构示意图。其工作原理简述如下： 首先用水泵2 将水池1 中的水打入水塔4 ，在整个试验过程中使水塔处于有 溢流状态，以保证系统的压头不变。打开截止阀7 ，水通过上游侧直管段8 ，被 检流量计9 、下游侧直管段1 0 、夹表器1 1 、调节阀1 2 和喷嘴1 3 流出试验管路。 在试验管路出口处装有换向器1 4 ，换向器用来改变液体的流向，使水流流入工 作量器1 6 或1 5 中，换向器启动时触发计时控制器，以保证水量和时间的同步测 量。试验时，可根据流量的大小选用一个工作量器计量水量，若选用工作量器 1 5 ，则关闭放水阀1 7 、打开放水阀1 8 ，并将换向器置于使水流向工作量器1 6 6 浙江大学硕士学位论文 的位置。用调节阀1 2 将流量调到所需流量，待流量稳定后，启动换向器，将水 流由工作量器1 6 换入工作量器1 5 。换向器动作过程中启动计时器计时和被检流 量计的脉冲计数器计数。当到达预定的水量或脉冲数或时间时，即操作换向器， 使水流由工作量器1 5 换向到工作量器1 6 。记录工作量器1 5 所收集的水量，计 时器显示的测量时间和脉冲计数器显示的脉冲数( 或被检流量计的指示流量) ， 从而完成电磁流量计的标定。容积时间法方法比较成熟，目前国内外用得最 多，使用简单，容易掌握。 0 = 二崮 ：3 i r ， ?支， 一 _ l 1 一 、7 一 厂一：厂 ：。j 、 j 、么：7 图卜2 容积法流鼙标定装置典型结构示意图 卜水池；2 - 水象；3 一上下管； 水塔或稳压容器；5 一溢流管；6 - 试验管路；7 一截止阀：8 - 上游侧直管段： 9 一被检流量计；1 0 - 下游侧直管段；1 卜夹表器；1 2 - 流量调节阀；1 3 一喷嘴；1 4 一换向器；1 5 、1 6 _ 工作量器； 1 7 、1 8 一放水阀；1 回水管路 质量时间法：该方法与容积时间法相仿，仅用精确的衡器代替标准 容器，如图卜3 所示。由于衡器的精度高( 一般为1 旷) ，所以质量时问法 的标定精度要比容积时间法要高些，可以在0 0 2 0 0 5 之间。而且，由 于液体是在静止时称重，管路系统没有任何机械连接，因此标定不受流动的动力 影响。 7 么一，一 占l | 7 父 。、， 。厂塞庐j 导一 。 一 浙江大学硕士学位论文 图卜3 质量时间法流量标准装置示意图 卜正压容器：2 一阀；3 被检流量计；4 一换向器；5 一下水池；6 _ 泵；7 一标准衡器 标准表比较法：这种方法是用精确度高一等级的标准流量计与被标定的流量 仪表串联，流体同时流过二者，比较二者的示值，确定被检表的误差，从而达到 标定的目的。图1 - 4 所示的是标准表比较法标定图。图中，被标定流量计2 装在 标准流量计4 的上游，中间装有流动调整器3 ，流量调节阀5 装在标准流量计4 的后直管段1 0 d n 后，通过流量调节阀5 调节流体的流量到所需要的值，从而完 成对电磁流量计的标定。 1 ， 卜 尺一 7 1 0 d n i _ 2345 ， 令j 兮 | j j j7 - !e爿锑 一1 0 d n 掣1 0 d n 1 0 d n 一卜一_ 一 图卜4 标准表比较法标定的示意图 卜截止阀：2 一被检流量计；3 一流动调整器；4 一标准流量计；5 一流麓调节阀 另外，在标定大流量电磁流量计时，也可以用几台具有窄小测量范围的标准 流量计并联代替被用于检定流量计的单台标准流量计。其结构如图1 - 5 所示。 浙江大学硕士学位论文 l 弦毒 图1 5 标准流量计并联标定示意图 啦1 1 旷标准流量计i 重一被捡流量计 相对于容积时间法和质量时间法两种电磁流量计湿标定方法，标准 表比较法无疑是费用最省，操作最简单的。 目前，电磁流量计标定普遍采用的是湿标定方法。该标定方法的最大优点是 标定精确可靠，所以被绝大多数电磁流量计生产厂家采用。尽管这样，湿标定还 是存在一些难以避免的缺点。首先，湿标定很难模拟出电磁流量计应用中的复杂 工况。实际应用中，电磁流量计测量对象的组分有时是非常复杂的。测量对象的 复杂性包括组分的复杂性。从相的角度来说有单独相、两相、多相，每一相又由 于物理性质( 例如密度、黏度) 及其环境条件( 例如温度、压力) 又有成千上万 种情况。如果是两相或是多相，则更为复杂。各相组成比例，其中一些相在另外 一些相中的分布、行为等都对流量测量有很大的影响。还有这样的情况，由于工 况的影响，有时流体要流经弯管。当流体流过弯管后，下游产生流速分布畸变， 若是两只邻近相接的不同平面弯管，除流速分布畸变外还会有漩涡。这些现象都 要影响装在下游的大部分类型流量仪表的测量值i 撸i i ”i i 铷i 。在这些情况下，湿标 定显然无法模拟复杂的测量对象，因此标定很难和实际使用情况准确一致。再则， 由于标定时要有流体流过，因此在标定大口径电磁流量计时标定成本极高。如： 湿标定一台1 2 m 口径的电磁流量计，需2 5 0 k w 的水泵连续提供约1 5 吨s 的流量，标定时间约2 至4 小时，需要消耗相当大的能量；而且标定装黄造价 也非常高，每套标准装置造价约3 0 0 万英镑1 2 1 i 。而电磁流量计干标定技术是一 种无需实际流体流经电磁流量传感器管道便可实现标定的技术，因此很好地避免 9 浙江大学硕士学位论文 了湿标定的以上缺点。可以预言，干标定技术必将具有很好的应用前景。表卜l 反映的是电磁流量计湿标定和干标定的优缺点对比1 2 到。 表卜1 干、湿标定优缺点比较 干标定湿标定 无需昂贵标准装置 标定无需大量耗能 原理简单，易工程实现 优 适宜大口径仪表标定 准确可靠，被广泛采用 点 方便移动标定 流场、介质模拟方便 标准装置造价昂贵 缺 原理复杂 标定过程大量耗能 精度有待提高 口径增大标定困难 点 移动性差标定不便 难以模拟流场、介质 1 2 3 电磁流量计干标定技术的国内外研究现状 由于湿标定的固有缺点难以避免，干标定技术一直以来就被广大科学家和流 量计生产厂家所关注。我国著名流量专家北京化工大学孙延祚教授在( ( 2 0 2 0 流量 仪表科技发展规划的建议中明确建议研究大口径电磁流量计及其干标定技术 ( 可与俄罗斯专家合作研究) ，以适应水工业的需要i 埘。超声波流量计、差压式 流量计、涡街流量计、电磁流量计因其测量原理可追溯性好，被认为是四种最适 合干标定的流量计。但因干标定技术对相应流量计产品的一致性要求较高，只有 少数发达工业国家对此项技术开展了相应研究。目前，日本已成功实现涡街流量 计干标定技术的工业化应用，并建立了相应的工业标准涡流流量计流量测 定方法。我国在涡街流量计干标定技术上做过探索，重庆工业自动化仪表研究 所于1 9 9 0 年发布了涡街流量计干标定研究工作报告，是我国在此领域取得的 宝贵成果i 圳l 瑚。 一般来说，电磁流量计由于采用电磁感应定律，从原理上讲可追溯性好，适 合于干标定。但是，干标定技术的应用对电磁流量计产品的一致性要求较高，这 成为限制其工业应用的一个门槛。另外，电磁流量计干标定技术的研究从技术本 身来讲也存在不少难点。因此，虽然许多国家对该项技术有过研究，但是取得有 l o 浙江大学硕士学位论文 效成果的却很少。日本在2 0 世纪7 0 年代为了解决大口径电磁流量计无法实现湿 标定的问题，进行过电磁流量计干标定研究，并作为日本工业标准j i sz8 7 6 4 1 9 7 5 应用电磁流量计测量流量的方法的内容。但是由于精确度相对较低，现 在已很少采用i l l 。我国在电磁流量计干标定技术上也曾做过一些探索。上海光华 仪表厂和天津自动化仪表三厂曾经分别对自己生产的l d 5 0 0 和l d 2 5 规格的电 磁流量计进行过干标定试验，但是计算与实际结果最大偏差为1 8 ，误差不能 满足仪表规定的要求。 虽然电磁流量计干标定技术研究和应用遇到了不少困难和挫折，但是在研究 这项技术的过程中，也产生了一些宝贵的研究成果和技术难点共识。例如，尽管 各个研究使用的研究方式彼此不同，但是大家都普遍认同电磁流量计干标定的关 键技术是准确地获取电磁流量传感器管道有效区域内各点的磁场信息。 要获取电磁流量传感器管道有效区域内各点的磁场信息，使用磁场检测仪器 在电磁流量传感器管道内直接逐点测量已经被证实行不通。目前，解决此难题的 新思路为：利用电磁流量计磁场的交变特性，通过测量电磁感应所产生的其它物 理量间接获取电磁流量计有效区域内的磁场信息。这样，无须直接测取电磁流量 计内部磁场便有可能实现对电磁流量计的干标定。英国c r a n f i e l d 大学j h e m p 教授提出的涡电场测量法、我国上海大学李斌教授提出的h a l l 效应法与俄罗 斯热工仪表所v e l t 1 d 教授提出的面权重函数法都类似于这种方法。以下对这三 种方法进行简单介绍。 ( 1 ) 涡电场测量法1 2 1 i i 卅 涡电场测量法是由英国c r a n f i e l d 大学的j h e m p 教授提出的，这种测量法主 要思想如下：电磁流量计在应用过程中有流体通过传感器管道时，由于交变磁场 的作用，管道中将伴随产生涡电场，该电场不受流速分布的影响，通过测量电磁 流量计电极所在位置涡电场强度测取电磁流量传感器标定系数。 基于以上思想，将电磁流量传感器竖直放置，管段内充满被测介质( 例如水) ， 在磁场交变时，管段中将产生涡电场。如图卜6 所示，图中e z l ，e z 2 表示涡电 场在管道轴向的分量。 浙江大学硕士学位论文 图卜6 涡电场测量法原理示意图 当电磁流量计采用矩形脉冲信号励磁且电磁流量传感器管道中流体速度分 布平坦时，在流量计两电极处各放入一个涡电场测量传感器，每个涡电场测量传 感器由绝缘衬底及一对电极组成，每对电极间距离为6 ，则涡电场测量传感器电 极问将产生电势差e l 、e 2 。图卜7 表示了磁感应强度b 、流量计电极问电势差 a u 及涡电场传感器电极间电压e 。、e 2 信号之间的关系。涡电场测量法在正确 搞清楚三者关系的基础上，通过测量涡电场而问接测量电磁流量传感器内部磁 场，从而实现了对电磁流量传感器的标定。 磁感应强度b 流量计电极间屯势差a u 传 图卜7 涡电场测量法信号示意图 涡电场测量法理论模型基于电磁流量传感器管段内速度分布平坦的假设，因 1 2 浙江丈学硕：t 学位论文 此无法对非理想流场情况下的电磁流量传感器精度进行检测。在电磁流量计实际 应用中，只要有上、下游直管段的保证，电磁流量传感器管段内的流场为完全发 展，速度分布趋于平坦，大口径电磁流量计在理想状态下的速度分布便是如此。 因此，此方法可适用于较大口径电磁流量计。对于小口径的电磁流量计，由于电 磁流量传感器及其电极尺寸的限制，测量精度将难以保证。另外，使用涡电场测 量法标定电磁流量计的过程中，无法模拟多相流和介质的速度分布。这也是它的 又一不足之处。 ( 2 ) h a l l 效应法1 2 7 i h a l l 效应法是由我国上海大学的李斌教授提出的，这种方法基于的思想 是：利用电解质溶液的h a l l 效应，在电磁流量传感器管道中建立h a l l 系统， 将对电磁流量传感器磁场的测量转化为对h a l l 电压的测量，从而实现对电磁 流量传感器的干标定。 基于以上思想，在电磁流量传感器管道中建立如图卜8 的电磁流量计h a l l 系统。图中，1 ，2 是两个电极；3 ，4 是两个平板导体；5 是电解液。该系统工 作时，首先在3 ，4 和电解液之间建立电流回路，在电磁流量传感器管道中磁场 的作用下，传感器管道中将发生h a l l 效应，电极l 处将聚集正电荷，在电极2 处将聚集负电荷，于是1 ，2 电极之间将形成电压信号u 输出。正是在建立电压 信号u 和磁感应强度b 的关系下，实现了通过直接测量u 而间接测量磁感应强 度b 的效果，从而能够实现电磁流量传感器的标定。 u 图卜8h a l l 效应法原理示意图 在使用h a l l 效应法时，由于溶液对温度的敏感性要远远大于固体，一般 测量系统的稳定性要求在1 以内时必须考虑测量体系的温度。同时，各种电解 浙江大学硕士学位论文 质溶液的离子动力学参数随温度变化的关系研究本身就是一个比较困难的问题， 因此溶液h a l l 效应的较高精度测量要采用对溶液的恒温控制。从这方面来讲， 该方法很难达到很高的标定精度。 ( 3 ) 面权重函数法i 勰1 1 2 9 1 3 0 1 面权重函数法是由俄罗斯热工仪表所的v e l t i d 教授提出的，这种方法基于 的基本思想是：通过m f c 传感器中绕制的线圈和电磁流量传感器线圈之间的互 感作用，在电磁流量传感器管道中的磁场交变时，测量m f c 传感器输出的感应 电压信号，从而实现对电磁流量传感器的干标定。 图卜9m f c 传感器法原理示意图 由于面权重函数法的m f c 传感器根据面权重函数w 。的等值线制得，如图 卜9 所示。w 。包含了流速分布等流场信息，因此可根据实际流场制作不同m f c 传感器，从而完成不同流场情况下的电磁流量传感器干标定。装置亦可用于浆液、 粘性介质及流体的运动学和动力学特性，甚至多相流对电磁流量计测量精度影响 的研究，具有较大的学术意义与实用价值。 1 3 课题选题依据和目的 我国早在2 0 世纪5 0 年代就开始研制电磁流量计。7 0 年代中期，受先进工业 国的影响，我国电磁流量计理论的研究也进入了高潮。我国的电磁流量计是较早、 较成功地走引进国外先进技术以及和国外先进企业合资的改革之路的高科技产 品之一。这不仅使电磁流量计骨干生产企业得以迅速发展，而且带动了其它生产 电磁流量计的中小型企业的进步。目前，我国生产电磁流量计是以低频矩形波励 1 4 浙江大学硕士学位论文 磁为主，逐步进入权重磁场和智能化流量计时代i ”。根据美国a r c 咨询公司2 0 0 4 年8 月出版的中国电磁流量计市场动向调查，2 0 0 3 年我国电磁流量计市场容 量超过4 6 0 0 万美元，今后5 年将以年复增长率( c a g r ) 1 0 7 增长，到2 0 0 8 年将达7 7 0 0 万美元1 3 i i 。 随着我国电磁流量计生产技术的发展以及生产规模与市场的不断扩大，电磁 流量计湿标定的诸多弊端逐步显示出来。特别地，对于大口径电磁流量计，传统 的湿标定方法已经在应用过程中暴露出不少缺点。为了弥补电磁流量计湿标定不 可避免的缺点，干标定作为一种全新的技术被提了出来，我国的科技人员为此也 做出了不懈的努力。在此过程中，我国的干标定技术研究取得了一定的成绩，但 从实际应用的角度来说，显然还没有达到另人满意的效果。 俄罗斯电磁流量计干标定技术作为国际上典型的电磁流量计干标定技术之 一，业已在俄罗斯国内展开了一定规模的工业应用，使用效果和测量精度都能满 足实际标定的需要。为了学习和应用国际先进电磁流量计干标定技术，在国家科 技攻关计划项目资助下，浙江大学流体传动与控制国家重点实验室从俄罗斯引入 了一套电磁流量计干标定装置，并和俄罗斯联邦国家统一企业国家热工仪表科学 研究院开展技术合作，对该装置进行改造，使之适合我国电磁流量计干标定的需 要。 本课题的选题是在中俄合作项目的背景下进行的。课题目的在于：配合俄罗 斯干标定装置p o t o k 的引进，为这套装置在中国电磁流量计产业中的应用奠定 理论基础；为p o t o k 装置针对中国电磁流量计产品所作的改进提供试验依据； 对p o t o k 装置是否适用于中国电磁流量计产品进行初步检验与判断。在此基础 上，希望能够学习和吸收国外先进的电磁流量计干标定技术，对我国的电磁流量 计干标定研究和应用起到一定的启发和借鉴作用。 1 4 课题研究内容 对应于课题目的，本课题研究内容具体地包括以下几个部分： 一、p o t o k 装置原理剖析 p o t o k 装置是根据俄罗斯电磁流量计干标定技术面权重函数法开发应 用的工业化产品。该装置无论从技术上还是工业应用上来看，都在国际上独树一 浙江丈学硕上学位论文 帜，绝无仅有。我国引进该装置，需要和俄方合作，对其做出必要的改进，使之 能够适合中国电磁流量计产品标定的需要。为了很好地完成该工作，必须了解和 掌握p o t o k 装置工作的基本原理。因此，对p o t o k 装置的原理理解和剖析是 本课题要研究的首要内容同时也是难点所在。 二、电磁流量计干湿对比试验 p o t o k 装置原理上固有的特点决定了我国引入这套干标定装置后并不能够 立即在国内展开应用。在此之前，需要结合我国电磁流量计的特点，对p o t o k 装置进行必要的改进。电磁流量计干湿对比试验是改进p o t o k 装置前必不可少 的环节，它主要为改进p o t o k 装置提供必需的试验数据。电磁流量计干湿对比 试验是本课题的主要工作量。 三、p o t o k 装置干标定验收试验 根据我方提供的干湿对比试验数据，俄方对原有的p o t o k 装置进行改进后， 我方还需对修改后的p o t o k 装置进行