（微电子学与固体电子学专业论文）永磁式电磁流量传感器的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电介质体积流量的 计量仪表。它具有测量精度高、量程比宽、管道压力损失小等特点，在各领域中 得到广泛地应用。电磁流量传感器是采集感应电动势信号的装置，是电磁流量计 的关键组成部件。电磁流量传感器的设计主要集中在两个方面：励磁方式和电极 结构。 为了实现电磁流量传感器的结构简单、功耗低、响应速度快，本文介绍了一 种永磁式电磁流量传感器。并针对恒定磁场感应电动势在电极表面产生的极化现 象，采用了一种永磁式电磁流量传感器的信号处理方法，控制电极信号中的极化 电压。 本文还分析推导了该信号处理方法的测量原理，设计出一种基于单片机的测 量电路。并分别对清水、3 6 的食盐水和2 5 的食盐水做对比测量试验，在 o 8 0 0 m 3 h 和0 7 2 5 m 3 h 两个设定流速下得到相对误差在1 左右的实验数据，证明 了本文研究和设计的永磁式电磁流量传感器的实用性及方法的可行性，从而使永 磁式电磁流量计测量一般导电介质体积流量成为一种可能。 关键词：电磁流量传感器；永磁式；极化电压；信号处理 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ( e m f ) b a s e do nf a r a d a y sl a wo fe l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o ni sak i n do ff l o w m e t e rt om e a s u r et h ev o l u m e t r i cf l o wo fc o n d u c t i n gf l u i d b e c a u s eo fi t sp r o m i n e n ta d v a n t a g e s ，s u c h 觞h i 曲p r e c i s i o n ，w i d em e a u s u r e m e mr a n g e a n dl o wp r e s s u r el o s s ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri sw i d e l yu s e di na l lf i e l d sa sa k e yp a r to fe m f , t h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o ws e n s o ri su s e dt om e a s u r et h ei n d u c e dv o t a g e t h e r ea r et w o a s p e c t sf o rt h es e n s o rd e s i g n ：e x c i t a t i o nm o d ea n de l e c t r o d e t h ep a p e ri n t r o d u c eae l e c t r o m a g n e t i cf l o ws e n s o re x c i t e db yp e r m a n e n tm a g n e t s ， w h i c hh a v ea d v a n t a g e so fs t r u c t u r es i m p l i f i c a t i o n ，m i c r op o w e ra n dq u i c kr e s p o n s e f o r t h ee l e c t r o d es u r f a c ep o l a r i z a t i o n ，t h es e n s o ru s eas i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d t oc o n t r o l p o l a r i z a t i o nv o l t a g e a n a l y i n gm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，t h ep a p e rd e s i g nam e a s u r e m e n tc i r c u i tb a s e do n am i c r o c o n t r o l l e ru n i t ( m c u ) a n dp r o v et h ep r a c t i c a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h es t u d y b y r e l e v a n te x p e r i m e n t w i t hc l e a nw a t e r , 3 6 s a l tw a t e ra n d2 5 s a l tw a t e r , t h i s e x p e r i m e n to b t a i n s1 r e l a t i v ee r r o ro ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n0 8 0 0 m 3 ha n d 0 7 2 5 m 3 hf l o wr a t e ，w h i c hm a d ei tp o s s i b l et h a te l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e re x c i t e db y p e r m a n e n tm a g n e t si su s e di nt h em e a s u r e m e n to fn o r m a lc o n d u c t i n gf u i d k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf l o ws e n s o r ；p e r m a n e n tm a g n e t s ；p o l a r i z a t i o nv o l t a g e ； s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d 1 1 黑龙江大学硕士学位论文 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，也不包含为获得墨蕉堑太堂或其他教 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：易力；多、 签字日期：伊年6 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨蕉逛太堂有关保留、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。 本人授权墨蕉江太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：易力芗互。 签字日期：m 年月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地由i = ： 轹1 叮 签字日期：川寸年6 月r 日 螨：嘶d 6 06 鹦l 邮编： 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 流体在一段时间内，流过一定管道或设备某处横截面的数量称为累计流量。 当流体用体积表示时称为体积流量，用质量表示时称为质量流量。累计流量主要 用于贸易结算。当时间很短时，流量与时间之比称为瞬时流量。瞬时流量亦分瞬 时体积流量及瞬时质量流量，瞬时流量主要用于工业过程控制【2 】。 从古埃及人用尼罗河流量来预报年成的好坏到古罗马人采用孔板测量流量修 渠引水，人类很早就开始了流量测量。如今，不管是用于计量或是同时用于控制， 流量测量已涉及到人类生产和日常生活的各个领域，如石油工业、化学工业、电 力工业、农田水利、国防建设、科学研究等以及与日常生活密切相关的自来水、 煤气、天然气等都离不开流量测型3 4 1 。 流量是一种动态量，通常流量测量的对象是气体，液体或是混合多相流体这 三种具有不同物理特性的流体。一般流量测量时需要考虑流体的物性值有密度、 动力粘度、比热比、热胀系数、压缩系数等。加上需要考虑流体测量时的多种多 样的条件，如腐蚀性、温度、压力范围、流量大小、被测流体的流动状态如层流、 紊流等等，对液体而言还存在粘度大小、导电与否等不同情况。因此，为准确测 量流量，就必须研究不同流体在不同条件下流量测量的方法，并设计出相应的测 量仪表。 从皮托管算起，流量测量仪表的出现已经有2 0 0 多年的历史了。当时由于科 学技术和经济生产的不发达，流量测量范围都较窄，测量的精度也只能满足低水 平的生产需要。到本世纪5 0 年代，工业上使用的流量计主要有孔板、皮托管、浮 子流量计等。第二次世界大战后，国际经济和科学技术迅速发展，流量测量日益 受到重视，流量测量仪表也随之迅速发展起来。为满足不同流体，不同流动条件 下流量测量的需要，近几十年来，先后研制并投入使用的流量计有电磁流量计、 黑龙江大学预士学位论文 超声波流量计、涡街流量计、容积式流量讣和科里奥利质量流量计等许多种流量 仪表。随着：【业生产过程的管道化，自动化和智能化以及日常生活的需求，流量 测量仪表在整个计量仪袁中所占的比例会越柬越大【”。 1 2 电磁流量计的基本原理及特点 1 2 1 电磁流量计的基本结构及工作原理 电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律进行测量工作的。电磁感应定律的主 要内容是当导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体两端就会感应出一个与磁 场方向和导体运动方向相互垂直的感应电动势，感应电动势的大小与磁场强度和 导体运动速度成正比嘲。 电磁流量计的结构由电磁流量传感器和转换器两部分组成。传感器安装在测 量管道上，作用是将流经管道内的流体的体积流量值线性地转换为感应电动势信 号，并通过传输线将此信号送到转换器中去。转换器的作用是将传感器送来的感 应电动势信号进行一系列信号处理如比较、放大等，并转换成统一标准的输出信 号，以实现对柱测流体流量的远距离的指示、记录、积算或调节l 叫。 z 漉 x 磁场方 图1 - l 电磁流量计基车结构及测量原理图 f i g a 一1 t h eb a s i c $ 1 r u c t l l mo f e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m c 【c r s a n d m u r m t p r i n c i p l e s 第l 章绪论 如图1 1 所示，根据法拉第电磁感应定律，测量管内流动的导电流体作切割磁 力线运动，从而产生感应电压，与流体直接接触的两个电极1 2 上则产生电磁感应 电动势。当忽略感应电动势的正负，只考虑其绝对值大小时，可用下式表示： e ：塑：召坐：b d d l ：嘶 。d td t d t 式中b 磁感应强度( t ) ； 么磁通量变化的面积( m 2 ) ； 导体运动时切割磁力线形成的导体回路的磁通量( t m 2 ) ； d 导体长度，相当于管道直径( m ) ； 卜导体运动距离( m ) ； 1 ，导体平均运动速度( m s ) ； e 在导体两端得到的感应电动势。 圆形管道的体积流量表示为 q = 堡4 万； 由石：旦可得， q = 筹互 测得e 即可得到流量，实现流量的测量。 ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 1 2 2 电磁流量计的特点 电磁流量计具有一系列优良特性，可以解决其他流量计不易应用的问题，主 要优点如下【3 6 7 】： ( 1 ) 传感器的结构简单可靠，无活动部件和阻碍被测介质流动的节流部件，因此， 电磁流量计特别适用于测量液固两相介质，象带有悬浮物、固体颗粒、纤维等的 或粘性较大的导电性的浆液，可以用来测量泥浆、污水、矿浆、纸浆、化学纤维 黑龙江大学硕士学位论文 浆等介质的流量。 ( 2 ) m 于没有节流部件，被测介质在传感器的测量管内部流过时，几乎没有压力 损失，仅仅只有这一管段的很小的沿程阻力，因而可以忽略不计。与通常采用的 节流式流量计相比，可以大大减少泵等原动力的消耗，特别在工艺管道中压力不 高或依靠管道水头自流的情况下，采用电磁流量计就更为有利。 ( 3 ) 电磁流量计是一种体积流量测量的仪表，它不仅可以测量单相的导电性液体 的流量，也可以测量液固两相介质的流量，而不受被测介质的密度、温度、压力、 粘度以及电导率( 在一定范围内) 等物理参数变化的影响。因此，电磁流量计只需用 水标定以后，就可以用来测量其他导电性液体或液固两相介质的流量，而不需要 附加修正值。 ( 4 ) 电磁流量计量程范围极宽，对于同一台电磁流量计可达l ：1 0 0 ，而且可以 任意改变量程，此外，电磁流量计测量体积流量时只与被测介质的平均流速成正 比，而与轴对称分布下的流动状态( 层流或紊流) 无关。 ( 5 ) 电磁流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量瞬时脉动流量，而且线性好， 可以直接进行等分刻度。因此，可将测量信号直接用转换器线性地换成标准信号 输出，既可以就地指示，也可以将信号远距离输送。 ( 6 ) 耐腐蚀性能好。由于电磁流量计与被测液体接触的部分只有测量管衬里和电 极表面，因此可根据被测介质的物理化学性质来选择合适的材料。 ( 7 ) 使用维护方便，使用寿命长。 虽然电磁流量计的优点比较多，但仍存在一些不足之处，限制了其一些领域 中的应用，主要有如下缺点： ( 1 ) 电磁流量计不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体。 ( 2 ) 电磁流量计现在还不能测量电导率很低的液体，例如石油制品和有机溶剂 等。 ( 3 ) 由于测量管衬里材料和电气绝缘材料的温度限制，目前一般工业电磁流量计 还不能用于测量高温介质。 第1 章绪论 1 3 当前国内外电磁流量传感器的研究 1 3 1 电磁流量计发展简史 1 8 3 1 年1 9 ，英国物理学家迈克尔法拉第( f a r a d a y m i c h a e l ) 首先发现了电磁感应 定律。次年，他构想利用地球磁场测量英国泰晤士河畔滑铁卢桥下河水的流量， 并进行了现场试验，这是历史上最早的电磁流量计的试验研究。但由于当时对电 磁流量计的工作特点认识的还并不够深入，尤其是对电化学反应，热电效应等原 因引起的电极极化现象的认识不足，加上当时的测量条件限制，没能得到感应信 号，试验进行了3 天最终未获成功【1 0 l 。 直到1 9 1 7 年1 1 1 1 ，在认识到极化现象产生机理和特点之后，c g s m i t h 和j s t e p i a n 用交流励磁来客服水的极化现象的影响。 1 9 3 2 年，生物学家a k o l i n 第一个成功的设计出了圆形管道的电磁流量计， 可用来测量和记录瞬时动脉血管流量f 1 2 1 。 二次世界大战后，随着原子能工业发展的需求和电子管的问世，第一台永磁 励磁电磁流量计诞生，并用于测量核反应堆液态金属钠和秘的流量【1 3 】。 1 9 5 1 年，荷兰科学家成功地研制出直流励磁电磁流量计，并在挖泥船上测量 泥浆获得成功。从此电磁流量计成为具有商品价值的流量仪表，开始其工业应用 1 1 4 o 1 9 5 4 年，美国f o x b o r 公司推出世界上第一个电磁流量计产品。1 9 5 5 年，日本 制造出自己的电磁流量计。几乎同时，前苏联、英国、前西德也相继成功的生产 出电磁流量计。我国在1 9 5 7 年开始研制电磁流量计【1 5 1 。 进入6 0 年代，j a s h e r c l i f f 和a k o l i n 等人在对无限长均匀磁场的电磁流量计 的研究基础上，完成了有限长均匀磁场下等流速情况下的数学解析，并用权重函 数的理论揭示了产生感应电动势的微观特性，使得电磁流量计有了系统的理论基 础i 。 7 0 8 0 年代，随着电子及微处理器的迅速发展，电磁流量计进入了数字化时代， 插入式、一体式、两线式、防爆型、高压型、具有通信功能的各种新型电磁流量 黑龙江大掌硕士学位论文 计不断涌现1 1 7 1 。 近2 0 年来，电磁流量计在转换器微机化与智能化，传感器与转换器一体化， 小型轻量化以及衬里材料，电极形状与材料，电极表面脏物消除等方面也取得了 重大进展，使电磁流量计的精确度，线性度和稳定性显著提高。目前，电磁流量 计在各种流量仪表的应用中约占总量2 0 ，市场销售年增长率在2 0 一3 0 左右， 是一种应用范围很广并有良好发展前景的流量仪表 8 1 。 1 3 2 电磁流量传感器励磁方式简介 早期的电磁流量传感器采用的工作磁场是由永磁体产生的，但是由于极化效 应的存在，使电磁流量计的研究几十年没有大的进展。随着研究的发展，人们认 识到，以电磁感应原理进行的流量测量，首先要解决的难题不是信号放大，而是 信号的干扰，其中最大的干扰就是电极表面上的极化电压。为了克服电极极化， 人们采用了交流励磁方式，使电磁流量计得到迅速发展。可见励磁方式是电磁流 量传感器研究的关键技术之一。现把常用的电磁流量传感器的励磁方式总结如下 表： 表1 - 1 电磁流量传感器励磁方式及特点 t a b l e1 - 1e l e c t r o m a g n e t i cf l o ws e n s o re x c i t a t i o nm o d ea n df e a t u r e s 励磁方式励磁波形特点 l 励磁最简单，因极化效应 b 直流( 永磁体) 励磁 仅限于液态金属测量【2 4 】 f b 。 厂厂。， 用工频励磁，极化电压 交流正弦励磁 小，存在电磁感应干扰， vvvv 7 零点稳定性差【2 4 】 励磁频率是工频的整数 双向恒流( 方波) 励 占。 n 八厂r 倍，零点稳定性好，但测 磁 uu 7 量浆液两相流会抖动【2 1 】 第l 章绪论 b 。 l 可自动调零，其他如上 三值低频励磁 厂、厂。r - 一 7 双频励磁 b 。 兼有高频励磁响应快低 几n 几兀几n 几。r 频励磁零点稳，但调节麻 烦【2 2 j l lo lll lu 7 可编程脉宽矩形 召。 通过控制励磁矩形波的 厂厂。t 脉宽及频率实现浆液两 波励磁相流的测量，降低其特有 uu 7 流动噪声干扰 1 3 3 电磁流量传感器电极结构简介 电磁流量传感器研究的另一个方面就是电极结构的设计。电极的数目，几何 形状和尺寸都影响着对流体测量的精度，且它们并不是独立的，而是相互关联， 相互影响的，并受到管道尺寸大小及后继测量电路输入阻抗等其他因素的限制。 因此，在实际应用中应根据测量精度要求，机械加工精度，空间几何尺寸限制和 阻抗匹配等因素，对电极结构进行优化设计【1 5 1 。现把常用的电磁流量传感器的电 极结构总结如下表： 表1 2 电磁流量传感器电极及特点 t a b l e1 - 2e l e c t r o m a g n e t i cf l o ws e l i s o fe l e c t r o d ea n df e a t u r e s 电极方案结构特点 单对点电极 结构最简单，使用条件是 流体流速分布相对管道 是轴对称，不满足时，测 量结果将有不同程度误 2 1 z l 黑龙江大学硕士学位论文 多对点电极 可用于非轴对称流动条 件下的测量，但要求较高 的磁场均匀性，生产难度 大，成本高，标定调整困 难【1 0 1 可应用于非满管条件下 大电极 。 的测量，但测量误差会随 电极尺寸的增大而增大， 且要考虑污物沉积等不 良影响【5 】 非接触式电极 利用电容耦合技术获取 感应信号，避免了电极表 面附着、摩擦、腐蚀，可 实现对低电导率流体的 测量【1 6 2 0 】 1 4 本论文的主要内容及意义 本文在电磁流量传感器的基本理论和技术基础上，研究设计了永磁式电磁流 量传感器及其信号处理方法，提出了反馈控制极化电压这一解决永磁式电磁流量 传感器测量障碍的技术方法，具体进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 设计了一种利用永磁体励磁方式，采用传统的接触式单对点电极结构的永 磁式电磁流量传感器。 ( 2 ) 针对恒定磁场感应电动势在电极表面产生的极化现象，采用了一种永磁式 电磁流量传感器的信号处理方法。 ( 3 ) 分析推导了该方法的测量原理，设计出一套基于单片机的信号处理电路， 并通过实验装置对实际流体进行测量试验。 本文研究设计的永磁式电磁流量传感器的信号处理方法借鉴了自动控制原理 的负反馈思想，即是一种动态反馈控制机制，控制电极信号中的干扰信号一极化 电势。该方法具有实用性及可行性，使永磁式电磁流量计测量一般导电介质体积 流量成为一种可能。 第1 章绪论 1 5 本章小结 本章介绍了有关流量及电磁流量传感器的相关知识和概念，回顾了其相关历 史，并对前人工作做了综合评述，在此基础上，提出了本论文研究的主要内容及 意义。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章电磁流量传感器的理论研究 2 1 电磁流量传感器的基本方程及权重函数 电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律进行工作的，只是其中切割磁力线 的导体不是一般的金属导体，而是具有一定电导率的流体流注。本文以图1 1 给出 的电磁流量计结构中的传感器部分来论述其相关基本理论。 由公式( 1 3 ) 可知，瞬时体积流量q 与感应电动势e 成线性关系，且它只与磁 感应强度召和测量管内径d 有关，而与其他物理参数的变化无关。这就是电磁流 量计的最大优点。但需要说明的是，要使得公式( 1 3 ) 成立，必须使测量条件满足 以下假定【2 5 】： ( 1 ) 磁场是均匀分布的，且恒定不变； ( 2 ) 被测流体的流速分布是轴对称的； ( 3 ) 被测流体是非磁性的，并且它的磁导率与真空中的磁导率一样； ( 4 ) 被测流体的电导率仃是均匀的和各向同性的，且不受电场或流体运动的影 响。 当导电流体在磁场内流动切割磁力线时，流体中则有感应电流产生。按照欧 姆定律，它的普遍公式1 1 l 】为 j = o - ( e + 1 ，b )( 2 1 ) 式中- 厂电流密度，即通过流体单位面积的电流蚶) ； 盯流体的电导率( s m ) ； e 电场强度( v ) ； 1 ，流体流动速度( 州s ) ； 曰磁感应强度( d 。 公式( 2 - 1 ) 说明，被测流体的离子既受切割磁力线产生的感应电动势( v xb ) 的作 用，又受电极与流体接触面上表面电荷产生的电场e 的作用。 第2 罩电磁流量传感器的理论研究 i i 假如激磁电流的角频率缈不很大，位移电流完全可以忽略，而只考虑传导电流， 这时，电流密度的散度等于零，即 v j = 0 ( 2 2 ) 将公式( 2 1 ) 代入公式( 2 2 ) ，即可得到电磁流量传感器的基本微分方程 v t r ( e + v x b ) 】= 仃【v e + v ( v b ) 】+ v 仃( e + 1 ，b ) = 0 ( 2 3 ) 假定电导率盯是均匀且各向同性的，则v 盯= 0 。设产生电场的e 的电压为u ，则 e = - v u ，代入公式( 2 3 ) 得 v 2 u = v ( 1 ，b )( 2 - 4 ) 公式( 2 - 4 ) 即为电磁流量传感器的基本方程，解此微分方程，就可得到电磁流量传 感器电极两端上的电压u 与b 的关系了。 要解方程( 2 4 ) 还要提出求解的边界条件，为此，这里提出“长筒流量传感器 的物理模型，如图( 2 - 1 ) 所示： 2 1 ， 电极2 c d ) 图2 1 长筒流量传感器的物理模型 f i g 2 - 1p h y s i c a lm o d e lo fl o n g i t u b af l o ws e l i s o s 设此流量传感器很长，磁场与电极长度均为2 l ，为线状电极，当三一时，方程 ( 2 4 ) 可认为是平面问题。当均匀电磁场型电磁流量传感器满足下列假设条件时， 即可应用“长筒流量传感器的模型： ( 1 ) 磁场b ，两电极轴和管轴互相垂直； ( 2 ) 被测流体是电性能均匀的导电介质，即流体的电导率是均匀和各向同性的； 黑龙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 被测流体是非压缩性的均匀流体； ( 4 ) 流体流动方向与管轴方向平行，流动状态为轴对称分布，即流速大小仅为矢 径，的函数； ( 5 ) 管壁处的流速为零，管内壁是绝缘物质； ( 6 ) 电极1 2 之间的电位差为u ：； ( 7 ) 所有物理量在管轴方向上是相同的，这样的沿管轴方向，在2 三长度的范围 内，磁场均匀存在，强度大小恒定。 应用上述假定条件，根据方程( 2 4 ) 可得两电极间的感应电势为 u 1 2 去p 邶v g ) d r - 去p 邶w ) d f ( 2 - 5 ) 式中口测量管内径( m ) o w 权重函数，或称价矢量，价函数，w = v g ； g 格林函数。 权重函数矽是一个三维空间函数，根据上述的假定( 1 ) 和( 4 ) 口= b ( x ) ，1 ，= ，( ，) ， 因此对于“长筒流量传感器 有 v ( b 形) = 1 ，b 峨( 2 6 ) 根据格林函数的性质和电磁流量传感器的边界条件，可求得长筒流量传感器的权 重函数 职= 再而萼南= 再躲 睨= 蔬毒霉嚣研= 乏鬟黔 公式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 给出了长筒流量传感器权重函数的直角坐标和极坐标的表达式。 必须强调指出： ( 1 ) 权重函数是一个无量纲的空间函数，这个函数只决定于流量传感器的边界 第2 章电磁流量传感器的理论研究 条件，a p n 量管及电极的几何形状，而与磁场，流速场的形态无关； ( 2 ) 空间某一点上的权重函数表示流体切割磁力线产生的感应电动势对两极间 流量信号贡献大小。 而在实际应用中，大多数工业电磁流量传感器是采用点状电极的，这样，与长 筒流量传感器的物理模型差别较大，于是，设想了短筒流量传感器模型。如图( 2 2 ) 所示 图2 - 2 短筒流量传感器的物理模型 f i g 2 - 2p h y s i c a lm o d e lo fd u a n t o n gf l o ws e n s o r s 短筒流量传感器有两个点状电极1 2 ，采用柱坐标时它们的位置是 电极l ：厂= 口 三一伊 p 三+ 伊虿一伊 p 虿+ 伊 hh 一一 z 一 22 电极2 ：，= 口 一三一伊 秒 一三+ 缈一虿一伊 矽 一j + 缈 h h 一一 z 图5 4 不j 司电导翠流体输出电压关系图 f i g 5 - 4f l u i d so fd i f f e r e n tc o n d u c t i v i t yo u t p u tv o l t a g ed i a g r a m 从上图可以看出清水和3 6 食盐水产生的流量电压信号基本拟合在一起，显 示流量值基本反应出实际流量值，而2 5 食盐水产生的流量电压信号却降低了， 即显示流量值小于实际流量值。也验证了第二章中关于被测流体电导率的影响的 理论，即虽然信号放大器的输入阻抗足够大，对导电流体进行测量不致因电导率 稍有变化而引起误差，但如果被测流体电导率过高，如超过l o s m 1 5 3 】，就会降低 流量信号。 5 3 本章小结 通过静态和动态流体测量实验可知，本文设计的信号处理电路可以有效地抑 制传感器两电极表面上的极化电压，实现了两个流速下永磁式电磁流量传感器对 一般清水和食盐水的的测量，测量结果比较好地反应了实际流体流量的值。 结论 结论 从电磁流量传感器一百多年的发展历史上看，自从电磁流量传感器的基本测 量理论提出以来，电磁流量传感器的每一步进展都建立在对电磁流量传感器信号 特性更深入的认识和了解的基础上，体现在新的实现技术及信号处理方法研究的 进展方面。如作为电磁流量传感器发展进程中的最重要的创新利用交流励磁 方法来抑制极化电压。本文提出了另一种抑制极化电压的信号处理方法，使直流 励磁技术应用范围不仅限局限于原子能工业中导电率极高，不产生极化效应的液 态金属流量测量中，开拓了直流励磁技术新的研究空间，有助于实现该技术的更 广泛地实际应用。并通过相关试验得到以下结论： ( 1 ) 永磁式电磁流传感器具有结构简单可靠、受工频干扰影响很小、流体中的 自感现象可以忽略不计等特点。 ( 2 ) 反馈控制式信号处理方法，能实现0 8 0 0 m 3 h 和0 7 2 5 m 3 u 两个流速条件下， 对清水和食盐水流体的流量测量，并取得比较好的试验结果。 ( 3 ) 如果被测流体电导率过高，如超过l o s m ，就会降低流量信号，即流量显 示值小于流量实际值。 本文设计的是一种小口径传感器，在设置流速为0 8 0 0 m 3 h 和0 7 2 5 m 3 h 条件， 取得比较好的试验结果。但对于大口径传感器和流体高流速条件下，这种永磁式 电磁流量传感器的精确度及实用性还有待进一步的研究。本论文设计的传感器和 信号处理电路还有些粗糙及不完善等不足之处也有待于进一步的改进。 黑龙江大学硕士学位论文 参考文献 【1 】赵若江计量与测试【m 济南：山东人民出版社2 0 0 1 4 1 8 1 【2 】s h e r c l i f f j a t h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e a s u r e m e n t m c a m b r i d g e u n i v e r s i t yp r e s s 19 6 2 【3 】蔡武昌，马中元，瞿国芳电磁流量计【m 】中国石化出版社2 0 0 4 3 【4 】靳笑宇电池供电电磁流量计的研究设计【d 】北京化工大学2 0 0 5 9 【5 】曹金亮多参数电磁流量计及其实现技术的研究【d 】上海大学2 0 0 7 5 【6 】曾为民，李斌电磁流量计综述【j 】上海大学学报1 9 9 7 1 1 【7 】黄宝森电磁流量计【m 】北京：原子能出版社1 9 8 1 【8 】美国a r c 咨询公司中国电磁流量计市场动向调查【r 】2 0 0 4 8 【9 】彭瑞电磁流量计励磁技术的过去，现在和未来【j 】自动化仪表1 9 9 3 【1 0 】徐立军多对电极电磁流量计传感器电极阵列设计【j 】仪器仪表报2 0 0 3 8 【1 1 】应启戛流量检测及仪表【m 】上海交通大学出版社1 9 8 7 4 【1 2 朱德祥流量仪表原理和应用【m 】华东化工学院出版社1 9 9 2 3 【1 3 】吴浩青，李永舫电化学动力学 m 】北京：高等教育出版社，施普林格出版 社1 9 9 5 【1 4 】姜世金，李斌恒磁式电磁流量计极化电压控制方法的研究【j 】传感器世界 2 0 0 7 7 【15 】浦昭邦，王宝光测控仪器设计t m 机械工业出版社2 0 0 7 5 【1 6 1 罗元国电容式电磁流量计的研究【d 】浙江大学2 0 0 7 1 2 【17 】l ib ，s h e n t e s i g n a lp r o c e s sm e th o d a n di tss y s t e mo f e l e c t r o m a g n e t i c f l o w r n e t e re x c i t e db yp e r m a n e n tm a g n e ts ：c h i n a ，2 0 0 6 1 0 0 2 6 9 4 0 3 【p 】2 0 0 6 【l8 】f ux ，z h o uq ，ji ny a p e r m a n e n tm a g n e t se x c i t a t i o n m e th o da p p l i n gf 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 ：c h i n a ，2 0 0 4 1 0 0 6 7 1 7 1 2 【p 】2 0 0 4 19 】z h a npf t h er e s e a r c ho fe l e c tr o m a g n e t i cf l o w m e t e re x c i t e db yp e r m a n e n t 参考文献 m a g n e ts d 】s h a n g h a iu n i v e r s i t y 2 0 0 7 【2 0 】卢国峰电容式电磁流量计信号转换器的研究与开发【d 】浙江大学2 0 0 6 6 【21 c o l i n j b a t e s ，r o g e r b t u r n e r f l u i df l o ws t u d i e sa s s o c i a t e d 嘶t han e w e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r j m e a s u r e m e n t 2 0 0 3 【2 2 】李斌，曹金亮，詹鹏飞双激励电磁流量计【p 】中国专利申请号： 2 0 0 5l0 0 2 8 4 7 3 3 【2 3 】李斌，沈天飞恒磁式电磁流量计信号处理方法及系统【p 】中国专利申请号： 2 0 0 610 0 2 6 9 4 0 3 2 4 】胡婷，梁原华电磁流量计几种激磁方式的分析【j 】哈尔滨理工大学学报， 2 0 0 1 ，6 ( 2 ) ：1 0 4 1 0 6 【2 5 】李翰如电介质物理导论【m 】四川：成都科技大学出版社1 9 9 0 6 【2 6 】李斌，田才忠电磁流量计信号处理的新方法【j 】电子技术，1 9 1 ( 1 2 ) 2 7 】李斌，包海燕电磁流量计的信号处理方法探讨 j 】上海理工大学学报 19 9 8 ，2 0 ( 2 ) 【2 8 】k i n g h 0 1 1 3 fc i n d u s t r i a ln e e d sf o rc o s t - e f f e c t i v ef l o wm e a s u r e m e n t 【c 】t h e8 m i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nf l o wm e a s u r e m e n t 19 9 6 2 9 】田志平，徐秀林采样保持器l f 3 9 8 及其应用【j 】电子技术应用1 9 8 8 ，3 3 0 】谢仕宏，朱晓聪，姜丽波电磁流量计的使用及电磁兼容性分析【j 】工业仪 表与自动化装置2 0 0 8 ，1 【3 1 】刘大岭，毛世英电磁流量计应用中相关问题探讨【j 】计量与测试技术2 0 0 8 3 6 ( 6 ) 【3 2 】李斌，曹金亮，詹鹏飞电磁流量计信号转换器的校验器【p 】中国专利申 请号：2 0 0 510 0 2 5 2 5 8 8 【3 3 1j e s s ey o d e r u l t r a s o n i cf l o w m e t e rm a r k e te x p e c t e dt og r o ws t r o n g l y j p i p e l i n ea n d g a sj o u r n a l 2 0 0 2 4 【3 4 】蒋永清，梁原华，刘正梅电磁流量计基波平均值信号处理方法的研究【j 】哈 尔滨理工大学学报2 0 0 2 7 s 3 黑龙江大掌硕士学位论文 【3 5 】a m i e h a l s k i ，j s t a e z y n s k i ，s w i n e e n c i a k 3 da p p r o a c ht od e s i g n i n gt h ee x c i t a t i o n c o i lo fa ne l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r c i e e et r a n s a c t i o n so ni n s t r u m e n t a t i o n a n dm e a s u r e m e m 2 0 0 2 【3 6 】李翰如电介质物理导论【m 】成都科技大学出版社1 9 9 0 6 【3 7 】a m i e h a l s k i ，j s t a r z y n s k i ，s w i n e e n e i a k e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r sf o ro p e n c h a n n e l s - t w o - d i m e n s i o n a la p p r o a c ht od e s i g np r o c e d u r e s 【j 】i e e es e n s o r s j o u r n a l 2 0 01 【3 8 】vc u s h i n g e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rf o ri n s u l a t i n gl i q u i d s 【c 】p r o e 1 9 t hi e e e i m t c a n e h o