（检测技术与自动化装置专业论文）双激励式非满管电磁流量计研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着国内供水行业自动化技术水平不断提高以及环保产业对污水流 量的测量和控制，电磁流量计在给排水领域得到了越来越普遍的应用和推广。本 文在传统的电磁流量计的基础上，设计了一种基于双激励的电磁流量计，并改进 了电极传感器的结构，实现了非满管电磁流量计的流量测量，填补了国内在这一 领域的空白。 论文首先在分析和比较了国外已有的几种非满管电磁流量计的测量方法的 基础上，提出了一种基于双激励的非满管电磁流量计的测量方法，即利用传统电 磁流量计具有直接与流体接触的电极，通过电极附加一个电压激励源，实现新的 参数的测量。论文同时讨论了串并联双激励的实现方式和相应的信号处理问题。 随后，论文针对非满管电磁流量传感器的测量问题，设计了两种电极结构， 比较了它们实际测量管道液位的效果，最终选用测量效果较好的长弧形电极测量 传感器。 接着，论文探讨了在电压激励作用下，测量电极间的等效电导与管道液位的 关系，建立了一种等效阻抗模型，并通过采用标定分段查表校正测量的方法，得 到了较为准确的测量结果，实现了管道液位高度的测量。 + 论文最后建立了基于双激励方式的非满管电磁流量计流量测量系统实验平 台，制作了实验样机，结合水力学的无压圆管均匀流已有的相应理论计算和实验 公式，给出了非满管液位、流体平均流速和流量之间的一些关系。在对仪表系数 标定后，实现了双激励式电磁流量计的非满管流的流量测量。 关键词：非满管，双激励，长弧形电极，电磁流量计 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t ad u a l e x c i t e de l e c t r o m a g n e t i cf l o w m c t e rw i ma l e - e l e c t r o d eo nt h eb a s i so f t r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cf l o w r n e t e ri sd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，w h i c hi sf i r s tp u t f o r w a r di n t e r i o r l yt or e a l i z et h ef l o wm e a s n r e m e n tb ye l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri n p a r t i a l l yf i l l e dp i p e s f i r s t l y , s t u d i e so nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri n p a r t i a l l yf i l l e dp i p e sa l ei n t r o d u c e d am e t h o di sp r e s e n t e dt om e a s u r ean e w p a r a m e t e r , w h i c hi sr e a l i z e db ya d d i n gav o l t a g e e x c i t e ds o b r c eb a s e do nt r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rw i t he l e c t r o d e sc o n t a c t i n gt h ef l o wd i r e c t l y f u r t h t h e p a p e rd i s c u s s e st h em o d eo fd u a l - e x c i t e de l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri ns e r i e sa n d p a r a l l e la n di t ss i g n a lp r o c e s s i n g s e c o n d l y , t w ok i n do fe l e c t r o d es e n s o ra r ed e s i g n e d ，a n dt h ea r c e l e c t r o d es e n s o r i sc h o s e nb ya n a l y z i n gt h e i rr e s u l t so fl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n ti np a r t i a l l yf i l l e d p i p e s t h e n , t h ep a p e rd i s c u s s e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne q u i v a l e n tc o n d u c t a n c ea n d l i q u i dl e v e lo n l yb yv o l t a g e e x c i t e d t h er e s u l t so fl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n ta r e a c q u i r e da c c u r a t e l yb ys e t t i n gu pas i m p l em o d e lo fe q u i v a l e n tr e s i s t a n c ea n dl o o k i n g u pat a b l ef o rc o r r e c t i o n l a s t ，t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo fp a r t i a l l yf i l l e dp i p e sf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e do nt h ed u a l - e x c i t e de l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri se s t a b l i s h e d s o m er e l a t i o n s h i p i s g i v e ni nc o m b i n a t i o nw i t ht h e o r e t i cc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n tf o r m u l a eo f n o n p r e s s u r ep i p eh y d r a u l i c s t h ed u a l e x c i t e de l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rf l o w m e a s u r e m e n ti np a r t i a l l yf i l l e dp i p e si sr e a l i z e db yd e m a r c a t i n gt h ei n s t r u m e n t e n n s t a n t k e y w o r d s ：p a r t i a l l yf i l l e dp i p e s ，d u a l - e x c i t e d ，a r e - e l e c t r o d e ， e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m c t e r i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：遮缝 日期：竺z ：! ：2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 熬日期删 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 本章主要内容： 电磁流量计的发展 电磁流量计的特点 非满管电磁流量计的研究现状 1 1 引言 流量传感器及其仪表是冶金、电力、石化、食品、医药和环保等工业过程中 最重要的自动化仪表之一，在国民经济中占有重要的地位。特别是在能源计量和 环境保护方面，在注重节省能源，提高经济效益，控制污水排放的今天，流量测 量的重要性就更加突出了，并且日益为越来越多的人所认识。 流量测量的发展可以追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马人修渠 引水，采用孔板测量流型”。我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测 水量大小等等。流量作为一个动态量，可以测量的有气体、液体和混合流体这三 种具有不同物理特性的流体；而测量流量需要考虑的条件又是多种多样的，如腐 蚀性、测量时的温度压力范围、流量大小、被测流体的流动状态如层流、紊流等， 对液体而言还存在着粘度大小、导电与否等不同情况。因此，为准确的测量流量， 就必须研究不同流体在不同条件下的流量测量方法，并提供相应的测量仪表。 由于被测流体的特性复杂，测量条件又各不相同，从而产生了各种不同的测 量方法和测量仪表。早期工业中使用的流量计主要有孔板、皮托管、浮子流量计 三种，但被测介质的范围也较窄，测量准确度也只满足低水平的生产需要。第二 次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视， 流量仪表随之迅速发展起来。特别是近3 0 年来，为满足不同种类流体特性、不 同流动状态下的流量计量问题，先后研制出并投入使用的流量计有速度式流量 计、容积流量计、动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等几十种新型流量 计。 随着工业生产向自动化方向的发展及人们日常生活发展的需要，流量仪表在 上海大学硕士学位论文 整个仪表生产中所占比重越来越大，目前国内外投入使用的流量计有1 0 0 多种。 品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种流量仪表能适用所有流量测量的 场合，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。由于流量测量条件的 复杂性以及科学技术的迅速发展，人们对流量计量提出更新更高的要求，流量计 量的现况远不能满足生产生活的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步 研究解决。 目前主要存在的关键问题如下： 1 流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能完全满足要求。特别对 腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等的测量 问题，有待发展有效的测量手段。 2 流量标准装置不能满足流量计检定要求，尤其是缺乏现场进行实液检定 流量计的技术手段。 针对上述问题，随着科学技术的发展，人们利用最新的技术成果研制新型流 量计，将超声波、激光、电磁、核技术及微计算机等新技术引入流量计量领域， 使得无接触、无活动部件和间接测量技术等大大发展，流量传感器趋向电子化、 数字化、多功能化，为流量计量开拓新的领域。新型流量计具有量程比宽、智能 化、可靠性高、价格低廉、维修方便的特点。 1 2 电磁流量计的发展 1 2 1电磁流量计的历史 2 - 4 1 自法拉第( f a r a d a y ) 1 8 3 1 年发现电磁感应定律后，1 8 3 2 年他便期望利用地 球的地磁场来测量英国泰晤士河水的潮汐和流量，但试验进行三天便失败了。这 也是世界上最早的一次电磁流量计的试验。 1 9 1 7 年，史密斯( s m i t h ) 和斯皮雷安曾将电磁感应原理用于制造船舶测速 仪，并且应用交流磁场来消除极化作用。1 9 3 0 年，威廉斯( w i l l i a m s ) 等人对电 磁流量计工作原理进行了数学解释，分析了被测液体流速在测量管横截面上各点 分布的不均匀性以及液体的导电率对感应电势的影响，同时也解释了电磁流量检 测中可能产生干扰的一些原因。1 9 3 2 年，生物学家柯林( a k o l i n ) 第一个成功 2 上海大学硕士学位论文 地完成了可用来测量和记录瞬时动脉血液流量的圆形管道电磁流量计。 1 9 5 4 年，f o x b o r o 公司推出了世界上第一个电磁流量计产品。1 9 5 5 年，日 本也制成了电磁流量计，几乎同时前苏联、英国、前西德也相继试制成功。我国 也在1 9 5 7 年开始研制电磁流量计。 到了5 0 年代后期，由于电子工业的飞速发展，工业自动化程度的不断提高， 尤其是电子计算机和程序控制系统在工业上的应用，电磁流量计进入高速发展时 期。 自7 0 年代以来，利用电子及微处理器技术的最新成果，电磁流量计在技术 上取得了重大突破，性能也大为提高，使它成为应用广泛的一类流量计。目前， 电磁流量计在技术上已可实现：变送器的口径达l m m 3 m ；精度等级优于士0 5 ； 最高耐温1 8 0 ；最大耐压3 2 m p a ；范围度可达1 0 0 0 ：l 以上；满量程的流速 o 3 1 2 m s ；可测电导率不低于0 0 1 p s c m 的液体。 1 2 2 电磁流量计的发展现状 1 2 2 1 技术发展现状 在科学技术飞速发展的今天，国内外的流量计研究工作者和生产厂家都努力 将最新科技应用到产品的设计中，以提高产品的性能，扩大产品的使用范围，主 要集中在以下几个方面： 1 传感器技术 电磁流量传感器技术的研究主要表现在励磁方式和新型传感器的研纠5 。】。 目前的励磁方式主要有两种：交流励磁和低频及可变频率矩形波励磁。交流 励磁的主要优点是励磁频率高，测量响应速度快，是电磁流量计早期产品的主要 励磁方式；其缺点是由电磁感应产生很大的正交干扰( 变压器效应) ，影响测量 的线性度及零点的稳定性。低频及可变频率矩形波励磁是目前主要采用励磁方 式，其特点是在励磁的稳定阶段进行数据的采集，避免了正交干扰，同时可以使 数据采集时间为工频电源周期的正数倍，从而减少工频干扰的影响，零点稳定性 高，提高了测量的性能。其缺点是励磁频率低，测量响应速度相对较慢。 新型传感器的研究使得电磁流量计的应用范围进一步拓宽。电磁流量计传统 的应用领域是测量满管流量，若要实现非满管( 明渠) 的测量，则需要对传感器 改进。主要有两种类型：一种是传统的流速面积法，由电磁流速传感器测量流速， 上海大学硕士学位论文 由液位传感器检测流通面积，两者相乘得流量；另一种是由多对电极( 或多电容) 结构组成的电磁流量传感器配用专门的转换器测得流量。 2 信号处理技术 电磁流量计传感器输出的信号很小，通常在l m v ( 1 r g s ) ( 或有更低至 0 1 m w ( m s ) ) 的程度【8 9 1 ，输出的信号会受到空间电磁场的干扰，干扰往往远大 于流速信号。干扰信号主要是工频干扰，在两电极间还有极化电压，一般极化电 压远大于信号电压，可以达到1 v 或更高。另外，还有共模电压干扰。电磁流量 计信号处理方法主要有以下几类1 j ：电容隔离法、零点漂移反馈法、基线控制 法。电容隔离法是将零点漂移近似为直流处理的一种方法，即通过电容耦合来隔 离零点漂移干扰，实现对感应电势信号的有效放大。零点漂移反馈法是在信号放 大过程中实现对零点漂移干扰的动态消除。基线控制法是电磁流量计较为理想的 信号处理方法，如果以负恒定励磁下的信号值作为一个基线值，则正恒定励磁下 相对于此基线值的信号幅值就是一个励磁周期下的感应电势信号。 3 系统的智能化与开放性溉1 2 】 仪表的智能性主要是指功能上的智能性。近年来，各流量计生产厂家不断将 新型微处理器应用于其产品中，使电磁流量计具备了通过软件监控整个工作过程 的能力。譬如，空管检测、正反向流量测量、非线性补偿、数字滤波、零点自 校准等新功能相继出现在各电磁流量计生产厂家的产品中。此外，各电磁流量计 厂家还在不断地改进电磁流量传感器的设计，以达到提高电磁流量计智能水平的 目的。 系统的开放性包括硬件电路开放性、软件结构开放性、通讯接口开放性以及 人机界面开放性。增强系统开放性有利于系统功能扩展、仪表问的互联及系统组 网，更有利于操作和维护。随着电子、通信等技术的发展和日趋成熟，电磁流量 计仪表工业进入了新的发展时期。目前，国外各电磁流量计公司己将r s 4 8 5 标 准总线、c a n 总线等技术应用于电磁流量计系统的设计中，推出了具有网络通 信功能的电磁流量计仪表。 但长期以来，大口径传感器的标定及再标定、低功耗电磁流量计的实现、零 点稳定性与动态响应速度矛盾、提高困难流体的测量精度和稳定性等问题仍然是 影响电磁流量计发展的主要因烈1 3 。悯。 4 上海大学硕士学位论文 1 2 2 。2 市场现状 电磁流量计因其特有的高精度、高稳定性、快响应、小型化等性能特点，已 成为流量测量技术中使用最广泛，产品附加值最高的流量仪表之一。在各种流量 仪表的应用中，虽然目前电磁流量计的年销售台数大约只占流量传感器及其仪表 总数的5 ，但销售份额约占总量的2 0 t 1 6 , 1 7 1 。 经过几十年的发展，国内外生产电磁流量计的厂家也如雨后春笋般迅速发展 起来。目前国外主要厂家有：日本横河公司、日立公司，美国b r o o k s 公司、f o x b o r o 公司、f i s c h e r & p o r t e r 公司，德国k r o h n e 公司、e n d r e s s + h a u s e r 等著名厂家。 目前我国也有上海光华仪表厂等电磁流量计制造厂。 根据a r c 咨询机构最新的2 0 0 8 年前中国电磁流量计市场研究报告称【1 8 】， 基础建设的投资扩大，包括水治理及废水处理工程、冶金采矿业、造纸业和制药 行业的快速发展，将驱使中国电磁流量计市场收入以两位数增长【1 9 】，市场收入 预期以1 0 7 的复合增长率( c a g r ) 增长，将从2 0 0 3 年的4 6 0 0 万美元上升到 2 0 0 8 年的7 7 0 0 万美元。 1 2 3 电磁流量计的特点 电磁流量计从法拉第最早提出到能够实际商品化应用经过了一百二十多年 的发展1 5 , 1 3 i ，与其它类型的流量计相比，电磁流量计是一种测量精度高、应用范 围广的流量仪表，具有以下突出优剧5 捌： 1 无压力损失，无可动部件； 2 输出电动势正比与流体的截面平均流速，且动态范围不受限制； 3 输出电动势与流速变化同步，响应速度快； 4 流量测量不受温度、压力、密度、粘度等条件影响； 5 可测流体的正反向流量。 尽管电磁流量计具有许多优异的性能，但在使用上也存有一定的限制。它的 不足之处有： 1 不能测量气体、蒸汽以及含大量气泡的液体； 2 不能测导电率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等； 3 不能测量高温介质。 上海大学硕士学位论文 此外，电磁流量计要求避免外界强磁场的干扰，并对仪表接地措施有一定的 要求，如果处理不当，就会影响仪表的正常运行。 通常，电磁流量计的大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常用于高 要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制、造纸工业测量纸浆液和黑液、 化学工业的强腐蚀液、有色冶金工业的矿浆；小口径、微小口径常用于医药工业、 食品工业、生物化学等有卫生要求的场所眦”。 1 3 非满管电磁流量计的研究现状 传统电磁流量计只能测量满管液体流量，对于具有自由表面自然流的下水排 放领域，则是非满管流的流量检测问题。此外，随着技术型经济的高速发展，市 场对流体检测技术的要求也日益提高，特别是对实现流体多参数( 流体温度、密 度、浓度及电导率) 监测要求也越来越多。国外的研究工作者已经用一些多参数 测量技术来研究解决空管或非满管状态的检测问题，一些大公司更是在电磁流量 计技术的研究中，投入了大量的资金和研发力量，希望能在高水平产品的关键技 术上始终具有优势。 a b b 公司专门设计了一种p a t t i m a gi i 流量测量系纠2 2 1 ，其采用了多电极方 法来实现非满管流量的测量。如图1 - 1 所示，线圈用来产生流量测量所需的磁场， 在流量计变送器中又设置了一组信号注入电极，通过分别往信号注入电极中注入 流速测量所需的激励信号和高度测量所需的激励信号进行流量测量。 图l 一1 p a t t i - m a gi i 流量计结构简图 在管道中的不同高度安放有三组电极，转换器选择与流体接触的一对最佳测 量电极进行电压测量，并转换成流速，流体的充满高度由三组测量电极所检测到 6 上海大学硕士学位论文 的注入正弦信号的幅值变化( i l 。，i k ) 所决定。如图l - 2 所示，例如，6 0 的充 满高度由顶部、中部和底部的电极所测得的信号1 1 4 、1 2 l 和1 4 5 的一个规范 化测量值所决定，转换器将三组测量电极所读取的合成信号进行调整，转换成充 满高度的准确测量值。 “c m 枷 充满雨厦 图1 2 液体充满高度与注入正弦信号的幅值变化关系曲线图 与普通电磁流量计要求流体电导率的典型下限值5 i _ t s c m 相比，p a r t i m a gi i 要求流体具有更高的导电率5 0 1 t s e m 。另外，p a r t i m a gi i 还要求测量管道安装位 置的水平坡度不超过5 。在此情况下，p a r t i m a gi i 流量计的满管精度为指示流 量的1 ，不满管状态下的精度为指示流量的3 5 ，取决于充满高度。 另外，k r o h n e 公司的新型t i d a l f l u x 电磁流量计与其他使用多电极测量满管 或空管的流量计不同，采用了多传感器方法测量，其具有电容式流体液位测量系 统2 3 1 。如图1 3 所示，流速测量检测电极在管道中的位置被移低，发送和检测金 属极板构成的电容式液位测量系统集成在流量计的衬里中，其中发送金属极板被 分为四片，金属极板之间的耦合电容c 与液位截面积s 成正比，极大地改进了 液位测量系统的测量精度。 发送金属极板 图1 3t i d a l f l u x 电磁流量计结构简图 7 上海大学硕士学位论文 t i d a l f l u x 电磁流量计适用于水和污水的测量，其同样要求流体具有导电率 o 5 0 p c m 。t i d a l f l u x 电磁流量计对于非满管的测量误差是：当v _ l m s 时，最大 误差s 1 满量程；对于满管的测量误差是：当v _ l m s 时，最大误差s 1 测量值， 当v l m s 时，最大误差卯5 测量值+ 5 m m s 。 除此之外，国外还存在其他的一些检测空管或非满管状态的方法。有利用脉 冲信号在电导流体下的衰减变化来诊断测量管的空管问题 2 4 1 ；有用多电极、大 电极传感器的数学模型描述 2 5 - 2 8 】，借助多电极测量、大电极测量或变励磁方式等 实现适合于非满管流的电磁流量计 2 9 3 1 】。另外，美国的先进流体技术公司开发的 d e l t a m a s s 系列质量流量传感器采用了在电磁流量传感器上集成g a m m a 射线密 度等传感器【3 2 1 ，用多传感器集成的方式实现了浆体的质量流量、密度等多参数 一体化测量仪表。这些流量多参数检测方法正在逐步成熟。 近年来，国内对电磁流量计技术的研究也日益重视，我们在对电磁流量计技 术的不断研究中认识到，电磁流量计传感器具有电极与导电流体间的特有关系， 可以引入一个电压激励下的新的阻抗分压测量关系，使电磁流量计传感器在磁场 与电压两种激励下交替方式工作，组成两个参数的测量关系，形成一种新型的双 激励电磁流量计 3 3 ，3 4 1 。通过基本的理论分析和实验验证表明，双激励方式下的两 个测量关系可以得出与流体和信号放大器阻抗无关的流速测量方程，并可得出流 体阻抗( 电导率) 测量方程。这两个测量方程使双激励电磁流量计在原理与技术 上具有解决低电导率流体流量和非满管流量的测量困难。 自1 9 9 2 年f i s c h e r + p o r t e r 公司首家在i n t e r k a m a 展览会上向人们展示 p a t t i m a g 流量计以来，迄今共有4 家制造厂的4 种型号仪表推向市场，但是都 是国外厂商，其应用势头良好 6 , 2 9 1 ，但是国外厂商及其代理要价甚高，为传统仪 表的二三倍以上，因此非满管电磁流量计在国内市场有着良好发展前景。 1 4 论文的研究内容及编排 1 4 1 本课题研究内容 传统电磁流量计的研究都是建立在由励磁磁场激励获得流速流量的测量信 号基础上的，是建立在单一的电磁感应测量方程上的一种单激励的测量方法，所 上海大学硕士学位论文 得到的只有流体流动时产生的感应电压这样一个参数来实现流量的测量。这种单 激励单测量参数的方法受到电磁流量计测量的基本原理及实现技术的限制，使电 磁流量计的可测量范围受到限制。 本课题提出并建立了一种双激励下的电磁流量计的检测方法，利用电磁流量 计特有的测量电极与被测量流体接触这一特点，通过引入一个新的激励源的方式 实现电磁流量计的多参数测量。主要是通过改变电极的形状，采用长弧形电极结 构的电磁流量计，利用电极间流体等效阻抗的变化与管道液位的变化之间的关 系，实现非满管流的液位测量，进而实现非满管流的流量测量。另外，当测量管 道处于满管状态时，可以对流体进行电导率测量。 相对于现有的多电极的非满管测量方案或多电容的测量液位的方案，本方法 具有结构简单，实现容易。而且，由于电导率反映了流体的物理性质，与其组分 相关，通过对电导率的测量还可以对流体化学组成物性质进行实时监测，特别在 水质监测及类似应用场合具有实际应用价值。 论文进行非满管电磁流量计的技术研究，具体内容包括：新构造下的双激励 电磁流量计的研究；新型传感器及其信号模型的研究，并进行了实验验证；实现 了非满管时的数据处理，并完善了相关实现技术。 1 4 2 论文编排 本论文全文共分六章，后续的章节安排如下： 第二章叙述电磁流量计的工作原理，介绍实现非满管流量测量的双激励电磁 流量计的原理与技术，并对双激励的电压激励模块进行研制与开发。同时，针对 基于双激励电磁流量计的模型，设计信号处理方法，包括磁场和电压激励方式的 时序分配、数据采集和数据处理方法。 第三章设计几种非满管流量测量的传感器结构，比较它们的实际测量效果， 并最终确认选用长弧形测量电极的传感器。通过双激励电磁流量计的电压激励作 用下，进一步研究测量电极间的等效阻抗与管道液位的关系，建立相应的等效阻 抗模型，并推导分析过水面积与液位高度的关系。 第四章利用双激励技术建立非满管电磁流量计流量测量系统实验平台，包括 双激励信号转换器的制作和非满管实验测量装置的设计，实现双激励电磁流量计 的测量。 9 上海大学硕士学位论文 第五章结合水力学的无压圆管均匀流已有的相应理论计算和实验公式，讨论 了非满管液位、流体平均流速和流量之间的一些关系，实现了非满管流的流量测 量。同时，还针对测量过程中所存在的问题，提出了解决方法，并做了初步的可 行性实验研究。 第六章对论文的主要工作和创新之处进行了总结，对进一步的研究工作做了 展望。 1 0 上海大学硕士学位论文 第二章双激励电磁流量计技术的研究 本章主要内容： 电磁流量计的工作原理 双激励电磁流量计的原理与电压激励模块的设计 双激励电磁流量计信号测量时序的设计 2 1 电磁流量计的工作原理 传统电磁流量计的基本原理是基于法拉第( f a r a d a y ) 电磁感应定律，如图 2 1 所示，当导电性流体在磁场激励下流动时，它的两个测量电极间的感应电势 e 与被测流体的( 平均) 流速可的关系如下【5 】： e = 脚可 ( 2 - 1 ) 其中，曰是励磁线圈产生的磁场激励强度，d 是测量管道的等效直径，足是传感 器系数。 图2 - 1电磁流量计工作原理示意图 电磁流量计仪表工作原理的等效电路如图2 2 所示f 8 】，忽略其它干扰时，电 路可等效为对称结构，【厂是信号放大器的输出，4 是信号放大器的放大倍数，而 是信号放大器输入阻抗，e l 是反映流量的感应电势，考虑在电极上感应电势e l 的等效内阻是z l ，且e = 2 e l ，有仪表测量值玑 上海大学硕士学位论文 睢小者4 - z 1 铂“击一“去一 c 2 - 2 ， z o 。 z o + z l 1 兰旦 () z o 对应的流速测量方程： 矿= ( + 射即u 江s ， 其中，e = 刁占石就是电磁流量计仪表的系数常数。当z 0 远大于流体的内阻z 1 ， 而蜀不变时，有理想流速测量方程： 可= k c 厂( 2 - 4 ) 图2 - 2 电磁流量计工作原理的等效电路图 电磁流量计在信号检测与处理的方法上要求电磁流量计仪表的系统常数墨 保持不变，否则便会不满足仪表的理想流速测量方程( 2 4 ) ，典型的例子就是非 满管流量测量。 对于传统电磁流量计是测量充满传感器测量管的流体的平均流速矿，对应测 量管的截面积s 是恒定的。而非满管流量的测量必须在测量流体的平均流速矿的 同时，还必须测量非满管流体的截面积s 或者液位硝1 2 】。其体积流量计算的基本 公式是： q = 矿s( 2 5 ) 其中，q 是实际体积流量，矿是流体的平均流速，s 是流体的截面积。由此，传 统的电磁流量计就无法实现非满管流的检测及其流量测量。本文相对传统的单励 磁激励而言，采用附加激励源进行其他参数测量的方法。 上海大学硕士学位论文 2 2 双激励电磁流量计的原理与设计 2 2 1双激励电磁流量计的工作原理 电磁流量计在传统磁场激励的原理下，如图2 - 2 所示，附加不影响流量测量 的电压激励源，形成双激励电磁流量计【”州，如图2 - 3 所示。 图2 3 双激励电磁流量计结构原理图 双激励电磁流量计的基本实现方法是分时进行定值磁场激励b ( 使f 0 ) 和 定值电压激励e ( 使口= o ) ，在信号放大器的输出u 可得到感应电势e 的分压测 量值和电压激励e 的分压测量值以，使系统能够测量到与流体体电阻相关的 参数。 2 2 2 双激励电磁流量计的设计 根据电压激励源与测量电极所组成的电路结构，电压激励可以以串联和并联 两种方式与传感器电极及其流体组成测量回路。 2 2 2 。1 串联式双激励电磁流量计的设计 串联式双激励电磁流量计是电压激励信号与测量电极回路构成串联结构，如 图2 4 所示，口是可控的磁场激励，也是可控的电压激励。 如果信号放大器的输入阻抗是z 0 ，电极与流体之间的等效阻抗是z 1 ，信号 放大器系数是a 。若电压激励晚的内阻可忽略，对于口径为d 的传感器在定值 磁场激励曰下的感应电势e = 尼凹矿，则流体平均流速为可时，分压测量值 是： 上海大学硕士学位论文 = 4 瓦z + oz l 脚 ( 2 - 6 ) 磁场激励b = o 时的电压激励e 2 的分压测量值以为： 玑钳击么： ( 2 7 ) 图2 4 串联式双激励电磁流量计结构原理图 双激励电磁流量计可以和一般电磁流量计一样，采用正负磁场激励和正负电 压激励的工作方式来消除电极极化问题。在没有电极极化时，双激励电磁流量计 在几十毫秒间的两种激励切换，磁场激励b 和电压激励比分别作用时流体阻抗 和信号放大器阻抗是几乎不变的。这样，联立式( 2 - 6 ) 和式( 2 7 ) 就可得出与流体 阻抗无关的流体平均流速值： - = k , ，u - u - - 旦b 。 ( 2 8 ) 其中，系数k ，= 面2 e 万2 。同时，有流体阻抗值： z 一z o ( 等一1 协9 ， 对应有流体电导率： 盯：c 了1 ( 2 - 1 0 ) z 1 其中，c 是以电磁流量计传感器作为测量电导池时的等效电导池系数。 图2 - 4 的串联式双激励电磁流量计结构能保持信号放大器的高输入阳抗。侣 1 4 上海大学硕士学位论文 在可控电压激励的实现上需要采用一些特殊的技术，采用两个电压激励e 2 ，在一 个电压激励周期中产生正负两个电压激励，以消除电极极化问题。图2 5 就是串 联式可控电压激励的一种原理框图。一 图2 5 一种串联式可控电压激励的原理框图 电压激励控制单元控制两个单向激励电势，两个单向激励电势可以分别输出 单向的电势晚并有内阻，最终输出的激励电势由两个电势晚以极性非串联的形 式串接组成，分别串接在传感器两电极输出感应电势e 与差分放大器两输入端 的两连接通路中，形成正激励电势+ e 2 和负激励电势e 2 。 两个单向激励电势都由压控振荡器、电源转换器、恒流源和负载组成。负载 由两个电阻串联后再与一个电阻并联所组成，电阻n 、，2 两端都作为输出电势e 2 。 压控振荡器1 由电压激励控制单元控制，当电压激励控制单元控制压控振荡器l 工作时，压控振荡器1 输出频率f 使电源转换器1 有输出电源p ，电源p 使恒流 源1 输出恒电流厶，厶流过负载，电阻，l 上有输出电势龟；当电压激励控制单元 控制压控振荡器1 不工作时，压控振荡器1 输出频率f = 0 使电源转换器1 输出 电源p = 0 ，即使恒流源1 输出电流i t - - 0 ，电阻，l 上的输出电势e 2 = 0 。对于电阻 您上的输出电势晚，也是由电压激励控制单元控制，工作原理与电阻，i 上的输出 电势e 2 相同。上述分析表明可控激励电势可以交替产生正激励电势、零激励电 势、负激励电势和零激励电势。 串联式双激励电磁流量计可以解决流体内阻与信号放大器输入内阻间的内 阻比不能被忽略时的测量精度问题，同时也可大大降低电磁流量计对低电导率流 体的限制 3 3 1 。但是，在串联激励时，为了避免使放大器输入阻抗降低，要求激 上海大学硕士学位论文 励电路由另外的电源单独供电，由于流量信号是很微弱的，只有m v 级或更低， 在附加电压激励时可能会引入较大的电磁干扰，而破坏放大器的工作条件，影响 原来的测量性能。 2 2 2 2 并联式双激励电磁流量计的设计 双激励电磁流量计也可以采用并联式结构实现，如图2 - 6 所示，并联式结构 同样有相似的流速测量方程和流体阻抗( 或电导率) 测量方程计算关系。 图2 - 6 并联式双激励电磁流量计结构原理图 并联方式可控电压激励的实现相比串联方式的要简单，如图2 7 所示，与串 联方式相比，由于可以采用放大器本身的电源，且激励信号可以与放大器电路共 地，这种方式引入的干扰小于串联方式，且适合于信号放大器输入阻抗不高的场 合。另外，由于并联方式的电压激励信号电路与输入电路和电极回路相并联，在 测量流量时会降低放大器输入回路的阻抗，影响到流量测量的准确性，因此，采 取将电压激励电路通过可控开关与放大电路断开，用分时控制的方式进行测量。 两个可控单向激励的一对同向极性端相连接并使与传感器电极信号测量回 路的参考地同电位，两个可控单向激励的另一端连接到传感器的两个电极上。所 述的单向激励都由可控单向电势e 2 、电阻和可控开关串联组成。 电压激励控制单元分别控制两个单向激励的可控单向电势e 2 ，使电压激励的 可控电势e 能产生正激励电势、负激励电势和零激励电势。电压激励控制单元 同时也分别控制可控开关1 和可控开关2 处于断开或闭合状态，使可控内阻能有 两种变化。 1 6 上海大学硕士学位论文 l 引一。 l 器囤由 嚼胪2 7 图2 7 一种并联式可控电压激励的原理框图 并联式双激励电磁流量计通过并联激励与流体内阻的关系，可以对流体流速 测量的同时，也对流体内阻进行测量，使电磁流量计具有对流体内阻或电导率进 行动态定量监测的功能。 2 3 双激励电磁流量计信号测量时序设计 双激励电磁流量计的测量方法必须解决信号的干扰、流体的流速和流体的电 导测量等，因此需要设计一套信号测量时序来完成各数据的测量。双激励信号的 采集分为两个步骤：一个是磁场激励感应电势信号的采集，另一个是电压激励电 导信号的采集。 2 3 1 磁场激励和信号采集时序 磁场激励阶段可以得到的信号有三种：分别是励磁电流开通瞬间到恒流值前 产生的冲击干扰；励磁电流稳定时的流量信号；励磁电流稳定时叠加在流量信号 上的工频干扰信号。为了得到这三种信号，可以设计出工频5 0 h z 二分频时的磁 场激励及信号采集时序如图2 8 所示。 一个磁场激励及数据的采集周期是以接收到工频同步信号开始。在时序设计 中，一个励磁周期从正向励磁开始，当接收到同步信号后，打开正向励磁电流开 关，此时励磁电流需要一个瞬态时间才能达到稳态。当励磁电流进入稳定值时， 励磁磁场稳定，即可进行流量数据的采集。在交流电源负半周期的电压最小值时 1 7 上海大学硕士学位论文 采集得x 1 ，数据采集完毕即可关闭正向励磁电流。 工频5 0 1 3 z - - 分频时的励磁激励同步信号 正向励磁的工频同步中断反向励磁的工频同步中断 止励磁电梳 lf 正激励冲击 fl c 负励磁di 流 正正励磁g励 负励磁电流关断冲击、 f l r 正励磁电流关断冲击 d 负励磁激励 t l ln 负激励冲击! x l | x 2 ( a ) 工频电源波形( b ) 同步信号波形( c ) 励磁电流波形 ( d ) 放大器输出的流量信号波形( e ) 采集的数据时删 图2 罐工频5 0 h z 二分频时励磁电流、信号波形及数据采集时序 在下一个同步信号到来时打开反向励磁电流开关，进入反向励磁过程，其同 正向励磁过程一样，得到x 2 ，采集时间同正向励磁过程。当数据采集完毕，关 闭励磁电流。 上海大学硕士学位论文 由此，可以得到流量信号计算关系： x = 朋- x 2( 2 1 1 ) 通过正反励磁过程流量数据的采集，所得到的流量信号消除了极化电压干扰 及工频干扰。 2 3 2 电压激励和信号采集时序 电压激励是通过在电磁流量计传感器上施加电压激励信号，测量两电极间流 体的电压，即两电极间流体的等效阻抗或电导。为避免由于在进行电导测量时， 所施加的电压激励信号对流量测量造成影响，需要在时间上与流量测量间隔开， 即增加专门的电导测量时间，形成电导测量时段，用于电导测量。由于电压激励 不像励磁电路那样受励磁线圈电感的影响，电路反应速度快，可以在一个工频周 期内完成一次测量，因此，实际的电导测量，既可以在每个励磁周期完成流量测 量后都增加一个电导测量周期，也可以在进行多次流量测量后进行一次电导测 量，视对流量与电导测量的具体需要来定。 工频5 0 i - i z 时的电压激励同步信号 ( a ) 工频电源波形( b ) 同步信号波形 ( c ) 电压激励信号波形( d ) 采集的数据时日j 图2 - 9 工频5 0 h z 电压激励时激励及数据采集时序 1 9 上海大学硕士学位论文 根据电导测量原理，为了避免造成电极的极化，需要采用交流激励方法，类 似前述励磁时序，可以设计出电压激励时序如图2 - 9 所示。 电导测量采用了两个工频周期，电压激励是在测量电极上施加了四个宽度相 等的激励脉冲，为消除电极极化电压采用了如图2 - 9 所示的正负双向脉冲的激励 方式，依次得到了r 1 0 、r l l 、r 2 0 、r 2 1 四个电导数据，这样的目的是为了消除 工频干扰和极化电压的干扰。电导数据的计算可以用下述方法得到： r = 露( ( r 1 0 + r 2 1 ) 一( r 1 l + r 2 0 ) ) ( 2 1 2 ) 其中，是系数。 采用上述激励及数据采集方法可同时消除极化电压及工频干扰的影响，有助 于得到高精度的测量数据。 图2 1 0 就是综合磁场激励信号采集时序和电压激励信号采集时序设计的在 工频5 0 h z 二分频时双激励电磁流量计信号测量波形。 图2 - 1 0 工频5 0 h z 二分频时双激励电磁流量计信号测量波形 2 4 本章小结 根据传统电磁流量计的测量原理，本章设计了附加不影响流量测量的电压激 励源，形成双激励电磁流量计，包括串联式和并联式两种电路结构，其在基本原 理上具备了对流体流量和流体等效阻抗或电导两个参数进行检测的可行性，并在 两个测量关系下可得出流速测量方程与流体和信号放大器阻抗无关的特点。 另外，设计了双激励电磁流量计在磁场激励时进行流量测量的工作模式，给 出了数据处理的基本计算方法；在电压激励时实现电极间流体等效阻抗或电导测 2 0 上海大学硕士学位论文 量的工作时序及数据处理方法。在设计信号采集及数据处理方法时，考虑了抑制 工频干扰和极化电压干扰，以减少此类干扰对测量数据造成影响。 本章所设计的双激励电磁流量计的测量方式，为利用电极间流体等效阻抗或 电导的变化实现非满管流的流量测量提供了数据。在后面章节中将根据本章所设 计的时序及数据处理方法进行实验系统的设计。 2 l 上海大学硕士学位论文 第三章非满管电磁流量传感器的设计与研究 本章主要内容： 非满管电磁流量传感器的设计 满管流电极间流体等效阻抗与电导率的研究 非满管流电极间流体等效阻抗与液位高度的研究 3 1 非满管电磁流量传感器的设计 从电磁流量计传感器原理来看，电极上感应的信号电压是电极截面内所有质 点电位的集合。在非满管传感器内，不论过水截面如何改变，流体流动的质点总 会有感应电势，这些电势一定要处于电极的集合范围内。显然，电极不能脱离流 体，否则电极不会得到感应的流量信号。 3 1 1 一种点电极传感器的设计方案 对于非满管的测量，我们对照了国外非满管电磁流量计可测的最低非满管液 位是传感器直径的1 0 ，因此，我们也降低检测电极的高度，将电极位置定在截 面的1 0 ，如图3 - 1 所示，这样对于液位高度低于1 0 的流体，电极就脱离了流 体，即测量不到流量信号，视为空管。同时，在传感器的衬里增加一对信号注入 电容，检测电极通过测量注入电容的电压激励信号对液位进行测量。 俞磁 图3 1 管道截面1 0 高度安装检测电极 实验采用8 0 m m 口径的管道，在管道外壁的金属极板两端输入频率为1 5 k h z 、 峰峰值为2 0 v 的正弦信号，同时将管道截面高度分成1 0 等分，从检测电极两端 取不同液位高度时的电压值，数据如图3 - 2 所示( 测量数据参见附录- - ) 。 上海大学硕士学位