（检测技术与自动化装置专业论文）基于相关检测原理的电磁流量计的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 l 电磁流量计是基于电磁感应定律的造鏖式流量j 士。以往的电磁流量计在 0 1 0 2 m s 以上的流速时能良好地工作，但在这一下限之下时，因为误差太大 而无法使用，很大程度上限制了电磁流量计的应用。这与其干扰有着密切的联 系，尤其是与其传感器上的干扰和硬件电路板上的干扰，而这二者又都是难以 克服的。相关检测技术卓越的抗干扰性为之提供了理想的解决方案。厂 f、， 本文捶于以上的认识j ，研制出了采用互相关检测技术的相关电磁流量计系 、 统。具体进行了以下工作： 1 )本文在详细阅读国内外有关文献的基础上，总结了电磁流量计的发 展历史、现状，对其基本原理、检测方法和研究成果进行了详细 的论述； 2 ) 首次提出了将互相关检测技术应用到电磁流量计当中的新思路；将 相关检测技术在电路上得以实现，并和电磁流量计的实际情况紧密 结合，成功研制了一套相关电磁流量计系统； 3 ) 给出了基于相关原理的相关器的性能分析，提供了互相关检测技术 用于电磁流量计上的理论依据，进而指导了硬件设计工作： 4 )对相关电磁流量计系统进行了实验测试。通过在实验室装置上进行 了对比实验，证明了其性能优于非相关电磁流量计。 关键词：电磁流量计、互相关检测技术、抗干扰 浙江大学硕士学位论文 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 r , w h i c hi s b a s e do nf a r a d a y si n d u c t i o nl o w , i s w i d e l yu s e df o rt h em e a s u r e m e n to ff l o w r a t eo fc o n d u c t i v ef u i di np i p e s i tc a l l w o r kw e l lw h e nf l u i d sf l o w r a t ei sa b o v eo 1 0 2 m s b u tw h e ni tw o r k sb e l o w t h e r a n g e ，g r e a te r r o rw i l lb eo c c u r r e d s ot h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r h a sb e e nn a r r o w e d b ym a k i n gd e e p e r r e s e a r c h ，w ec a nk n o wt h a tt h ee r r o ri s c o n n e c t e dw i t h e l e c t r o m a g n e t i c sa n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yt i g h t l y , e s p e c i a l l yt h e d i s t u r b a n c ef r o ms e n s o ra n di t si n n e rc i r c u i t w h i c ha r eh a r dt ob e g o tr i do f f o n u n a t e l y c r o s s c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yo f f e r sag o o ds o l u t i o nw i t he x c e l l e n c e a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y b a s e do nt h e c o n c e p t i o n s m e n t i o n e da b o v e ，ac o r r e l a t i o n e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e ri sd e v e l o p e d ，w h i c ha d o p t e dt h et e c h n o l o g y i nt h et h e s i sf o l l o w e dw o r k s a r em e n t i o n e d ： 1 ) t h eh i s t o r ya n ds t a t u s o fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ra r es u m m a r i z e d ，a tt h e s a m et i m ei t st h e o r ya n d d e v e l o p e dp r o d u c t i o na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ； 2 ) i nt h ea r t i c l e ，a n i n n o v a t e dm e t h o di s p r e s e n t e d ：p u t t i n g c r o s s c o r r e l a t i o n t e c h n o l o g yi n t ot h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ； 3 ) t h ea r t i c l es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e da ne l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e rb a s e do n c r o s s c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g y a d d i t i o n a l l y , t h ec a p a b i l i t yo fc o r r e l a t i o nu n i ti s a n a l y z e d ，w h i c hg u i d e d t h ed e s i g no f t h eh a r d w a r eo f c o r r e l a t i o ne l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r ； 4 ) t h e a r t i c l e g i v e s a t h o r o u g h t e s tu n d e r l a b o r a t o r y c o n d i t i o no nt h e c r o s s - c o r r e l a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , a n d ac o n c l u s i o ni sd r e w ：t h e p e r f o r m a n c eo f c o r r e l a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri sm u c hb e t t e rt h a nt h a to f n o n c o r r e l a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i c ，c r o s s c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g y ，a n t i - j a m m i n g 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 摘要：本章首先介绍了电磁流量计，阐述其特点，介绍了电磁流量计的发展历史和技术进 步的情况，然后针对电磁流量计使用中存在的问题提出了本文的主要研究内容。 1 1引言2 j 仪器仪表是研究实现信息的获取、转换、传输、处理以及根据处理结果对生 产系统进行控制的重要技术工具。它不仅为国民经济各个部门服务，而且为人民 社会文化生活各方面服务，是机械工业中服务对象最广泛的行业，各行各业都离 不开它。 我们知道，在工业自动化中，过程变量的自动检测仪表是主宰自动化系统命 运的关键，任何控制系统都是从生产过程运行的信息测量开始的。工业过程自动 检测技术与仪表在经历了几个重要的历史时期的发展后，它作为自动化科学的 个重要分支，已经成为了一门具有实用性和综合性的新兴学科。随着科学技术的 发展和工业生产力水平的提高，各方面对自动检测仪表提出了越来越高的要求。 特别是作为获取信息的传感器的应用领域不断拓宽，它要测量各种物理量、热工 量、力学量、化学量、生物量，同时还要测量状态量。近十多年来，在各种离新 技术的推动下，仪器仪表行业取得了很大的发展。 和温度、压力一样，流量也是生产过程中的重要变量，是判断生产状况和衡 量生产设备运行效率的重要参数之一。从本质上讲，生产过程就是物质和能量流 动的过程，因此没有流量的检测就无法进行生产活动。尤其是过程工艺( 如化工、 石油、能源等) 中，流量的检测就更不可或缺。 在流量测量中，通常采用以下四种原理： 1 ) 利用伯努力方程，通过测量流体差压来测量流量； 2 ) 通过测量流速来测流量： 3 ) 利用标准小容积来连续测量流体流量； 4 ) 直接测量流体质量的质量流量测量方法； 电磁流量计是一种测量流体流速的速度式流量计，在推向市场后，性能不断 浙江大学硕士学位论文 完善已经成为一种技术成熟而又应用广泛的新一代流量仪表。但在新技术层出不 穷和工业过程要求日益提高的情况下，电磁流量计的性能必将进一步得到提升。 1 2 电磁流量计综述 电磁流量计是随着电子技术的发展而迅速发展起来的基于法拉第电磁感应 定理1 3 4 的用来测量导电性液体体积流量的仪表。上世纪5 0 年代初，电磁流量计 就已实现了工业化应用，成为首先进入成熟应用的新一代仪表，近年来世界范围 约占工业流量仪表的1 5 ，国内市场的5 3 】a 它可在多种流型下进行流体流量 测量。与其他流量测量仪表相比，电磁流量计具有一些突出的优点隆刚，例如， 无可动部件，无阻碍被介质流动的节流部件对被测流体的流动不产生附加压力 损失，而仅有这管段的沿程阻力：测量有导电性的介质的流量，而不受其温度、 黏度、密度、压力等物理参数的影响：无机械惯性，反映灵敏，可测瞬时脉动流 量：直线性好，测量准确度高，测量范围宽，耐腐蚀性能强等等，因此在众多的 流量仪表中，电磁流量计成为发展最快的流量仪表之一。其应用已遍及农业、国 防、科研各部门。可以预料，在今后工农业生产高度自动化、高度信息化的发展 中，在迫切需要节能和保护环境的情况下，电磁流量计将会有更大更快的发展。 1 2 1 电磁流量计的发展史5 咿1 0 l 1 8 3 1 年，法拉第发现电磁感应定律，1 8 3 2 年他进行了世界上最早的一次电 磁流量计的试验【2 l 。虽然这次实验以失败告终，但它掀开了电磁流量计发展史的 序幕。 1 9 3 2 年，生物学家a k o l i n 第一个成功地完成了圆形管道的电磁流量计， 可用来测量和记录瞬时动脉血液流量。 1 9 5 3 年，工业用电磁流量计首先由荷兰的t o b i 公司( a l t o m e t e r 前身) 推向 市场。1 9 5 4 年，f o x b o r 公司也推出了电磁流量计产品。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。这些产品采用的 都是直流励磁技术。直流励磁技术是利用永磁体或者是直流电源给电磁流量传感 器励磁绕组供电，以形成恒定的励磁磁场。具有方法简单可靠、受工频干扰影响 小以及流体中的自感现象可以忽略不计等特点。但是，直流励磁技术的最大问题 2 浙江大学硕士学位论文 是直流感应电势在两电极表面上形成固定的正负极性，导致电极表面极化，使得 感生的流量信号电势减弱，电极间等效电阻增大，电极极化电势漂移，严重影响 信号处理。另外，直流励磁在电极间产生不均横的电化学干扰电势叠加在直流流 量信号中，无法消除，并随着时间的变化、流体介质特性以及流体流动状态而变 化。第三，直流放大器的零点漂移、噪声和稳定性问题难以获得很好的解决。目 前直流励磁仅在原子能工业中用于导电率极高，而又不产生极化效应的液态金属 流量测量中。1 9 5 7 年，机电部上海工业自动化仪表研究所采用直流励磁技术试制 成功我国第一台工业应用电磁流量计。 1 9 5 0 年代后期，工业发达国家实现了工频正弦波励磁技术。工频正弦波励 磁技术是利用工频5 0 h z 正弦波电源给电磁流量计传感器励磁绕组供电，其主要 特点是能够基本消除电极极化表面的极化现象，降低电极电化学电势的影响和传 感器的内阻。另外采用了工频正弦波励磁技术其传感器输出流量信号仍然是工频 正弦波信号，易于信号放大处理，而且能够避免直流放大器存在的实际困难，励 磁电源简单方便。但是其存在着难以消除的工频干扰，同时存在电源电压幅值和 频率波动干扰。 1 9 5 5 年，a bd e n i s o n 、m ps p e n c e r 、h d g r e e n 首先提出了低频矩形波 励磁思想。此项励磁技术既具有直流励磁技术不产生涡流效应、变压器电势( j 下 交干扰和同相干扰) 等优点，又具有工频正弦波励磁基本不产生极化效应，便于 放大信号处理，而能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的优点，具 有较好地抗干扰性能。从1 9 7 0 年代，工业发达国家先后研制成功单极性和双极 性低频矩形波励磁电磁流量计开始，在电磁流量计中得到了广泛应用。1 9 8 2 年， 上海工业自动化仪表研究所成功地研制了单极性低频矩形波励磁电磁流量计，标 志了我国电磁流量计也进入低频矩形波励磁技术的时代。 1 9 8 3 年，国外多家公司均研制成功三值低频矩形波电磁流量计。三值低频 矩形波励磁技术最大特点是实现在零态时校正零点，因而具有更优良地零点稳定 性，利用微处理器技术的逻辑判断功能和运算功能可解决尖峰状干扰电势她影 响，但降低了电磁流量计响应速度。1 9 8 6 年，东北工学院和河南开封仪表厂合 作，于1 9 8 8 年研制成功三值低频矩形波励磁电磁流量计，使我国电磁流量计生 产技术跨上新的台阶。 浙江大学硕士学位论文 1 9 8 8 年7 月，为了克服三值低频矩形波励磁技术不能兼顾消除低频尖峰噪 声和流体流动噪声和保持零点稳定性的矛盾，日本横河北辰电机株式会社提出双 频矩形波励磁技术以解决泥浆、纸浆、矿浆等液固两相导电性流体和低导电率流 体流量测量。日本横河北辰电机株式会社首先推出了双频矩形波励磁电磁流量 计。同年1 0 月，武汉水利电力学院进行跟踪研究，并于1 9 9 0 年代初取得多项研 究成果。 1 9 8 9 年，上海光华仪表厂和德国k r o h n e 公司及荷兰a l t o m e t e r 公司共同投 资建设的合资企业一上海光华爱而美特仪器有限公司投产，生产m t 9 0 0 f 系列、 k 3 0 0 e x 系列低频矩形波励磁电磁流量计，通过引进、吸收、消化使我国电磁流 量计整体生产技术达到国外发达国家8 0 年代初的水平。 1 9 9 2 年，德国f i s c h e r + p o r t e rg r n b h 在i n t e r k a m a 展览会上展出了称为p a a i m a g 的非满管电磁流量计。1 9 9 5 年7 月，日本“9 5 水道展”上，爱知时计电 机公司和东芝公司也分别展示了其非满管电磁流量计。 1 9 9 0 年代以后，在技术原理上电磁流量计无重大突破，研究方向多转入多 电极方向。1 9 9 6 年，b h o m e r 等人研制出了工业用非轴对称流量测量的多电极 电磁流量计。同年，我国清华大学的张小章提出了基于流动电磁测量理论的流场 重建理论。 2 0 0 0 年，浙江大学研制成功了多电极成像式电磁流量计。 2 0 0 2 年，公开报道了北京佛利蒙特自动化工程有限公司推出的f 2 系列电磁 流量计传感器，该传感器实现了管道式与插入式的统一，突破了管道式电磁流量 计精度高而不易检修，插入式电磁流量计易于检修而精度低，人们往往只能二者 取其一的限制。它的优点是可以在线带压安装和方便地进行电极检修，解决传统 电磁流量计传感器电极污染后的检修问题。 1 2 2电磁流量计内衬材料的发展0 8 1 3 i 自电磁流量计出现以来，人们利用过许多有机的、天然的材料来作为测量管 的衬罩。从满足被测流体的温度、压力( 包括负压) 、腐蚀性和耐磨性考虑，目 日i ，常见的电磁流量计导管衬罩材料是橡胶、聚氨脂橡胶、氟塑料和工业陶瓷。 1 ) 橡胶： 浙江大学硕士学位论文 通常用作衬里的橡胶材料是氯丁橡胶。它具有耐碱及耐弱酸性的优良特点， 并兼有一定的耐磨性，电绝缘性也很好。橡胶衬里的制造工艺比较简单。它和不 锈钢导管能够牢固的粘结在一起。因此，一般管道中的负压不会损坏衬里。电极 处密封也较为可靠。其制造成本相对较低。所以，橡胶衬里在电磁流量计中应用 最为普遍。 2 ) 聚氨脂橡胶： 聚氨脂弹性体是一种介于橡胶和塑料之间的高分子聚合物。它即具有高强 度，又具有高弹性。它的延伸率、硬度范围宽广，并且具有优良的耐油性、耐低 温性、耐臭氧性。它的耐磨性更为突出( 约为天然橡胶的1 0 倍) 。但是，聚氨脂 橡胶的耐酸、碱性较差。所以，它主要用来测量有磨损的矿浆、煤浆泥浆等。 3 ) 氟塑料： 通常做电磁流量计衬里的氟材料有三种：聚四氟乙烯( 英文缩写p t f e ) ， 聚全氟乙丙稀( 英文缩写f e p ，国内称为f 4 6 ) 和p f a ，它们是塑料中化学性能 是最稳定。但是，聚四氟乙烯的耐磨性差；不容易和不锈钢相粘连；解决聚四氟 乙烯用作电磁流量计导管衬里的热冲击变换和负压影响，是一个很大的技术难 题。聚全氟乙丙稀则耐热性不如p t f e ，p f a 性能最好但是材料价格很高，加工 设备是专用的，造价也很高，在国内尚无应用。 4 ) 工业陶瓷： 这是采用高纯度的三氧化二铝( 纯度在9 9 6 9 9 9 ) 材料烧结成的非金 属导管。成品的陶瓷衬罩管硬度很大，机加工很难。陶瓷导管的耐磨性时聚氨脂 橡胶的1 0 倍以上：在高温高压下不变形，它几乎使用于各种腐蚀介质。但是， 必须注意，氢氟酸、磷酸、强碱对其有影响。另外，由于铂不适合王水和铵盐， 所以陶瓷导管也不能用来测量王水和铵盐。 1 2 3 智能化技术和网络化技术 将单片机软硬件技术引入电磁流量计，实现电磁流量计的智能化，已经在 不断地探索、改进和完善。从检测原理看，感应电势与流速存在宽范围内的线形 关系、快速响应无延时、零点稳定等优点。然而，在实际应用当中，存在零点漂 移、响应不及时、励磁故障无信号输出，甚至当流速很低时，感应电动势e 与流 浙江大学硕士学位论文 速v 的关系偏离线形等现象，这些问题从传感器工艺和结构入手难以解决，而 借助微处理器，通过软件编程技术，可以实现拓宽检测量程、补偿测量误差、零 点校正、励磁自诊断( 有无励磁或励磁是否正确) 、正反向流判断、空管和非满 管的自诊断等，极大地增强了电磁流量计的性能和功能。 随着工业过程自动化控制的发展和工业现场总线技术的成熟，以及高性能 单片机的出现，电磁流量计开始摆脱单机应用的情况，具有了基于现场总线技术 的通讯功能。方便了对偏远或不易观测的测量点的流量监控，减轻了人力负担， 同时也将电磁流量计纳入了现代控制系统，使之成为其中重要的一环。 1 2 4 其它方面 电磁流量计的灵敏度以单位流速产生感应电动势值来表示，数值愈低灵敏度 愈高。早期交流励磁方式灵敏度设计在1 1 5 m v ( m s ) ，低频矩形波励磁方式则为 0 2 0 4m v ( m s ) ，现在有些仪表进一步提高到o 0 2 0 0 4m v ( n v s ) ，所需励磁功 率从数百瓦特降低到1 0 2 0 毫瓦特。 ( 1 ) 本质安全防爆型 以前由于励磁功率大，只能采用隔爆型，即电磁流量传感器外壳设计得使其 内部产生火花或发生爆炸不会传到外部，传感器结构笨重。现在励磁功率减小了 3 4 个数量级，实现本质安全型，即在故障状态下传感器内部产生的温度和火花 不会引起外部爆炸性混合物爆炸，使传感器外壳结构设计轻巧。 ( 2 ) 采用电池供电 国外已有许多制造厂提供电池供电的电磁流量计。例如，英国a b b k e n t t a y l e r 公司的v b c 型和a g u a m a g 的仪表，后者采取瞬间供电运行，即每 隔1 5 分钟给励磁线圈通电6 秒钟，电池寿命一年，也可由太阳能电池供电；同 本爱知时计电机公司称，其s w 型电磁流量计内藏电池可连续使用十年。 ( 3 ) 二线制仪表 通常电磁流量计由流量传感器和转换器两部分组成其间以励磁电缆和信号 电缆连接，即四线制。由于所需励磁功率和测量电路功耗的降低，有可能用含源 4 - 2 0 m ad c 输出信号，即由2 4 v d c 电源在零信号输出电流( 即4 m a ) 时提供 仪表全部功率。仪表只有两根输出信号线对外，故称二线制。代表性产品有同本 6 浙江大学硕士学位论文 山武霍尼韦尔的s m f 3 0 0 型和爱知时计的t a v 型。 1 2 5 电磁流量计的发展趋势 1 2 5 。l 非均匀磁场的电磁流量计“m 1 现今世界各国生产的工业用电磁流量计，其传感器绝大多数是属于均匀型 的，励磁线圈尺寸较大，轴向长度较长，测量管也就较长，这样才能消除磁场边 缘不均匀的影响，因此，这种传感器体积较大，并且它难以准确测量流速分布为 非轴对称状态的流体流量。 非均匀磁场电磁流量计通过改变励磁线圈的尺寸形状、增加附加线圈来改变 磁场的分布：或改变电极形状来改变权重函数( 表示在工作磁场有效区域中任何 微小体积元在切割磁力线时对电极间信号所做贡献的大小) 的分布，使得非均匀 磁场的磁场强度和权重函数的乘积为一常数，也就说通过该非均匀磁场运动的每 个流体微元所产生的感应电动势的大小相同，此时被测流体对称性受到破坏时 也不致影响感应电动势的大小，即流量计可用来测量非对称流的流量。 非均匀磁场的轴向长度只要能保证在两电极所在的平面内具有所需要的磁 通密度即可，因此其长度远比均匀磁场的长度短。这样就便于缩小传感器的长度， 实现传感器的小型化。 非均匀磁场的电磁流量计同均匀磁场的电磁流量计一样，都是基于法拉第电 磁感应原理。但前者传感器励磁线圈的设计完全遵循一种新的理论基础，涉及的 大多是较繁琐和复杂的数学推导等理论问题，至今仍无大的进展，且由于目前工 艺水平的限制，理论设计结果难于实现，使得6 0 年代就已出现的非均匀磁场电 磁流量计至今仍处于发展阶段。 唯有理论上取得突破性进展和微机械加工技术达到一定水平，非均匀磁场l 可能代替均匀磁场，进行非轴对称流的准确测量和实现传感器的小型化。 1 2 5 2 电容式电磁流量计“” 电容式电磁流量计又称为无电极电磁流量计，“无电极”并非真的没有检测 信号的电极，而是指检测信号的敏感元件不与被测介质直接接触。其传感器的示 浙江大学硕士学位论文 意图如图1 1 所示。 由于衬里的隔离作用，在流体与电极之间形成很小的静电电容，流体产生的 电动势通过信号电极和流体间的静电电容耦合，实现流量信号的检测。 无电极式电磁流量计与电极式电磁流量计的不同点，是它的信号电极设置在 衬里的外表面上，被测流体与电极通过衬里隔离，不与流体直接接触。由于衬里 的隔离作用，在流体与电极之间形成很小的静电电容，流体产生的感应电动势通 过信号电极和流体间的静电电容耦合，从而实现了非接触检测。 图1 1电容式电磁流量传感器 无电极式电磁流量计的优点在于其适用于泥浆混入型流体，适用于低导电性 流体，适用于附着性流体。 电极式电磁流量计由于电极与流体直接接触，流动的泥浆会冲击电极，加之 电解作用，会产生杂波，而无电极式电磁流量计由于电极不直接接触被测流体， 故而能从根本上解决电位变化引起的杂波，达到稳定测量的目的，适用于泥浆混 入型流体的流量测量。 无电极式电磁流量计由于利用静电电容耦合检测电势，信号源具有极高的阻 抗。检测器内设置了具有高输入阻抗的前置放大器，为此信号衰减被控制到了最 小程度。其结果是，即使对阻抗很高的低导电性流体，也可稳定测量。其最小可 测定5us m 的流体。 在测定附着性流体时，电极式电磁流量计的电极表面容易附着物质，使输出 出现偏差而不稳定。特别是绝缘附着物更会影, r - i n 量的精度。而无电极式电磁流 量计，绝缘附着物不会影响流体与信号电极之间的静电电容，可稳定的测量。 由上可见，无电极式电磁流量计由于其真正的非接触测量，使得它能应用于 一些电极式电磁流量计难以胜任的场合，正因为如此，许多研究者早已致力于无 电极式电磁流量计的研制，f 1 本同立公司业已研制成功。虽然无电极式电磁流量 暑 浙江大学硕士学位论文 计如此诱人的非接触测量的特点，但离工业化应用还有一定的距离，主要原因在 于静电电容的检测存在难度，检测信号电容时易受杂散电容、分布电容的影响， 有时信号电容被完全淹没在干扰电容中，致使无法测量。随着电子技术的不断发 展和研究的深入，技术难题将逐步被攻克，无电极式电磁流量计的工业化应用也 将指日可待。 1 2 5 3 多电极电磁流量计“乩 尽管多年来还有许多研究者仍在进行两电极电磁流量计的研究，如励磁线圈 的优化设计，零点稳定的实现等“”“1 。有的研究者还进行了两电极电磁流量计用 于两相流和多相流测量的研究。”。但两电极电磁流量计不能用于测量非轴对称 流型流体和小流量测量，其根本原因在于靠近电极区域对流型变化的“过度敏 感”。当流型为轴对称时，电极附近的过度敏感区被远离电极的欠敏感区所平衡， 故流量计可以准确测量。而当流速分布偏离轴对称时，这种敏感平衡关系被破坏， 测量将会出现误差。 为了解决非轴对称流条件下上述敏感平衡关系被破坏这一问题，研究者提出 了两种方法。一种就是前面提到过的非均匀磁场电磁流量计，但由于理论求解的 难度和工艺水平的限制，对非均匀磁场的研究没能深入进行，多年来进展不大。 另一种方法就是采用多对电极、多对感应线圈的多电极电磁流量计。 多电极电磁流量计不但能解决非轴对称流型的流量测量，还可用于流场速度 分布的求解。”1 。从8 0 年代开始，许多学者对多电极电磁流量计进行了理论上 和工程上研究，并取得了不少成果”“。 1 3 影响电磁流量计性能的因素 电磁流量计自从商品化以来，其技术进步十分明显，新材料、新设计和制造 技术的采用，尤其是采用了大规模集成电路、单片机和计算机，其技术性能指标 和功能都有很大提高，特别是抗干扰能力、可靠性和稳定性的改善尤为明显。然 而，尽管电磁流量计在现代各项高科技的渗透下已不断地得到改进和提高，但实 际使用当中，客观条件的限制导致了电磁流量计还受到以下因素的影响，影响大 时流量计甚至不能f 常工作。 9 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 流速分布“钉 前面已经提到，只有当流速分布相对于测量管中心轴对称时，电极检测到的 流量信号将与被测流体的平均流速成正比。即有式 e = b v d ( 1 1 ) 但当流速分布相对管中心为非轴对称时，还用上式计算流量时将会产生测量 误差。因为电极上得到的感生电动势是测量管内所有液体共同贡献的结果，所以 每一个流体质点都有贡献。但由于各个流体质点相对于电极的几何位景不同，故 即使各质点速度一样，它们对电动势的贡献也是不同的。越靠近电极的质点对电 动势的贡献越大。也就是说，电极附近的感生电动势较大，与两电极平面成9 0 度的地方的流体产生的感生电动势就小。所以，如果电极附近的流速非轴对称的 偏大，测得的流量信号就比实际流量值大；反之，电极附近的流速非轴对称的偏 小，测得的流量信号也就偏小。因此，为了消除由于流速分布而产生的测量误差， 在电磁流量传感器前应有一定长度的直管段，以保证流速的轴对称分布。 1 3 2 磁场边缘效应 由前述的基本假定可知，电磁流量计的基本表达式是在假定沿流体的流动方 向上磁场始终是均匀为前提下推导而得到的。这就意味着沿管轴方向上的磁场无 限长，而实际流量计的线圈长度是有限长的，并且，为了实现流量计的小型化， 总是希望励磁线圈和测量管的长度越短越好。这样，就会出现磁场边缘效应，即 磁场轴向长度对感应电动势幅值和励磁线圈两端的磁感应强度不均匀性对测量 的影响。磁场中间部分大致是均匀的，两端则逐渐减弱，形成不均匀的边缘，最 后下降为零。这样，使得液体内部电场e 也不均匀，结果了产生涡电流。由涡 电流所产生的二次磁通反过来改变磁场边缘部分的工作磁通，使磁场的均匀性进 一步遭到破坏。这时，在电极上测量到的感应电动势与无限长磁场下的感应电动 势不一样，因此产生了误差。理论分析表明( 4 “，为了减少边缘效应，励磁线圈的 轴向长度应为测量管内径的i 4 1 5 2 倍。这样才可以使电极上产生的感应的电动 势接近于无限长磁场的理论计算值。 i o 假如管壁是导电的，磁场边缘效应更加明显，从而导致电极上感应电动势的 损失增加，所以管壁通常要涂上绝缘层。假如介质的电导率极高( 如液态金属) ， 磁场边缘区域两侧的磁场分别被削弱和增强。所以测量电导率高的介质不宜用交 流励磁，而应用直流励磁。若被测介质中含有导磁性物质( 铁、钴、镍之类) ， 磁场边缘效应就更复杂。由于导磁性物质的存在，使磁场发生严重畸变，造成测 量的非线性。 1 3 3 液体电导率 使用电磁流量计的前提条件是被测液体必须是导电的，不能低于阈值( 即 下限值) 。电导率低于阈值会产生测量误差直至不能使用。通用型电磁流量计的 阈值在1 0 4 ( 5 1 0 1 ) s c m 之间，视型号而异。电磁流量计不适用于电导率很 低的介质的根本原因在于传感器与转换器的阻抗匹配问题。目前，转换器得输入 阻抗一般只能达到1 0 0 2 0 0 m q ，也就是说要保证o 1 的传输精度传感器内阻 瓜必须小于1 0 0 2 0 0 k q 。若电极直径o 0 1 m ，可得到被测介质电导率的最低 值： ：再1：百鬲-_：(05、10-omin 1 ) x 1 0 m ( 1 2 ) 。i j 2 百面f 了丽丽2 w j 7 m 一2 工业用水及其水溶液的电导率大于1 0 4 s c m ，酸、碱、盐液的电导率在1 0 一 1 0 。s c m 之间，使用不存在问题，低度蒸馏水为1 0 5s c m 也不存在问题。石油 制品和有机溶剂电导率过低就不能使用。但对于气体、蒸气以及含大量气泡的液 体就无法使用了。 无电极式电磁流量计“，它以大面积电极置于衬里外壁而不与被测介质接 触，以电容偶合方式检测流量信号，可测电导率低至5 1 0 8 s c m 的液体。电极 不接触流体从而能根本上解决电极电位变化引起的杂波，故可以测量浆液型流体 流量。由于它是利用静电电容检测电动势，所以即使是对阻抗高的低电导性液体， 也可稳定测量。它也可用于附着性流体的测量。但是该流量计精度有限，在1 - 5 m s 的流速下仅能达到1 的精度。这很大程度上受制于电容信号的微弱和易受干扰。 如果能作好其信号检测和抗干扰性，其工业应用前景十分广阔。 浙江大学硕士学位论文 1 3 4 流体粘度、流体温度及环境温度的影响 通常认为电磁流量计所测体积流量不受液体电导率( 只要大于某一阙值) 、 液体粘度、液体温度和环境温度等参量的影响。随着仪表使用介质从过去应用最 多的水和水溶液扩大到其他液体，若干用户根据现场使用经验，开始怀疑这些认 识。国际仪表使用者协会w i b 邀请8 家电磁流量计制造厂提供仪表，委托荷兰 应用科学研究组织和荷兰国家矿业公司研究所，进行应用基础研究。实验研究历 时两年半，于1 9 9 3 年发表研究报告。具体有关粘度影响，液体温度影响和环境 温度影响的详细内容请参阅文章“”。从实验数据可以得知，对于精度较高基本误 差小于o 5 1 的仪表，液体粘度、液体温度和环境温度的影响就不可忽略， 影响量已经超过基本误差许多。特别是有些制造厂声称在其参比条件下精度可达 o 2 级、0 1 级的仪表，在分析其现场实际使用条件下的测量精度时，必须考虑这 些影响因素。 1 3 5 气候条件的影响 在实际应用中，气候条件的变化对电磁流量计的性能也有着潜在的影响。 般而占，电磁流量计都有防潮放水等措施。但是使用时间长后，其防潮放水性能 下降，气候条件的影响就会引入电磁流量计，而且使得工程人员难以发现问题的 所在。某厂家曾发现，同型号的电磁流量计在北方工作十分稳定，而到岭南地区 使用一段时间后出现可达2 0 3 0 的误差，严重时甚至有5 0 。经分析，其原 因是空气潮湿降低了励磁回路对地绝缘电阻引起了零点漂移。现具体体分析如 下： 通常，制造厂设计制造传感器的绝缘电阻对地r 在5 0 m q 以上。实际应用 中，传感器接地电阻白可以在数q 至1 0 0 f 2 之间。信号内阻凡大约为6 2 5 k q 。 在流体充满测量管道，不流动情况下，实际上绝缘电阻与分成两部分的信号内阻 对励磁电压构成了( 1 3 ) 式的分压关系： e 。2 器慨( 1 - - 3 ) o 为传感器接地电阻；r ，为励磁线圈对电极地绝缘电阻 浙江大学硕士学位论文 c o 为励磁线圈与电极间地分布电容；熙为传感器感应信号内阻。 在电极上，对地分得部分励磁电压e ，。对于两个电极，它们对地分得地电 压e 。大小相等，方向相同，形成干扰信号。这就是通常说的共模干扰电压。目前 电磁流量计转换器的c m r r 为8 0 d b 1 2 0 d b 。对于一般的8 0 d b 的电磁流量计， 当励磁线圈对地绝缘电阻r = 5 0 m d ，残余共模干扰对l m s 感应o 2 m v 信号电 压而言仅占1 ，可用调零来降低零点。对于接线端子受潮、传感器进水等原因 造成的绝缘电阻对地r ，在1 0 m q 以下情况，例如r ，= 2 m q ，共模干扰电压对 l m s 感应o 2 m v 信号电压而言占2 3 。与工程应用情况相符合。 可见，气候条件对电磁流量计的长期运行有着很大的影响。因此，厂家在 制造电磁流量计时要格外注重电磁流量计的防水防潮设计，使用厂家也要注重对 电磁流量计的保养，电磁流量计方可更加安全稳定运行。 1 3 6 流体含有混入物 电磁流量计的许多使用状况下，被测流体中都会含有混入物。一般而言，混 入成泡状流的微小气泡仍可正常工作，但测得的是含气泡体积的混合体积流量； 如果气体含量增加到形成弹状流，因电极可能被气体盖住使电路瞬间断开，出现 输出晃动甚至不能正常工作。 含有非铁磁性颗粒或纤维的固液两相流同样可以测得其体积流量。固体含量 较高的流体，如钻井泥浆、钻探固井水泥浆、纸浆等实际上已属非牛顿流体。由 于固体在载体液中起流动，两者之间有滑动，速度上有差异，单相流液体校验 的仪表用于固液两相流会产生误差。虽然还未见到电磁流量计应用于固液两相流 中固型物影响的系统实验报告，但国外有报道称固型物含量有1 4 时误差在3 范围内 4 8 1 ；我国黄河水利委员会水利科学研究所实验报告称，测量高含沙水的 流量，含沙量体积比1 7 4 0 ( 沙中值粒径o 3 5 m m ) ，仪表测量误差小于3 【49 1 。 1 3 7 附着和沉淀 浙江大学硕士学位论文 电磁流量计使用时间长或者是用于测量易在附着和沉淀物质的流体时，会在 管壁上产生附着层，若附着的是比液体电导率高的导电物质，信号将被短路不能 工作，若是非导电物质则首先应注意电极的污染。无电极式电磁流量计附着非导 电膜层，仪表仍能工作，但若未高导电层则同样不能工作。 对于电极式电磁流量计导电性附着层的附加示值误差e 如下式【5 0 】所示： 肛茌i ( 1 - - o w ( 1 - - 一2 t ) 11 + 旦+) 盯f0 - f d ( 1 4 ) 式中口。、c r f ：分别是附着层、液体的导电率； t ：附着层厚度： d ：测量管内径； 若附着于衬里管壁层为氧化铁锈层，或以金属为主要成分的燃料，其电导率 大于液体电导率，测得的流量值将比实际流量小；若为碳酸钙等水垢层，其电导 率低于液体，测得的测量值将高于实际流量。若附着层电导率与液体相同，按上 式计算附加误差为零，但仅局限于附着层厚度小的条件。此种情况下，流通面积 减小，但平均流速增加，二者相互间可抵消。 1 3 8 电极表面效应 电极表面效应应分为表面化学反应、电化学和极化现象以及电极的触媒作用 三方面。化学反应效应如电极表面与被测介质接触后，形成钝化膜或氧化层。它 们对耐腐蚀性能起到积极的保护作用，但也可能增加接触电阻。电化学电势变化 和极化现象会产生干扰电势而形成噪声。浆液噪声和流动噪声即是电极表面噪声 的表现。浆液噪声是在测量泥浆纤维等液固两相流时，固体颗粒( 或液体中的气 泡) 擦过电极表面，电极表面接触电化学电势突然变化，输出流量信号出现尖峰 脉冲状噪声。流体噪声时在测量较低电导率液体流量时，电极的电化学电势定期 变化，产生随流速增加而频率增加的随机噪声，引起仪表输出出现波动现象。极 化电势是电极感生电动势在两电极极性不同，导致电解质在电极表面产生极化。 虽然交变励磁将极化电势减弱了几个数量级，但不能完全消除极化电势干扰的影 响。极化电势和液体介质性质以及电极材料性质有关a 浙江大学硕士学位论文 1 3 9 变压器效应 电磁流量计的两个电极、输入输出回路和介质一起构成了一个闭合回路。励 磁线圈相当于变压器的初级线圈，该闭合回路相当于次级线圈。这个次级线圈不 可能与励磁磁力线完全平行，总有一部分交变的磁力线穿过该闭合回路平面，形 成了所谓的“变压器效应”。干扰电动势e 根据楞次定律得： e ；= 一等= 一氐绒。s 研= 一吃嬲i n ( 争耐) ( 1 - - 5 ) 可见e ，与励磁电源频率有关，而与流量大小和传感器口径无关。降低励磁电 源频率可减小这种干扰。 1 4 本文主要研究内容 从上面相关章节中，可以看出电磁流量计励磁技术的发展都是为了克服零点 的不稳定问题。然而无论采用何种励磁方式，噪声的存在使得信号的零点总是不 能如人们所期望的那样稳定。为此，许多学者进行了大量的研究。有的从电路抗 干扰角度入手，希望设计出高信噪比的电路：有的根据零点的变化方式提出了插 入法等预测零点电平变化的软件处理方法：有的采用高频励磁并辅以高性能单片 机处理的方法：有的通过电路反馈法来消除零点漂移电平：有的另辟蹊径设计出 了无电极式电磁流量计。通过种种办法，零点的稳定性得到了提高，但是总还是 不能让人满意。技术上没有大的突破，最直接的表现就是电磁流量计测量下限停 留在o 2 m s 的水平，只有少数几家公司声称可以达到o 1 m s 的水平。 可以发现，电磁流量计的小信号提取与电磁流量计面临的很多问题紧密相 关，如果能够从小信号提取找到突破点，那么以点带面，很多难题就将迎刃而解。 电磁流量计的小型化与低功耗化也是紧密相关，值得一提的是低功耗的同时也就 将电磁干扰有效地降低，和小信号的提取是直接联系的。可以说这二者是密不可 分的。因此，找出一种新方法使之既能克服噪声的干扰又能对小信号进行有效的 提取成为了本文研究的重点。 面对前人研究难以取得突破的情况，作者分析发现，无论研究者采取何种方 法技术，总是没有跳出一个相同的框框，即要么专注于某种噪声研究如何消除它， _ ， l5 浙江大学硕士学位论文 要么将含噪声的信号采样后在通过软件处理或反馈给电路。这样的结果是，消除 了这种噪声引起了另外的噪声，或者是因为原始采样信号含有多种干扰软件无法 一一有效处理。然而，却没有学者研究过将信号中的所有干扰噪声提取出来，不 管噪声是由何产生，然后和信号相减，这样信号总能将实时变化的零点噪声抵消 的情况。如此得到的信号将是单纯的信号，也就不需要软件的复杂处理。 基于以上的分析为此，作者想到相关函数有此功能。理论上，相关技术又有 着很强的抗干扰性。能否将相关原理用于电磁流量计的研制上呢? 本文对此进行 了研究，具体工作包括以下几方面： 1 )给出了基于相关原理的相关器的性能分析，提供了互相关检测技术 用于电磁流量计上的理论依据； 2 )研制了基于互相关检测原理的相关电磁流量计； 3 )对系统进行了实验测试，验证了系统性能的优越性。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章相关检测基本原理 摘要：本章首先介绍了一些相关检测技术的基本概念和基础原理，并对基于它的检测器通 过建立数学模型得出数学解，然后进行幅频特性分析，证明该技术抗干扰上的优势。 相关检测是上世纪4 0 年代发展起来的一门技术川，它建立在信息论【5 2 】和随 机过程的理论【5 3 】基础上。这一技术首先应用于军事上的雷达技术，然后逐渐转移 到科学研究和民用上。现在已经在各个领域内得到日益广泛的应用。例如机械震 动波的频谱特性分析、弱电信息的噪声过滤、测定地震的波形和波速、生物电的 测定等f 5 4 】。它已成为从强噪声中提取弱信号的重要手段。 2 1 相关函数 如果x ( f ) ，j ，( f ) 是能量有限信号( 单脉冲，非周期信号等) ，它们的相关函数 可定义为： r 。( r ) = x ( ，) y + ( 一r 如= e y + ( ，) z ( ，+ r ) a t ( 2 - - 1 ) r ，( f ) = y ( f ) x + o f = d ( f ) y ( f + r ) d t ( 2 2 ) 式中“+ ”表示复数。 显然，相关函数是两信号之间时延为f 的函数。若x ( f ) 与y ( f ) 不是同一信号， 则它们的相关函数r 。( f ) 或r ，( r ) 称为互相关函数。如果z ( f ) 与y ( f ) 是同一信号， 即y ( r ) = x ( f ) 。此时，它们的相关函数尺。( f ) ( 或简写作尺( f ) ) 称谓自相关函数。 即： r ( f ) = r 。( f ) = e z ( f ) x ( 卜r ) a t = e x + ( f ) x ( f + f ) a t ( 2 3 ) 在