（检测技术与自动化装置专业论文）电磁流量计关键技术的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 励磁和信号处理技术是衡量电磁流量计性能的两个关键技术，电磁流量计的 测量精确度和稳定性与两者密切相关。本文分为两个主要部分，分别针对以上两 个关键技术，从励磁磁场和信号处理技术的改进两个方面进行了研究。 非均匀磁场电磁流量计的出现可以实现传感器的小型化，可用来测量非对称 流的流量。其设计的核心是，使非均匀磁场的磁场强度和权重函数的乘积为一常 数。权重函数仅与测量管及电极的形状和大小有关，在测量管道和电极已定的情 况下，可以改变传感器励磁线圈的形状和尺寸获得不同的励磁磁场。 寻找一种简单实用的磁场计算方法是进行研究的必要前提。本文从矩形平面 励磁线圈在测量管道内磁场分布的解析算法出发，给出了一种计算矩形鞍状励磁 线圈在测量管内的磁场分布的折线近似算法；最后通过实验证明，这种折线近似 法是一种简单可行的算法。利用折线近似算法对不同形状和不同尺寸的励磁线圈 的磁场分布情况进行对比，并进行分析优化，最后获得性能较优的励磁线圈的尺 寸和形状。 基线控制的反馈式信号处理方法是结合了早期反馈式信号处理方法和零点 漂移反馈法的优点提出的。基线控制法能在消除零点漂移的基础上，采用较高励 磁频率实现电磁流量计高动态响应的特性，同时又有效地放大了信号，使低励磁 电流下的测量也具有较高的信噪比。 本文第二部分针对电磁流量计信号的特点，及以往基线控制的反馈式信号处 理方法实现中存在的问题，提出基线控制法新的实现方法。采用高度集成的片上 系统混合信号单片机c 8 0 5 l f 0 6 0 ，完成信号处理系统的硬件测量电路。设计软件 测量时序，利用d a c 的定时更新作为反馈信号来消除信号的零点漂移，实现电 磁流量计微弱信号的高倍放大。通过软硬件联调，经实验结果证实，本系统的稳 定性和重复性都具有很好的应用前景。 关键词：励磁磁场，折线近似法，基线控制法，电磁流量计 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l ep e r 】b 锄锄c eo fe l e c 昀m a 印e t i cn o w m e t e ri sm e a s u r c db y 似ok c y te c _ h n o l o 百e si i l c l u d i n ge x c i t a t i o n 锄ds i 朗a lp c e s s i i l g 1 1 1 ep a p e ri sm a d eu po ft 、) l r o m a i l lp 硪sw 1 1 i c hd 印e n do n s e 咖t e c h o l o 百懿 a s 舯“c a lm a g n 吼i cf i e l de l e c n o m a g n 嘶cf l o w m e t e rc a nm a k es e i l s o r s p i n t s i z e d 觚dm e 积胎弱) ，i i 吼耐c a ln o w 1 1 1 ee s s e n t i a lo fi t sd e s i 印i st l l a tt l l e p r o d u c to fs 协。i l g mo fm 嬲皿e t i c6 d da n dn l ew e i g h t 劬c t i o ni s ac o i l s t a m t h e w e i g h tf h n c t i o ni so l l l yr e l a t e dt 0n l es h 印e 锄ds i z eo f m ep i p e l i n e 锄de l e c 协) d 镐s o m ee x c i t i n gm a g n 甜cc o i l so fs 锄o r sc a i lb ec ：i 姗g e dt 0h a v ed i f f 打e n tm a g n e t i cf i e l d t h en e c 岱s a r yp r e r i l i s eo ft l l er e s e 盯c hi st of i l l das i m p l e 锄dp r a c t i c a lm 砒0 dt o s i l i l u l a 钯t l l em a g n e t i cf i e l d t h ep a p e r 昀帕i 鼯o n 陀c t a l l g u l 盯s a d d l ee x c i 伽o nc o i l 、) l 加c hi sw i d e l yl l s e di 1 1t l l ei n d u s t r i a ls 吼s o ro fd e c 仃0 m a 鳃e t i cn o 舢e t 既a tf i r 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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：日期：肺竺31 7d 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) 日期：砂8 o 纠o 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 本章主要内容： 电磁流量计的原理及特点 电磁流量传感器的发展现状 电磁流量计信号处理技术的发展现状 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，采用孔板测量流量【l 】。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 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l o o 多种。 上海大学硕士学位论文 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【2 】o 1 2 电磁流量计基本原理 当导体横切磁场移动时，在导体中感应出与速度成正此的电压，电磁流量计 就是按这条电磁感应定律求得流体的流速和流量的。 y 图1 1 电磁流量计测量原理 电磁流量计应用法拉第电磁感应定律进行测量，因此与发电机同一原理。也 即，当导体在磁场内移动时，就得到与其速度成正比的感应电动势。用磁铁夹住 有流体流过的管子，磁力线就通过管子内部，采用高输入阻抗的电压表测量由于 6 上海大学硕士学位论文 流体运动而引起的电动势，就可以测量流速或流量【3 1 。 根据法拉第电磁感应定律，在均匀磁场b ( 特斯拉) 的作用下，一个宽度为 d ( 米) 的导体以速度v ( 米秒) 沿着与磁场垂直的方向移动时，感应电动势就 为e = b d v ( 伏特) 。其测量原理如图1 1 所示。 如果在宽度为d 且扁平的由绝缘体组成的管道内通过一均匀速度为v 的导 电流体时，也可以感应出等量的感应电动势。 感应电动势和流速及体积流量q ( 米3 秒) 的关系式为： e = b d y = 4 b q 万d( 1 1 ) 式1 1 中，矿为通过管道横截面上的流体平均流速。 在此需要说明，上式的成立是建立于以下条件假设成立的基础上 4 】【5 】： 首先，假设磁场恒定不变，而且是均匀分布的。这样就可以忽略导电液体在 磁场中运动所产生的另外两种效应的影响，即液体中感生电流对磁场分布的影响 以及这一感生电流与电磁力相互作用对液体流动速度的影响。这两种效应在测量 液体金属时则不能忽略。 其次，假设被测液体的流速为轴对称分布，而且液体中的感生电流与电场对 称，且平行于液体的轴向：另外，还假设液体的导电率是均匀和各向同性的，且 不受电场或液体流动的影响。这样就可排除“霍尔效应 带来的影响。通常情况 下，由被测液体的导电率变化和液体温度的非均匀性所引起的热点效应、离子迁 移等现象，对流体测量的影响非常小。因此，可以假定这些现象都不存在，将其 忽略不计。 再次，假设被测液体是非磁性的，并且它的磁导率w 与真空磁导率件。一 致。这样，就可以忽略液体磁性与工作磁场间相互作用对流量测量的影响。 因此，在上述条件假设成立下测量流量时，可以认为感应电动势e 与流体 流速v ( 瞬时体积流量q ) 成正比，且完全是线性关系。 励磁和信号处理技术是衡量电磁流量计性能的两个关键技术，电磁流量计的 测量精确度和稳定性与两者密切相关。 1 3 电磁流量传感器的励磁系统 电磁流量传感器是将物理量“流量 变换为另一个物理量“电动势 的装置， 其基本要素包括：测量管、磁场产生部件和拾取信号的一对( 多对) 电极。在电 7 上海大学硕士学位论文 磁流量计中，传感器的工作磁场是由励磁系统产生的。 1 3 1 电磁流量传感器的励磁方式 励磁方式决定着电磁流量计的抗干扰能力大小和零点稳定性能的好坏。因此 可以说，电磁流量计的发展历史与励磁方式的演变过程关系密切，不同的励磁方 式代表着不同时代的特征和技术进步【6 】【7 1 。 表1 1 各种不同的励磁方式 励磁方式励磁波形产生年代与特点 直流( 恒定b 从法拉第时代开始，以 磁场) 励磁 后多用于液态金属测量 始于1 9 2 0 年前后，1 9 5 0 交流 a ：a 、a 、7 ， 年真正工业商品化，极化 - 正弦波 电压低，存在电磁感应干 扰，零点容易变动 产生于1 9 7 5 年前后， 两值波 n 二r ：f 一般励磁频率为电源频 率的1 2 1 1 6 ，其零点稳 定性好，但对浆液测量会 出现抖动 产生于1 9 7 8 年前后， 无励磁电流期间采样零 三态波 一9 u - 一 点信号，校准零点，周期 的一般时间无电流通过， 功耗低 用高频调制1 8 工频， 双频 砌咖“一 可降低浆液测量的尖状 干扰，输出稳定，反映速 度快，但调解麻烦 利用单片计算机编程， 可编程 趴：r ， 控制励磁矩形波脉冲宽 度和励磁频率，因而也达 脉宽 到降低浆液测量尖状干 扰的影响 1 3 2 传感器励磁线圈的形状 电磁流量计有均匀分布磁场和权重分布磁场之分，而测量管内的磁感应强度 的分布是由励磁线圈的形状和尺寸决定的。 均匀磁场传感器的励磁线圈又分为集中绕组和分段绕组。集中绕组的励磁线 8 上海大学硕士学位论文 圈由于结构和制造的问题，比较适合于中小口径的传感器。磁轭式分段绕组型的 结构是把励磁线圈分成若干个小线圈，然后把它们串联一起，安装在测量管上、 下侧，外面用电工硅钢片制成的半圆形磁轭，把线圈紧箍在测量管上。所以，这 种形式的励磁结构紧凑，适合中、大口径传感器。 随着非均匀磁场电磁流量计理论的出现，权重转换磁场应运而生。于是，就 出现了菱形、鞍状线圈、圆筒形线圈、方形平面线圈以及短矩形、鞍状线圈等。 短矩形、鞍状励磁线圈适用于中等口径和大口径传感器，圆筒形线圈的结构被用 于小口径传感器。 1 4 电磁流量计信号处理技术的发展现状 在现代高科技的渗透下，现代信号处理技术的应用是消除干扰、改善信噪比、 提高流量测量的精度和稳定性的一个重要途径。国外研究者曾提出不少方法信号 处理水平来消除干扰，如提高采样速率消除低频干扰【8 】、通过实时补偿消除工频 干扰【9 1 增加采样次数消除泥浆干扰【1 0 】等。但这些信号处理的方法只适用于消除特 定干扰的影响，不能全面地提高电磁流量计综合性能。基于微处理器技术和智能 化技术，电磁流量计的发展要求信号处理技术从系统的角度出发，提高信号生成、 信号获取和信号放大等各个环节的综合水平。 1 4 1 反馈式信号处理技术 在电磁流量计技术中，一般地，如果励磁频率高，则动态响应快、流动噪声 和泥浆干扰影响小，但零点不稳定；如果励磁频率低，则动态响应慢、流动噪声 和泥浆干扰影响大，但零点较稳赳1 1 】。现代电磁流量计从改进信号放大处理方 法出发，采用反馈式信号处理技术解决零点稳定性和动态响应的矛盾关系，减小 各种干扰对检测的影响，提高电磁流量计的整体性能。 反馈式信号处理技术的设计思路是除前向通道外，在信号处理环节中加入信 号反馈通道构成闭环系统，实现对流量信号的负反馈补偿，以消除零点漂移、泥 浆噪声等各种干扰的影响。近十年来，人们不断地设计出反馈信号处理方法的电 磁流量计。 早期的反馈式信号处理技术显著的特点是反馈信号从信号放大输出端直接 取得、按励磁频率或在特定的条件下进行信号反馈。由于设计方法的缺陷，这些 反馈式信号处理方法在放大信号、动态消除零点漂移及其它干扰等方面的效果并 9 上海大学硕士学位论文 不明显，不能从根本上提高电磁流量计整体性能。 后来提出了零点漂移反馈法，其特点是通过两个采样保持器输出端上两个电 阻的中点电压来获取零点漂移值，反馈回放大器输入端对流量信号进行补偿。在 流量稳定的情况下，零点漂移反馈法可使用最小励磁周期( 工频周期的1 倍) ， 并能在动态消除零点漂移的情况下有效地放大感应电势信号。但当流速变化时， 零点漂移反馈经多个励磁周期才能达到应有的响应值，其对信号的动态响应时间 一般至少是对应励磁周期的3 倍。零点漂移反馈法另一个缺陷在于当外界干扰或 零点漂移过大，使运放输出电压饱和，则会出现反馈信号为零无法消除零点漂移 的情况。 1 9 9 9 年，李斌结合了早期反馈式信号处理方法和零点漂移反馈法的各自优 点，提出了一种基线控制的反馈式信号处理方法【1 2 】【1 3 】。基线控制信号处理法将 矩形负( 或正) 恒定励磁段下的某个信号值作为信号的相对基线值，经放大器放 大后直接送入基线调节器与期望基线值进行比较，实现以基线为标准的平移控 制。放大后的信号经过两个采样保持器的操作输入到差分减法器实现高精度减 法，最终获得精确的流量信号。基线控制法能在消除零点漂移的基础上，采用较 高励磁频率实现电磁流量计高动态响应的特性，同时又有效地放大了信号，使低 励磁电流下的测量也具有较高的信噪比。 1 4 2 反馈式励磁控制技术 基于电磁感应原理，在外加磁场的作用下反映流量值的电信号才能生成。以 往，电磁流量计的设计往往采用在励磁线圈中加大小恒定电流的方法来形成励磁 磁场。当励磁电流大，磁场增大，感应电势信号大，信噪比提高，但功耗大，反 之则功耗减小，感应电势信号减小，信噪比降低。然而电磁流量计的本质安全防 爆问题又限定了励磁电流增大的上限，因此在小流量测量时，电磁流量计的信号 处理存在极大的困难。 随着微处理器技术的发展，在现代电磁流量计中人们采用基于微处理器的 励磁控制方式，即把检测到的流量值或磁场场强值送入微处理器并由微处理器根 据检测值来控制励磁电流，保持测量的信噪比为一个常数或在一定范围内波动。 国内在9 0 年代初就有采用p m 反馈控制法和滑模变结构法实现反馈式励磁控制 的电磁流量计【l l 】，但精度较低；国外专利提出过各种反馈式励磁控制技术的设计 l o 上海大学硕士学位论文 方法【1 4 】【1 5 】【1 6 】。 为了消除零点漂移，国外专利给出了一种采用反馈式励磁控制技术【1 7 1 。励磁 磁场改变方向后，穿过测量电极、导线和导电流体构成的传感回路的磁力线会使 测量电极上有感应电势产生，这是形成了零点漂移的根本原因。传感回路通常不 垂直于测量管道轴向而且经常变动。该专利在原来励磁线圈的基础上增加两对小 线圈，通过分析检测到的流量信号，微处理器动态调节两对小线圈生成磁场的大 小，使这个磁场与励磁线圈磁场的矢量和与传感回路平行，避免有磁力线穿过传 感回路，从而达到消除零点漂移的目的。同时这两对小线圈生成磁场矢量和与流 动方向平行，对流量测量不会带来干扰。 综上所述，采用反馈式励磁控制技术对于改善信噪比、减小信号处理的难度、 降低系统的平均功耗是非常有帮助的。测量精度的提高和反馈控制策略的选择是 反馈式励磁控制电磁流量计推广应用亟需解决的问题。 1 4 3 多信息融合的信号处理技术 除了从闭环系统的角度出发采用反馈式控制的方法，基于多信息融合信号处 理技术的提出和应用提高了电磁流量计的信号处理能力，使电磁流量计的整体性 能又上升了一个台阶。 在现代电磁流量计中，典型的多信息融合信号处理技术的应用就是双频矩形 波励磁技术。针对低频矩形波励磁零点稳定而高频矩形波励磁动态响应好抗干扰 能力强，日本横河电机株式会社于1 9 8 8 年提出了双频矩形波励磁技术【1 8 】。国内 也开展了类似原理电磁流量计的研究工作【l9 】。其原理是使用高频矩形波电压( 几 十赫兹) 叠加到低频矩形波电压( 几赫兹) 后形成双频调制的矩形波来驱动励磁 线圈。测量电极输出高低频两种信息融合的感应电势信号，分别使用高、低频信 号放大解调电路对信号进行解耦处理。当流量稳定时，以低频分量为主的流量信 号被高通滤波器阻挡，只能通过低通滤波输出，因而具有较好的零点稳定性；当 流量变化时，以高频分量为主的流量信号被低通滤波器阻挡，只能通过高通滤波 输出，因而具有较好的动态响应性能。双频矩形波励磁技术通过对高、低频励磁 产生的两类相互融合的感应电势信号进行分解处理，解决了零点稳定性和动态响 应速度的矛盾关系。但双频矩形波励磁技术还存在以下值得探讨的问题： 1 信号解耦处理环节，当流量波动，低通滤波和高通滤波同时有信号输出时， 上海大学硕士学位论文 如何对两种频率的感应电势信号进行融合处理，以保证测量的精度。 2 高频率的励磁电流使矩形波励磁磁场产生失真现象，尤其是在测量管道口 径增大的情况下【2 0 1 。 自双频矩形波励磁技术提出以后，国外又出现了几种不同形式的双频或多 频励磁技术，例如，w a d a 提出在双频励磁电磁流量计中用一个励磁线圈进行低 频励磁，用一个安装高质量铁芯的高频励磁线圈消除高频励磁磁场失真的情况 【1 8 】；t 0 m 妇采用一个励磁线圈高、低频( 或三个频率) 励磁电流间隔励磁生成 高频和低频感应电势信号，通过放大、采样保持及c p u 综合处理得到精确的流 量信号，能起到消除零点漂移和流动噪声的作用【2 1 1 。 多电极电磁流量计也是一种多信息融合技术的应用。通过在测量管道中安 装多对测量电极，可以获取管道中各处的流量信息，实现不受流速分布不均影响 的流量测量。国外在这方面有较多的报道【2 2 】【2 3 】。但多电极电磁流量计的检测器 结构复杂，而且一般地可以加上直管端来减小流速分布不均对测量的影响，因此 多电极电磁流量计在实际使用中并不多见。 在提高电磁流量计性能的基础上，多传感器集成式电磁流量计的出现可以实 现多参数、多信息的测量，拓展了电磁流量计的应用领域。参考文献 2 4 】给出了 一种集成式浆体浓度流量传感器，可以取代目前工程应用中配置多种测量仪表测 量浆体浓度和流量的方法。通过在电磁流量计电极上集成超声波浓度传感器和温 度传感器实现浆体流量、浓度和温度三参数的测量，并在消除流量信号和浓度信 号互耦合和互干扰的基础上，对流速、浓度和温度进行修正，提高浆体浓度流量 的检测水平。 1 5 论文研究内容及编排 1 5 1 本课题研究内容 励磁和信号处理技术是衡量电磁流量计性能的两个关键技术，电磁流量计的 测量精确度和稳定性与两者密切相关。 本论文针对以上两个关键技术，分别从励磁磁场和信号处理技术的改进两个 方面进行了研究。 非均匀磁场电磁流量计的出现可以实现传感器的小型化，可用来测量非对称 流的流量。其设计的核心是，使非均匀磁场的磁场强度和权重函数的乘积为一常 1 2 上海大学硕士学位论文 数，也就说通过该非均匀磁场运动的每一个流体微元所产生的感应电动势的大小 相同。权重函数仅与测量管及电极的形状和大小有关，许多文献已对各种测量管 及电极的权重函数作了详细推导【2 】【2 5 1 。这里重点分析电磁流量传感器励磁线圈的 磁场分布。 寻找一种简单实用的磁场计算方法是进行研究的必要前提。本论文从矩形平 面励磁线圈在测量管道内磁场分布的解析算法出发，给出了计算矩形鞍状励磁线 圈在测量管内的磁场分布的一种折线近似算法；最后通过实验证明，这种折线近 似法是一种简单可行的算法。 利用折线近似算法对不同形状和不同尺寸的励磁线圈的磁场分布情况进行 对比，并进行分析优化，最后获得性能最优的励磁线圈的尺寸和形状。 基线控制的反馈式信号处理方法是结合了早期反馈式信号处理方法和零点 漂移反馈法的优点提出的。基线控制法能在消除零点漂移的基础上，采用较高励 磁频率实现电磁流量计高动态响应的特性，同时又有效地放大了信号，使低励磁 电流下的测量也具有较高的信噪比。 c 8 0 5 l f 0 6 0 是高度集成的片上系统混合信号单片机，片内集成了两个1 6 位 1 m s p s 的a d c 、两个1 0 位2 0 0 心p s 的d a c 和八个l o 位a d c ，完全可以满足 电磁流量计信号处理系统的应用需求，不需要再另外扩展模拟外设。此型号单片 机采用与8 0 5 l 兼容的c 口5 l 内核，有多达5 9 个数字i o 口，使用方便，功能 丰富，为系统设计提供了极大的便利。 本论文的主要内容之一就是采用基线控制的反馈式信号处理方法，基于混合 信号单片机c 8 0 5 l f 0 6 0 ，开发电磁流量计的信号处理系统，利用d a c 的定时更 新作为反馈信号消除信号的零点漂移，完成流量信号的采集、放大和滤波。 1 5 2 论文编排 本论文共分六章，后续章节安排如下： 第二章介绍了电磁流量计的磁场理论基础权重函数的物理意义和实际 应用，并在权重函数理论的基础上引入非均匀磁场电磁流量计，详细阐述了其磁 场设计思路。 第三章提出了计算电磁流量传感器鞍状励磁线圈磁场分布的计算方法 折线近似法；并通过实验证明了，这是一种简单可行的算法；利用此算法对不同 1 3 上海大学硕士学位论文 形状不同尺寸的励磁线圈的传感器性能进行分析比较。 第四章从电磁流量计信号处理中要解决的问题入手，针对比较困难的零漂消 除，介绍了基线控制的反馈式信号处理方法；并且给出了基线控制法新的实现形 式，这部分是信号处理系统设计的原理。 第五章信号处理系统的设计，是本论文的核心组成。先从需求分析的角度以 模块化的形式介绍了系统的整体设计思路；然后分别从硬件和软件两个方面，就 设计中的关键技术和重点难点问题的研究，做出介绍和总结；最后是该系统的实 验及结果分析。 第六章是本文的总结，指出了研究内容的不足，并针对有待完善的研究内容 和方向，提出了下一步的工作展望。 1 4 上海大学硕士学位论文 第二章电磁流量计的非均匀磁场理论 本章主要内容： 电磁流量计权重函数的引入 非均匀磁场电磁流量计 非轴对称流条件下的磁场设计 2 1 电磁流量计的权重函数 根据电磁流量计的原理，把在管道内流动的导电液体流动看成是导体的运 动，当管道置于磁场内，在与磁场方向、管道的中心轴、管道的直径三者相互垂 直的管道位置，装两个与液体相接触的电极，那么，管道的直径可以看成导体的 长度，液体相对于电极流动，这样就可以看成导体在磁场内做切割磁力线运动， 这时候两电极能够感应出电动势来。 实际的情况是磁场只能在有限范围内磁感应强度b 相对均匀分布。而且对于 空间中质点的速度分布并非处处相等，质点运动的速度也是矢量。这样看来，导 电流体在磁场内流动产生感应电动势远比一般导体在磁场内作切割磁力线运动， 导体两端产生电动势的情况复杂的多。因此，必须从微观上去认识电磁流量计是 如何工作的。根据电磁场的理论基础麦克斯韦方程组，电磁流量计的基本微分方 程： v 2 u = 眈万 ( 2 1 ) 假设方程的边界条件，可求得两电极间的感应电势【5 】： 五= 三f f - “，口泗( ，p 步矿( ，秒 矗柑口( 2 2 ) r 死o o 式中 删小喜( _ 1 ) “；c o s 2 肌而老褊， t l “ 口。+ = z 口一i 工一一y 一卜卜i 石+ y j w 被称为权重函数，图2 1 所示电极断面二维情况的权重函数。 1 5 上海大学硕士学位论文 图2 1 权重函数 2 1 1 权重函数的物理意义 对于公式( 2 2 ) 表明，传感器两电极间的电位差由处在工作磁场中的测量 管内所有流体微元感应电势的积分。由于讨论的磁场是均匀磁场，磁感应强度为 恒值，取圆管轴向方向的平均流速为v ，可以得到流体微元的感应电势： 硒= 笳帆打( 2 4 ) 这里，d f 为测量管道中的某一点的微元体积，d f = 出咖出。公式说明权重 函数能够表示工作磁场中的有效区域内任何微小流体微元切割磁力线所产生的 感应电势对两电极间的电位差所起的作用大小。反过来说，即使磁场和流速场在 测量管圆周管道内处处相等，测量管道的不同位置的流体微元切割磁力线产生电 动势也不会等同地贡献给两电极产生流量信号。这就是说，权重函数是描述有效 区域内各产生的电动势不能全部贡献给电极间流量信号，而由几何位置所造成的 衰减系数。图2 1 所反映的是在二维情况下圆管道断面内的等势线。从对权重 函数的分析中，就能够解释圆周内接近管壁的流速等于零，安装在管壁上的电极 反而可以拾取流量信号的原因了。 权重函数是一个与测量管尺寸、几何形状( 包括电极) 有关的空间函数。它 与流速场、磁场分布状态无关。它所反映的是测量段电场的电位分布。 2 1 2 权重函数的实际应用 权重函数是对电磁流量计信号静电场分布的数学解析提出来的。它的存在使 我们能够从理论上认识电极间感应的流量信号的本质，通过权重函数能够把电磁 1 6 上海大学硕士学位论文 场和流速紧密地联系起来。因此，研究权重函数不仅仅是为了认识它，更重要的 是掌握它，应用它。 有了权重函数理论，可以指导设计出不受流速分布影响，或者受流速分布影 响较小的电磁流量传感器结构，最大限度地发挥电磁流量计对流速分布不敏感这 一优点。当然，利用权重函数的理论，也可以开发电磁流量计新的产品和开拓新 的使用领域。非满管电磁流量计的测量原理，就是流体在管道内的不同液面下， 依据不同的权重函数产生信号的不同来检测流速和流体截面积，从而测量流量。 2 2 非均匀磁场电磁流量计2 6 】【2 7 l 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，非均匀磁场 电磁流量计应运而生。 现今世界各国生产的工业用电磁流量计，其传感器励磁磁场绝大多数是属于 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一个流体微元所 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 1 7 上海大学硕士学位论文 艺水平的限制，理论设计结果难于实现，使得6 0 年代就己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，非均匀磁场才 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。 2 3 非轴对称流条件下的磁场设计 引入权重函数的概念，感生电动势可表达为【5 】： ， 一、 e = 上悸形j 甜矿 ( 2 - 5 ) 式中：矿为测量管的容积，旷为权重函数。 为解决流体流速场分布对测量精度的影响，在六十年代末试制了非均匀磁场 型电磁流量传感器【5 】。如果使测量管内各点的 败曰，= 常数 ( 2 6 ) ( 如图2 1 ，职为权重函数廖在石轴方向的分量，毋为磁场雪在y 轴方向的分量) 则电极间产生的感生电动势与流体速度分布无关而只和流量成正比【2 引。 权重函数仅与测量管及电极的形状和大小有关，在测量管道和电极已定的情 况下，可以改变传感器励磁线圈的形状和尺寸获得不同的励磁磁场。 我们设想，对圆形管道传感器磁场能够按照 召= ( 2 - 7 ) 规律分布( b o 为电极所处截面中心处的磁感应强度) ，即权重函数w 值大的地 方，设计的磁感应强度b 弱一些；而w 小的地方，设计的磁感应强度b 强一些， 如图2 2 所示。 电 权重函数矿 极电 磁感应强度8 图2 2 权重分布磁场 1 8 极 上海大学硕士学位论文 由此可见，在这样的分布规律磁场的圆形管道中，点电极间的感应电势与断 面的流速积分值成正比，而与断面内的速度分布无关。也就是说，按权重函数磁 场分布规律的传感器，在流体速度改变时，感应电势只与流速积分值成正比，而 与速度的分布无关。这就是“非均匀磁场电磁流量计”的设计思想。 2 4 小结 本章引入电磁流量计的磁场理论基础叔重函数，详细介绍了其物理意义 和实际应用。权重函数理论是非均匀磁场电磁流量计设计的核心依据。 非均匀磁场电磁流量计的可以实现传感器的小型化，可用来测量非对称流的 流量。其设计的核心是，使非均匀磁场的磁场强度和权重函数的乘积为一常数。 这也就是非轴对称流条件下磁场设计要遵循的原则。 权重函数仅与测量管及电极的形状和大小有关，在测量管道和电极已确定的 情况下，可以改变传感器励磁线圈的形状和尺寸获得不同的励磁磁场。本章内容 为励磁线圈对励磁磁场性能的影响的研究提供了理论依据。 1 9 上海大学硕士学位论文 第三章电磁流量传感器励磁线圈与励磁磁场的研究 本章主要内容： 提出电磁流量传感器鞍状励磁线圈磁场分布的计算方法 折线近似法的正确性验证 励磁线圈的磁场性能优化分析 3 1 电磁流量传感器鞍状励磁线圈磁场分布的计算 目前，工业用电磁流量传感器采用最广泛的是矩形鞍状励磁线圈。近年来的 文章中没有涉及这种线圈产生磁场的计算方法。 本节从矩形平面励磁线圈的磁场计算方法出发，提出一种计算矩形鞍状励磁 线圈磁场分布的方法一折线近似法。 3 1 1 矩形平面励磁线圈的磁场计算 如图3 1 所示为矩形励磁线圈的筒形流量计示意图。取直角坐标系如图3 - 1 ( a ) 所示。箭头表示电流的方向，两个矩形线圈i 、1 1 分别放置在x 轴方向与测量管 道外切。 zjl l lt j r ( ” 图3 1 矩形平面励磁线圈筒形流量传感器示意图 设矩形线圈的长( 平行于y 轴的边) 为l ，宽为k l ，如图3 - l ( b ) 所示。 线圈各边上的电流元g g ，刁，f ) ，其中参玑f 分别为电流元在x 、y 、z 方向上的 坐标。 空间任意一点p ( x ，y ，z ) ，p 点到矩形各边上的电流元q 的距离为： 2 0 上海大学硕士学位论文 ，；：瓜习可i 再石万；( i = 1 8 ) ( 3 1 ) 由此可得，线圈各条边上的电流在p 点产生的电流矢势分别为【2 9 】： 五：吾犀= 粤j 譬； ( 3 2 ) c 。，：c o ，： 其中：i - 1 8 ，f 为变化量，i 一4 为线圈i 各条边沿电流方向的矢量，己一i 为线圈i i 各条边沿电流方向的矢量( 如图3 - 1 所示) ，瓦一毛。分别为i 一己的单 位矢量，c 为常数。 p 点的合成电流失势为： 么= 4 一i j = l ( 3 3 ) 设a i 在x 、y 、z 轴上的投影分别为a i x 、a i v 、a i z 。p 点的磁场强度及其在x 轴向的分量为： 青：r d 历 致= 等一警= 喜( 等一警) 。川 因为线圈和流体都在非磁性物质中，导磁系数为，于是可得： 见确卫铂( 等一警) - 熊喜( 等一警) 侉5 ， 从而给定线圈的尺寸( l 和k ) 就可以根据式( 3 5 ) 得到圆筒内的磁场分布 情况，本文利用m a t l a b 来做出磁场强度分布示意图。令b x 在坐标原点上的值等 于1 ，图3 - 2 所示为l = r = 1 0 0 ，l 闻7 时z = o 截面上磁场强度b x 的分布曲线。 图3 2 矩形平面励磁线圈在测量管内产生的b x 的分布曲线图 2 l 上海大学硕士学位论文 3 1 2 矩形鞍状励磁线圈的磁场计算 通常为了缩小电磁流量传感器的体积，需要把励磁线圈贴向管壁，就形成了 图3 3 所示的矩形鞍状励磁线圈。这也是现代工业电磁流量传感器最常采用的一 种线圈形式。 ， r 。1 。 0j h ( 8 ) zji l 艮 j r 0- j r 1 一 口 ( b ) 图3 3 矩形鞍状励磁线圈筒形流量传感器示意图 在计算时，矩形鞍状线圈要比平面线圈复杂的多。这里本文提出了折线近似 鞍状圆弧的方法，在矩形平面励磁线圈磁场的解析算法的基础上，利用m a t l a b 进 行磁场分布的计算。 如图3 _ 4 所示，用n 条等长的折线来近似线圈的鞍状曲边( 通常取n 为奇数) 。 这样鞍状曲边在圆筒内产生的磁场就可以近似为这n 条等长折线分别产生磁场 的矢量和。同矩形平面励磁线圈的磁场计算方法，把线圈的各个边矢量叠加，就 可以得到矩形鞍状励磁线圈的折线近似磁场分布。 v 厂。 、。 t l 、， 。厂 。 k 图3 4 矩形鞍状励磁线圈在冽平面的折线近似 ( 一) 矩形鞍状励磁线圈鞍状曲边的折线近似 一般，可以按照矩形平面励磁线圈的磁场计算方法，先把各边的方程写出， 上海大学硕士学位论文 然后根据电动力学的公式求取解析解。但是由于多数折线与y 坐标轴不平行，写 出的直线方程自然较之平面线圈复杂，求电流矢势时做积分运算会遇到很大的困 难，甚至不可积。 经过比较，本文采用的方法是用n 条等长线段产生磁场的矢量和来近似鞍 状曲边产生的磁场。与y 轴平行的折线产生磁场计算方法同上，而与y 轴成一定 角度的折线产生的磁场采用转轴的方法来计算。 取n = 5 来说明计算过程。假设l = 1 2 5 ，k 印7 ，则每段折线的长度1 = u n 2 5 。 如图3 4 所示，把整个线圈分为n = 5 个部分来计算。 渤 w ( d ) 图3 5 矩形鞍状线圈磁场的折线近似 值得注意的是，第1 、2 、4 部分均仅包含2 组横边( 平行于x o y 平面的对边， 即线圈鞍状边的折线近似边) ，而不包含纵边( 垂直于x o y 平面的对边) ；第3 和 第5 部分包含1 组纵边和2 组横边。 图3 5 ( a ) 为第一部分产生的磁场，图3 5 ( b ) 为第2 部分产生的磁场。比 较两图可以发现，( b ) 恰好是( a ) 顺时针方向旋转了一个角度，这也验证了转 轴法的正确性。 上海大学硕士学位论文 图3 5 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别描述了单部分产生的磁场，把5 部分产生的磁场 矢量叠加，就得到了图3 5 ( d ) 的磁场形式。这就是矩形鞍状励磁线圈的五折线 近似磁场分布。 值得一提的是，如图3 5 ( c ) 所示，边缘处的磁场出现了部分负值，即部分 磁场产生了反向。假设给线圈通以顺时针方向电流，则在第3 部分和第5 部分产生 的磁场中纵边的左侧，纵边产生的磁场