（检测技术与自动化装置专业论文）电容式电磁流量计信号转换器的研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 电磁流量计由于具有结构简单、无压损、测量精度高、量程宽等特点，已经 在工业领域得到了广泛的应用。电容式电磁流量计是一种比较特殊的电磁流量 计，它通过电容耦合方式实现流量信号的非接触测量，除了具有普通电磁流量计 优点外，由于其电极与被测流体的非接触性，还能对泥浆混入型、附着型、强腐 蚀性以及低电导率等传统电磁流量计难以测量的流体进行测量，具有更广阔的工 业应用前景。然而，这种非接触测量的电磁流量计，由于耦合信号微弱，信噪比 很低，对传感器和信号转换器的开发设计提出了更高的要求。 本文在查阅相关文献基础上，结合实验室已有研究成果，研制了一套具有高 信噪比的电容式电磁流量计信号转换器样机。本文的主要研究工作如下： 1 通过分析电容式电磁流量计的信号特点，提出了一种矩形波励磁方式下 的流量信号互相关处理方案，并设计了一种改进的旋转电容滤波方式实现流量信 号的互相关检测，该方式既能有效地检出高噪声条件下的微弱信号，又能保持较 为稳定的零点。 2 研制了一套基于a r m 微处理器的电容式电磁流量计信号转换器样机，设 计了以旋转电容滤波器为核心的信号处理电路，采用高性能a d 转换器提高测 量精度，以复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 实现信号处理电路的同步时序控制。 同时信号转换器还包括励磁模块、人机接口和通信模块等。 3 利用研制的电容式电磁流量计样机进行了油水两相流测量的实验研究， 结果表明，电容式电磁流量计在油水两相流中的测量性能优于普通电极式电磁流 量计。 关键词：电磁流量计，信号转换器，互相关检测，旋转电容滤波，两相流 浙江人学硕士学位论文 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 rh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r y , d u et o i t ss i m p l es t r u c t u r e ，n op r e s s u r el o s s e s ，h i g ha c c u r a c ya n dw i d em e a s u r e m e n tr a n g e c a p a c i t i v e l y c o u p l e de l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ( c e m f ) i sas p e c i a le l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r , w h i c hd e t e c t st h ef l o w r a t es i g n a li nt h ec a p a c i t yc o u p l e dm o d e b e s i d e so f t h ec o n v e n t i o n a lf e a t u r e s t h ec e m fc a na l s ob eu s e dt om e a s u r et h ef l o w r a t eo f l i q u i d ss u c ha sh i g h c o n c e n t r a t i o ns l u r r yf u i d s a d h e s i v ef l u i d s c o r r o s i v ef u i d sa n d l o w c o n d u c t i v i t yf l u i d s b e c a u s eo fi t sn o n c o n t r a c tm e a s u r e m e n tc h a r a c t e r t h o s e l i q u i d sc a nn o tb em e a s u r e db yo r d i n a r ye l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r t h u st h ec e m f h a sm o r ea p p l i c a t i o nf i e l d h o w e v e r , i t sd i f f i c u l tt op i c ku pt h ef l o w r a t es i g n a li nt h i s k i n do ff l o w m e t e r , b e c a u s et h ec o u p l e ds i g n a li st o ow e a kc o m p a r e dw i t ht h en o i s e t h e r ea r em o r ed i f f i c u l t i e sa n dh i g h e rr e q u i r e m e n ti nt h ed e v e l o p m e n to ft h ec e m f s e n s o ra n ds i g n a lc o n v e r t e r b a s e do np r e v i o u sw o r k sa n dt h er e l a t e dl i t e r a t u r e s ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ec e m fs i g n a lc o n v e r t e rw i t hh i g hs i g n a l t o - n o i s e r a t i o t h em a i nw o r k sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 w i t ht h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e m fb e i n ga n a l y z e d ，an e w c r o s s c o r r e l a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o df o rt h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rw i t l l r e c t a n g u l a rw a v ee x c i t a t i o ni sp r o p o s e d ，a n da ni m p r o v e dr o t a r yc a p a c i t o rf i l t e ri s d e s i g n e dt or e a l i z et h ef l o w r a t es i g n a lc r o s s c o r r e l a t i o nd e t e c t i o n t 1 1 i sm e t h o dc a n e f f e c t i v e l yd e t e c tt h ef l o w r a t es i g n a lu n d e rs t r o n gn o i s eb a c k g r o u n dw h i l ek e e p i n g l o wz e r od r i f t 2 ac e m fs i g n a lc o n v e r t e rp r o t o t y p eb a s e do na r mp r o c e s s o rh a sb e e n d e v e l o p e d t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ti sd e s i g n e dw i t l lt h er o t a r yc a p a c i t o rf i l t e ra s t h ec o r ep a r t , a n da d o p t sah i g h - r e s o l u t i o na dc o n v e r t e rt oi m p r o v ep r e c i s i o n a c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) i su s e dt oi m p l e m e n tt i m el o g i c a lc o n t r 0 1 t h es i g m a lc o n v e r t e ra l s oi n c l u d e se x c i t a t i o nc i r c u i t m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l e 3 u s i n gt h ec e m fp r o t o t y p e ，a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri nt h eo i l w a t e rt w o p h a s ef l o wi si m p l e m e n t e d 1 1 l e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec e m fi sb e t t e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri n t h e o i l w a t e r t w o p h a s e f l o w m e a s u r e m e n t 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 r n e t e r , s i g n a lc o n v e r t e r , c r o s s c o r r e l a t i o nd e t e c t i o n ， r o t a r yc a p a c i t o rf i l t e r , t w o - p h a s ef l o w 浙江大学研究生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。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，也不包含为获得逝姿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： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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：导师签名： 签字日期：年月日签字日期： 年月 日 浙江大学硕l 二学位论文 致谢 光阴似箭，两年的研究生学习生活即将结束。值此论文完成之际，衷心感谢 我的导师杨丽明副教授在我攻读硕士研究生期间给予的关心和帮助，她严谨的治 学风范、踏实的工作态度以及广博的学识都令我终身难忘，受益匪浅。在导师的 悉心指导下，我不仅学到了丰富的知识，更学会了如何做人，如何处理事情，这 将使我受益终身。 同时特别感谢导师王保良副教授，我的课题是在他的具体悉心指导下完成 的，他踏踏实实、兢兢业业的工作科研作风和在硬件设计上深厚的功底，让我深 深折服。在整个课题设计期间，王老师更是倾注了大量的精力，在我遇到困难时 一直给予指导和启发，使得课题任务能顺利完成，他的耐心讲解和悉心指导使我 在潜移默化中养成了良好的硬件设计习惯，更进一步培养了我独立开展科研工作 的能力，使我获益匪浅。 还要衷心感谢黄志尧教授对我的精心指导和无私帮助，感谢李海青教授，冀 海峰副教授，在学习生活上给予的关心和照顾。衷心感谢实验室的李强伟博士、 彭珍瑞博士、罗元国硕士、李霞博士、刘亦安博士、彭佩星硕士等师兄师姐的支 持和帮助。感谢孟振振博士、郑伟军硕士、胡松钰硕士、张金章硕士、李力硕士、 苏瑞东硕士、贺贞贞硕士、姜娓娓硕士、任平平硕士，我们在一起度过的美好日 子让我终身难忘。其中还要特别感谢罗元国师兄在本课题中前期所做的研究工 作，感谢孟振振博士、郑伟军硕士、胡松钰硕士和张金章硕士，在我调试电路、 做实验时对我的帮助。 最后，要衷心地感谢我的父母，是他t o i - 十多年来始终无私的支持和付出， 才有我今天所取得的学业成就，在此表示深深感谢。 再次感谢所有关心、爱护和帮助过我的人! 卢国峰 2 0 0 8 年6 月 于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章概述 流量是工农业生产过程中极其重要的测量参数，与温度、压力、物位、成分 并称为过程检测的五大参数。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。在工业生产过程中，精确地计算出某 一时刻流体的瞬时流量和在一段时间间隔内的累积流量，是指导生产、规范工艺 操作的需要和进行经济核算的重要依据。 然而，流体流量的检测要比温度、压力等其它参数检测困难得多。其原因在 于，流量这个参数受输送流体的工作条件如压力、温度、流体状态、流体的种类、 形状等参数的影响伫1 。要达到正确测量的目的，必须采用不同的测量手段。为满 足工业生产的各种需要，利用不同测量原理的流量测量方式应运而生，主要有以 下几类：利用伯努利方程，通过流体差压信号反映流体流量的差压式流量计，如 孔板、文丘里管等；利用测量流速间接测量流量的，如电磁流量计、转子流量计， 超声流量计等；利用标准容积对流量进行测量的，如椭圆齿轮流量计、旋转活塞 式流量计和刮板流量计等；直接测量流体质量的质量流量测量方法，如科里奥利 力质量流量计口1 。 在各种测量原理的流量计中，目前市场占有比率最大的是差压变送流量计， 然后是电磁流量计，容积式流量计，涡街流量计。近些年，以电磁流量计、涡街 流量计的发展较快，差压变送流量计的比率在不断下掣引。 电磁流量计之所以能够快速发展，广泛地应用于工业生产中，原因在于，与 其他流量仪表相比，电磁流量计具有一些突出的优点，如传感器结构简单，无可 动部件，无阻碍被测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；测量精度高，所测得的体积流量不受流体密度、温度、压力、粘度、雷诺数 等影响；测量范围大，上限范围度为5 0 ：1 ；可以测量正、反双向流量，脉动流 量；使用可靠，维护方便，寿命长。 浙江大学硕 学位论文 然而，传统电极式电磁流量计对于低电导率液体、泥浆混入型流体、附着型 流体、强腐蚀性液体等的测量仍具有一定局限性，电容式电磁流量计较好地解决 了这些问题，进一步拓展了电磁流量计的使用范围，成为近年来电磁流量计领域 的一个比较重要的研究方向嘲。 1 2 电磁流量计简介 电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量 的仪表。自上世纪五十年代进入工业应用以来，随着材料科学、微电子技术和计 算机技术的飞速发展，以及理论研究的不断深入，电磁流量计性能得到不断完善， 目前已经发展成为一种技术成熟、应用广泛的体积流量测量仪表【6 1 。 1 2 1 电磁流量计的基本工作原理 1 8 3 2 年英国物理学家法拉第通过实验发现了电磁感应定律，即通过导体闭 合回路的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势，其大小与穿过回路的磁 通量变化率成正比，方向由楞次定律决定。根据楞次定律，感应电动势及其所产 生的感应电流总是力图阻止回路中的磁通痧的变化。因此，回路中感应电动势 最的大小和方向可表示成 e ：一塑( 卜1 ) 。 讲 其中，感应电动势的正方向与磁通的正方向符合弗来明右手定则，这就是法拉第 电磁感应定律。 在导体闭合回路中，磁通量变化的常见表现形式有两种：一种是导体在磁场 中作切割磁力线运动；另一种是导体在磁场中并不切割磁力线，但导体回路中所 包围的磁通量是交变的。电磁流量计主要是根据被测流体作切割磁力线运动所产 生的感应电动势与流速成正比的关系实现流量测量的，而导体回路所包围的磁通 量交变所产生的感应电动势则是产生正交干扰和同相干扰的根本原因，这一点将 在后文中进行介绍。 导体在磁场中作切割磁力线运动，导体两端就会有感应电动势产生，如果只 考虑感应电动势的大小，就可略去式( 1 1 ) 前面的负号，于是得到 浙江大学硕士学位论文 e ：塑：b d a ：bd d l ：b d v( 1 _ 2 )n = = = - 一j d t d td t 式中，b 磁感应强度( t ) ； 彳磁通量变化的面积( m 2 ) ； d 导体长度( m ) ； 讲一蚕动的距离( m ) ； ，运动速度( m s ) ； 最感应电动势( v ) 。 式( 1 - 2 ) 说明，当导体在磁场内作切割磁力线运动时，导体两端产生的感 应电动势的大小与磁感应强度b 成正比，与导体的长度d 成正比，与导体运动 的速度v 成正比。 电磁流量计的传感器就是基于上述原理制造的，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液体流柱，导体长度是两电极之间 的距离，检测电极的位置如图l l 所示，安装在管道直径位置上，与磁场方向、 管道中心轴构成三者相互垂直。当管内导电液体流动时，可以看作是长度为管道 直径的导体在做切割磁力线的运动，两个电极问将感应出电动势，其大小由式( 1 - - 2 ) 表示，当磁场强度b 一定时，感应电动势与管内的平均流速成正比。 图l l 电磁流量计传感器结构示意图 流过管道某断面的体积流量等于该断面的面积与平均流速的乘积，对于圆形 管道，体积流量为 9 = ；d 2 - ( 1 - 3 ) 将式( 1 - - 2 ) 代入式( 1 3 ) ，得 浙江大学硕十学位论文 g = z 4 d e b , ( 卜4 ) 也可表示为 巨= 一4 b n d 9 ( 1 5 ) j 一， 从式( 1 5 ) 可看出，当测量管内径d 和磁场的磁感应强度b 一定时，其 感应电动势e 与瞬时体积流量q v 成固定比例，而与其他物理参数无关，这也是 电磁流量计的最大优点。需要指出的是，上述公式是建立在以下假设的基础上成 立的，即： ( 1 ) 假设磁场恒定不变，而且是均匀分布的。 ( 2 ) 假设被测流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。 ( 3 ) 假设流体的电导率是均匀和各向同性的，且不受电场或流体流动的影 响。 ( 4 ) 假设被测流体是非磁性的，磁导率等于真空磁导率。 在实际工程应用中，通常通过标定来确定比例系数，以消除各种偏差影响。 电磁流量计除了能把流量信号变换成电信号的传感器外，还包括转换器。转 换器主要完成传感器输出信号的放大处理，流量积算，进行标准信号输出。同时， 为励磁线圈提供驱动电流。 1 2 2 电磁流量计的技术发展现状 目前电磁流量计在基础理论方面已经发展得比较完善，在技术方面，随着当 今科学技术的突飞猛进，不断有新科技、新工艺应用到电磁流量计的开发设计中， 使电磁流量计的性能不断提高，功能更加丰富，应用领域也不断扩大，具体表现 在如下几个方面： ( 1 ) 智能化程度提高：近年来，各流量计生产厂家不断将a r m 7 、a r m 9 等新型微处理器应用于其产品中，使电磁流量计的软件功能不断增强，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、电极沾污自诊断等新 功能不断加入【7 - 9 1 。较典型的如横河电机推出的a d m a ga x f 型电磁流量计，具 有电极被污染形成覆盖绝缘层的诊断示警功能，解决了应用于污秽液或浆液正确 4 浙江人学硕士学位论文 判断何时需要卸离管线清扫维护的问题；德国k r o h n e 公司的i f c 3 0 0 型电磁流量 计具有更多诊断功能，除诊断转换器自身电子元器件完好性外，还可诊断电磁流 量计传感器在运行环境变化后工作是否正常，如电极覆盖绝缘层、电极腐蚀或泄 漏、衬里变形、磁场下降等。同时能监控和诊断流体条件和环境条件的变化，如 液体电导是否过低、液体中气泡或颗粒含量状况以及外界磁场影响等【1 0 舶】。 ( 2 ) 励磁技术水平的提高：测量精度和零点稳定性对电磁流量计来说至关 重要，这些指标与流量计所采用的励磁技术密切相关。随着电子技术的发展，励 磁技术从直流励磁和交流励磁发展到低频矩形波励磁、三值低频矩形波励磁等技 术阶段。目前，低频矩形波励磁已成为国内外电磁流量计的主流励磁方式，新的 励磁方式也相继出现，如双频率励磁技术、频率可调的矩形波励磁技术、脉冲交 流励磁技术等【1 4 1 。其中以德国m e s s t e c h n i k 公司推出的脉冲交流励磁技术效果最 为突出，应用该技术制作的电磁流量计，其检到的流量信号幅值为通常矩形波励 磁仪表的1 0 倍，且具有较高的信噪比。另外，传感器和励磁线圈设计也不断得 到优化，波兰学者a m i c h a l s k i ，s w i n c e n c i a k 和j s t a e z y n s k i 等人，采用有限元 分析方法，对明渠电磁流量计传感器及励磁线圈进行2 d 和3 d 建模，在磁场快 速减小的区域较好地消除了磁场边缘效应产生的误差影响，并做出了电磁流量计 传感器设计的g u i 软件【1 5 17 1 。 ( 3 ) 信号处理能力的增强和测量误差的减小：电磁流量计经降低励磁电流、 改进传感器结构及磁通分布密度，可实现小型、轻量一体化的目标。但是，这样 会使液体单位流速所产生的感应电动势变小，对于不同的测量介质流量传导内阻 也会产生很大变化，从而增加了信号处理的难度。随着微电子技术和计算机技术 的进步，各电磁流量计生产厂家纷纷采用了高性能的集成电路和现代电子设计技 术来提高信号放大处理精度、补偿检测误差，以克服传感器、励磁电流等方面改 进所带来的弊端，大大加快了流量计的发展速度i l 引。 ( 4 ) 系统开放性的提高：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、仪表间的互联及系统组网，更有利于操作和维护。随着c a n 、h a r t 、 m o d b u s 等各种现场总线技术被应用到电磁流量计中，使电磁流量计融入到了 现代工业控制系统中1 1 9 2 1 1 。 5 浙江人学硕士学位论文 1 2 3 电磁流量计的主要研究方向 目前，国内外的学者和生产厂家关于电磁流量计的研究主要在以下几个方 面： ( 1 ) 非均匀磁场电磁流量计。现今世界各国生产的工业用电磁流量计，其 传感器绝大多数采用均匀磁场激励，这类传感器不仅体积大，而且难以准确测量 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，使得空间各点的磁场强度和权重 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) 的乘积为一常数，即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等，因此流量测量不受流速分布影响。但由于非均 匀磁场的传感器励磁线圈设计涉及繁琐而复杂的数学推导，而且受工艺水平的限 制，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 2 1 。 ( 2 ) 多电极电磁流量计。由于非均匀磁场电磁流量计研究进展缓慢，研究 人员又提出了另一种解决非轴对称流型流体测量问题的方法，即采用多对电极、 多对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，同时在非满管流量测量中也有一定的应 用【2 2 ，2 3 1 。从上世纪8 0 年代开始，国内外许多学者对多电极电磁流量计进行了理 论上和工程上的研究，并取得了不少成果【2 4 - 2 9 。 ( 3 ) 电容式电磁流量计。电容式电磁流量计是通过电容耦合的方式来检测 流量信号，实现了真正的非接触式测量，同时具有低电导率流体的测量能力，能 适用于一些普通电磁流量计难以胜任的场合，有着广泛的工业应用前景，因此也 成为近年来电磁流量计领域的一个研究热点。 1 3 电容式电磁流量计综述 传统电磁流量计虽然在工业中得到了广泛的应用，但在某些领域还有一定 的局限性。例如当流体中含有泥浆类杂质时，由于电极与流体接触，流动的泥浆 冲击电极，会发生电解作用，从而产生杂波干扰信号；当流体介质具有附着性时， 电极表面容易被物质附着，使输出变得不稳定；而强腐蚀性的液体也会腐蚀检测 6 浙江人学硕：t = 学位论文 电极；同时传统电磁流量计测量的流体要求电导率不能低于3 - - 5 s c m 。 电容式电磁流量计采用电容耦合技术检测感应信号，电极与被测介质不接 触，而是通过衬里与介质形成静电耦合电容，这种非接触的检测方式不存在电极 表面附着、摩擦、腐蚀、液体渗漏等问题，能够适用于泥浆混入型流体、附着型 流体、强腐蚀性液体的测量。同时电容式电磁流量计还具有低电导率流体的测量 能力，目前国外商用电容式电磁流量计的电导率下限已经达到o 0 1 p s c m ，更有 研究表明，即使是对电导率低至5 7 x1 0 。1 3 s c m 的绝缘油b p l 8 0 也能实现检测， 大大拓展了电磁流量计的适用范围，在石油、化工、造纸、冶金等领域具有很好 的应用前景【3 1 。3 1 。 1 3 1 电容式电磁流量计的传感器结构 鳕励磁线圈 图l 一2 传感器基本结构示意图 电容式电磁流量计传感器的结构如图1 2 所示，与普通电磁流量计相比， 不同之处在于，检测电极位于绝缘衬里外表面，与被测介质不接触，电极和流体 之间形成静电电容，流体中产生的感应电动势通过这个静电电容耦合到检测电极 卜1 3 0 3 3 1 lo 检测电极和管道内介质形成的静电电容通常很小，容易受到周围杂散电容、 分布电容的影响，通过一个与电极等电位的屏蔽电极，可以减小周围杂散电容影 响【3 4 3 6 1 。 另外通过电容耦合的信号非常微弱，为了提高信噪比，需要尽可能地提高耦 7 浙江大学硕l ：学位论文 合电容的电容值。将这个静电电容近似看成一个平行板电容，根据平行板电容公 式： c ：盟( 卜6 ) ， 其中，为真空介电常数，占，为衬里材料的相对介电常数，s 为极板面积， ，为极板问的距离。因此，可以从增大极板面积，减少极板问的距离，选择高介 电常数的绝缘衬里材料等方面来提高耦合电容值。作为电容电介质的衬里需要采 用绝缘强度高、介质损耗系数小、温度系数小、刚性好的绝缘材料，同时为了降 低大面积电极上的涡电流，一般做成网状电极，并且要尽量减小电极的厚度f 3 7 】。 这些都与传感器的制作工艺有关，目前国外最先进的制造方法是采用高介电常数 的工业陶瓷作衬里材料，采用耐高温的金属粉末或者导电陶瓷作电极，分多次烧 铸成型，这样既提高了耦合电容值，又保证了机械强度，同时具有良好的温度特 性【3 8 4 2 1 。 1 3 2 电容式电磁流量计信号检出方式 电容式电磁流量计的信号内阻主要是耦合电容的容抗，一般这个电容的大 小在几到几十p f 左右，这样即使在几百赫兹的励磁频率下，内阻依然高达1 0 8 q ，比接触式电磁流量计的信号内阻高出几百倍，并且随着流体电导率的降低， 信号内阻将变得更大h 引。如此高的信号源内阻，使得信号检出难度较大，目前主 要有两种检出方式h 4 1 ： ( 1 ) 电压检出方式：这种方式与接触式电磁流量计一样，通过高输入阻抗 电路取出电极上的感应电压信号，由于电容式电磁流量计的信号源内阻比接触式 电磁流量计高两个数量级，为保证测量精度，要求电路输入阻抗要保持在1 0 1 2q 以上，一般需要采用自举高阻抗输入电路n 引。 8 浙江大学硕j 二学位论文 图1 - - 3 自举高阻抗输入电路原理图 自举高阻抗输入电路的原理如图1 3 所示，运放输出通过电容c 正反馈到 电阻r 2 上，将其电位抬高( 自举) ，使电阻r 1 两端几乎为等电位状态，输入回 路的电流几乎为零，从而提高电路的输入阻抗。通过反馈原理，可以计算出其输 入阻抗为： r ，= r ，+ r ? 蜘尺，r ( 1 7 ) 合理选择参数，可以使输入阻抗达到1 0 1 2 q 以上。实际应用中，由于运算 放大器的输入电容的影响不能忽略，还需要进行一些调整。 ( 2 ) 电流检出方式：根据电容充放电的原理，将感应电动势以电流的方式 检出。如图1 4 所示，检测电极通过运算放大器“虚短接地，流体中产生的 感应电动势随激励磁场的交替变化，会引起检测电极上的电荷量变化，从而形成 电流。运算放大器再通过负反馈电路将电流信号转换成电压信号。 示为 图1 4 电流检出方式原理图 根据电容的特性，在检测电极的极板上存贮的电荷量为 q = c e ( 1 - 8 ) 其中，g 为电极电容值，e 为感应电势。将式( 1 - 5 ) 代入，q 进一步表 q = e 历4 bg 9 ( 1 9 ) 浙江大学硕上学位论文 通过对电荷量q 微分得到电流， ，：d q d t ：4 c , q v d b 耳dd t 也可表示为： q ，= 茄 ( 1 1 0 ) 因此，可以通过检测电流，得到流量信号。由于采用了“虚地”技术，该 方式对电路的输入阻抗没有要求，可以检测电导率很低的流体口刳。但是从表达式 ( 1 1 1 ) 中可以看出，流量信号检测与静电电容c f 的值有关，检测电极与介质 形成的电容会因温度、压力的影响而发生变化，给测量带来误差。为保证精度必 须对电容进行温度、压力等补偿，也有学者通过在线检测电容值进行补偿，但实 现起来比较困难m l 。同时耦合电容上充放电的电流也是相当微弱的，准确检出的 难度也很大。因此，目前该方式还主要在实验室研究阶段，商用的电容式电磁流 流量计较多采用电压检出方式。 1 3 3 电容式电磁流量计的励磁方式及信号处理方法 电容式电磁流量计为了尽量降低耦合电容的容抗，需要较高的励磁频率，一 般在几百到几千赫兹，采用的励磁方式主要有正弦波励磁、矩形波励磁、三角波 励磁。不同的励磁方式也往往采用不同的信号处理方法，有的通过硬件电路实现， 有的通过软件处理实现。 ( 1 ) 正弦波励磁。正弦波励磁是电磁流量计常用的励磁方式，采用专用的 正弦波发生电路，可以得到高频率、高质量的标准正弦波信号，产生的感应信号 频率单一，有利于信号放大处理。然而在正弦波励磁下，感应信号中会混入相同 频率的微分干扰和同相干扰，影响零点稳定。 l o 浙江大学硕上学位论文 图1 5 信号处理框图 在正弦波励磁方式下有文献报道的信号处理方法是采用线圈补偿和锁相放 大技术相结合的方式，信号处理框图如图1 5 所示，流量信号先进行补偿，再 通过锁相器放大1 3 0 】。图中的参考信号来自探测线圈，探测线圈与励磁线圈构成电 压互感器，产生信号的原理跟微分干扰一样。因此参考信号的幅值和相位可以调 整到与信号中的微分干扰基本一致，先利用仪表放大器除去信号中的一部分微分 干扰和同相干扰，再利用参考信号的频率信息，通过锁相放大器抑制其他频率的 干扰信号以及相位相差9 0 0 的微分信号，但对残留的同相干扰，锁相放大器无法 滤除，而且在实际应用中，由于信号会发生波形畸变和相位偏移，信号中的微分 干扰、同相干扰成分较难彻底去除。 ( 2 ) 矩形波励磁。矩形波励磁是一种比较容易实现的励磁方式，具有稳定 零点的低频矩形波励磁方式在普通电磁流量计中已经成为主流，但在电容式电磁 流量计中使用时，由于励磁频率提高了，没有足够的时间等待微分干扰完全消失， 在进行信号采样时所得到的流量信号中会包含有微分干扰和同相干扰的成分。 目前，解决这个问题主要有两条途径：一是通过信号处理的方法解决，例 如v c u s h i n g 在采用9 6 0 h z 的矩形波励磁下，通过快速采样，建立零点迁移电压 方程，来校正零点迁移b ；二是改进励磁电路，加快转换过程。电磁流量计中加 快磁场转变的常用方法是在磁场方向转换时对线圈加高电压，当电流达到要求时 再恢复到正常电压，如图1 6 所示h 。另外日本的n a k a t a n i 也提出了采用频率 特性校正法改进励磁电路，通过提高励磁方波中高次谐波的增益，补偿线圈对高 次谐波的高感抗，保证线圈中的电流快速稳定引。 浙江大学硕士学位论文 图l 一6 电压电流波形示意图 ( 3 ) 三角波励磁。这种励磁方式比较独特，主要适用于电流检出方式，从 表达式( 1 1 1 ) 可以看出，采用三角波激励时，d b d t 的绝对值不变，电流，成 方波输出，便于后续电路放大检测。但是三角波励磁驱动电路实现比较困难，因 而采用该励磁方式的文献报道比较少。 1 4 本课题的研究意义 电容式电磁流量计采用独特的非接触检测方式，突破了常规电磁流量计在某 些领域的应用限制，具有更广阔的工业应用前景。然而，这种非接触检测方式也 大大增加了流量计的开发设计难度，如传感器的信号源内阻高达几百兆，信号检 出难度大；耦合的感应信号信噪比低，微弱的流量信号往往被噪声淹没；还有在 高频励磁下，零点难以稳定等问题。目前，仅有几家大流量计制造公司能提供商 用产品，国内在这方面的研究和制造都相对比较落后。 本课题针对电容式电磁流量计的开发设计技术难点进行研究，以期设计出具 有自主知识产权的产品，打破国外在这方面的技术垄断，推动国内在电容式电磁 流量计方面的研究和产品化进程。 1 5 本论文的主要任务及安排 本文的主要任务是研制电容式电磁流量计信号转换器，设计具有高信噪比的 信号处理电路，同时实现流量计算、通讯、人机交互等仪表功能。本论文的主要 1 2 浙江大学硕i 二学位论文 安排如下： 第一章介绍了电磁流量计的基本理论，发展情况，以及电容式电磁流量计的 特点和技术研究进展情况，并明确了本论文的主要任务及安排； 第二章介绍了信号转换器的总体设计方案，通过分析信号特点，设计了转换 器的励磁系统和模拟信号处理方案； 第三章详细介绍了信号转换器的硬件系统设计； 第四章详细介绍了信号转换器的软件系统设计； 第五章对研制的样机进行性能测试； 第六章利用研制完成的电容式电磁流量计进行油水两相流测量的实验研究； 第七章对本文进行总结，并对今后的工作进行展望。 1 6 本章小结 本章简要介绍了电磁流量计的原理及发展概况，通过查阅大量文献，综述了 电容式电磁流量计的特点，并对常见的励磁方式和信号处理方式进行了分析研 究，最后明确了本论文的主要任务及安排。 浙江火学硕l 二学位论文 第二章电容式电磁流量计信号转换器的总 体设计 电容式电磁流量计由传感器和信号转换器两部分组成。传感器负责将流速信 号变换成电信号。信号转换器将电信号检出，再通过放大滤波等信号处理，换算 出流量信息、进行显示或远传输出。 2 1 信号转换器总体构成 信号转换器是电磁流量计的重要组成部分，需要完成流量信号处理，为线圈 提供励磁电流，实现人机接口、通信接口等仪表功能。为实现以上功能，本文设 计的信号转换器包括以下几个功能模块： ( 1 ) 信号处理模块：将传感器输出的信号进行有效地滤波放大。 ( 2 ) a d 转换模块：将模拟电压信号转换成数字信号，送给微处理器。， ( 3 ) 励磁模块：为电容式传感器提供高质量的励磁电流。 ( 4 ) 人机接口模块：包括键盘和l c d 显示电路，主要完成仪表参数设置以及 瞬时流量、累积流量等实时显示。 ( 5 ) 通信模块：为转换器提供对外通讯功能和信号输出接口。 ( 6 ) 数据存储模块：存放流量积算后的流量数据以及系统正常工作所必需的 各项参数设置。 ( 7 ) 电源模块：为各模块提供稳定可靠的电源。 其中，励磁模块和信号处理模块是本系统的关键部分，关系到流量信号能否 可靠检出，这两部分设计和电容式电磁流量计的信号特征密切相关，以下将做详 细介绍。 2 2 电容式电磁流量计的信号特征与干扰分析 电容式电磁流量计的流量信号是由励磁磁场感应产生的，因此信号的频率和 励磁频率相同，信号的相位和波形与工作磁场基本一致，只是由于励磁线圈的电 1 4 浙江大学硕j 二学位论文 感和电阻产生的滞后作用，流量信号存在一定的相移，不过这一相移在小口径传 感器中并不明显。另外，由于电容式电磁流量计传感器的电极是电容耦合的结构， 一般这个耦合电容值很小，在几十个p f 左右，因此电容式电磁流量计的信号源 具有极高的内阻。根据全电路欧姆定律，信号源的内阻与放大器的输入电阻将构 成分压电路，一部分信号电压将被降在信号的内阻上，因此能够真正耦合出来的 感应信号是比较微弱的，同时容易受到各种干扰，信噪比很低，流量信号往往被 噪声淹没。这些噪声主要包括电磁流量计中常见的微分干扰、同相干扰，流体中 的流动噪声，以及检测电路中引入的干扰噪声等。 ( 1 ) 微分干扰 电磁流量计的磁场是由通电线圈所产生，由电磁感应定律可知，不论是正弦 波励磁还是矩形波励磁，励磁线圈都类似变压器的初级绕组，当初级绕组产生的 磁力线穿过次级闭合回路时，将在次级回路中感应出电流，然后在次级回路中的 负载电阻两端出现感应电压。如果磁力线完全平行于闭合次级回路，理论上回路 中不会产生感应电压。 l 一一一 - - - 居_ - 啼 - 图2 一l 变压器效应示慈图 在流量计传感器中，由于两电极的引线处于交变磁场中，如图2 1 所示， 从电极a 一引出线一转换器等效输入电阻( r s r ) 一另一条引出线一电极b 一被测流 体电阻一回到电极a ，形成一个闭合回路。这个回路相当于匝数为1 的变压器次 级绕组。在实际传感器装配中，很难做到电极引出线回路平面完全平行于磁力线， 总会有一部分交变的磁力线穿过闭合电极回路平面，如图2 2 所示。所以即使流 速等于零，没有流量信号，也会感应出一定的电压。这种电压与流量无关，属于 干扰电压。这个过程像变压器的工作过程，所以通常称为“变压器效应”。 浙江大学硕上学位论文 图2 2 电极引线回路示意图 根据式( 1 一1 ) ，当变压器通电后，在次级绕组感应的电动势大小可以表示为 e 。：塑 ( 2 一一1 ) 。2i l j 式中，e 。为微分干扰电动势。对于交流正弦波励磁，b = b m s i n o t ，代入后得 = 2 x 绒c o s ( a , ) ( 2 2 ) 式中厂为励磁频率。从上式可以看出，微分干扰比流量信号相位要滞后9 0 0 。也 可以从变压器初级电压与电流的相位关系去理解：励磁线圈是一个电感线圈，流 过电感线圈的电流滞后于它两端所加电压的相位9 0 0 。磁场由励磁电流所激励， 磁场的波形相位与励磁电流一致，也就是说，磁场的相位滞后励磁电压9 0 0 。作 为l 匝次级的电极引出线回路，负载上的电压与初级电压相位相差1 8 0 0 ，于是， 微分干扰波形与流量信号波形相差9 0 0 。因此，这种电压又被称为正交干扰。从 式( 2 1 ) 可以看出，干扰电压实质上是磁感应强度b 对时间，的微分，因此习惯 上将这种干扰称为微分干扰。并且从式( 2 - - 2 ) 可知，这种微分干扰的强度跟励磁 频率厂成比，频率越高，干扰越强。 ( 2 ) 同相干扰 电磁流量计传感器中，工作磁场是一个交变的磁场，根据电磁场理论，交变 的电场能够产生交变的磁场，交变的磁场又能产生交变的电场，交变的电场和磁 场总是相互交连，相互转换的。传感器内的部分主磁通形成了正交干扰的闭合涡 电流流线。同时，也会有与之正交相连的闭合二次磁通发生，并又有与二次磁通 正交相连的涡电流流线发生。这个过程可以用磁场对时间的二次微分来描述，于 是同相干扰电动势白可以表示为： 铲害：盥攀业= 0 9 2 玩s i n o g t ：( 2 x f ) z 驯n r o t ( 2 3 ) l d t zd t z mm 1 6 浙江大学硕f j ：学位论文 其中岛与磁感应强度b 同相位，也就是与流量信号的相位相同。但是它的幅度 大小与流量无关。由式( 2 3 ) 可以看出，同相干扰是由正交干扰再次微分得到 的。因此，正交干扰大，引起的同相干扰也大。根据电磁场相互转换的理论，正 交干扰与同相干扰也是能够相互转换的。同时，同相干扰的强度与励磁频率厂的 平方成正比，因此降低励磁频率可以降低这两种干扰的强度。 ( 3 ) 流动噪声 当电磁流量计测量低电导率流体时，流动介质摩擦衬里表面会产生一种称为 “流动噪声”的干扰，其大小可近似地表示为1 2 】： 流动噪声1 ，2 。( 2 - - 4 ) d u 其中，占为介电常数，万为电导率，d 为运动粘度系数，1 ，为流体流动速度。其 形成原因可以这样理解：当流动的流体在摩擦绝缘衬里表面时，会使聚集在电极 附近的电荷跟随移动，于是在电极上感应出变动的极化噪声。如果介质的介电常 数高，则位移电流大，电极附近运动的电荷也增多，流动噪声随介电常数s 的增 高而增大；流体电导率万减小，位移电流将增大，流体电导率万与流动噪声电压 成反比；在粘度高的流体中，电荷不容易克服液体的束缚力而游离到电极附近， 因此粘度系数l ，与流动噪声成反比；流量信号电压作为电介质的外加电场，液体 的流速越高，电极上感应的信号电压也越高，即施加在电介质流体的外电场强度 越大，从而也会加剧电荷的移动，增大流动噪声。在电容式电磁流量计中，当测 量低电导率流量体时，这种噪声会变得比较严重h 9 - 引1 。另外，外电场的频率对电 介质的极化有很大影响，当电场频率增高时，转向极化( 有机分子组成电介质的 极化过程) 来不及“跟随 ，使得转向极化实际上不存在，电介质的介电常数也 将大为减小。因此，在电容式电磁流量