（检测技术与自动化装置专业论文）非满管电磁流量计的研究.pdf

摘要 摘要 电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的速度式流量计，应用非常广泛。普 通电磁流量计一般只有一对安装在管道圆截面水平中心线管壁位置上的电极，但 是当流体没有充满整个管道截面时，因流体横截面变化，普通电磁流量计进行流 量测量时就会有较大误差，当流体截面低于电极安装位置时，普通电磁流量计则 无法工作。针对普通电磁流量计的这种局限性，本文设计了一种多对电极电磁流 量计，可应用于流体非满管状态下的流量测量。本论文的研究内容和创新点如下： ( 1 ) 对电磁流量计的原理、发展历史和特点进行了介绍。对非满管流体的测量特 点进行了分析，对现有的几种非满管电磁流量计进行了综述和分析。 ( 2 ) 提出了一种新的多电极非满管电磁流量传感器结构。在电磁流量传感器的不 同高度的内壁上安装了3 对电极，同时采用差压传感器测量获得液位值。其 特点是在液位值低于当前电极对水平高度时，选择下一高度的电极对进行流 量测量。 ( 3 ) 研发了基于m s p 4 3 0 单片机的多电极电磁流量计的硬件电路和相关软件。 ( 4 ) 对多电极电磁流量计进行了初步的实验研究。对3 对电极进行了满管和非满 管状态下的实验。实验结果表明，3 对电极的输出电压与流量变化均有良好 的线性关系和重复性，初步验证了该流量计的有效性。 。 关键词：流量，电磁流量计，非满管，多对电极，液位测量 i i i a b s t r a c t 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 sb a s e do nf a r a d a y si n d u c t i o nl a w , i sa v e l o c i t y t y p ef l o w m e t e r , a n di sw i d e l yu s e dn o w a d a y s f o rt h ec o n v e n 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 r , t h e r ei s ap a i ro fe l e c t r o d e si n s t a l l e do nt h e e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ss e n s o eh o w e v e r ，g r e a te r r o r sw i l lb ei n t r o d u c e dd u et o t h ev a r i a t i o no fc r o s ss e c t i o n a la r e ao ft h ef l o ww h e nt h ep i p ei sn o tf u l l yf i l l e d w h a t sw o r s e ，t h ec 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 rc a nn o tw o r kw h e nt h e s u r f a c el e v e lo ft h ef l o wi sb e l o wt h ee l e c t r o d e s t oo v e r c o m et h e s e ，am u l t i - e l e c t r o d e e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e ri s d e s i g n e d ，w h i c hc a n b e a p p l i e d f o r t h ef l o w m e a s u r e m e n to ft h ep a r t i a l l yf i l l e dp i p e s t h em a i nr e s e a r c hp o i n t sa n dt h ei n n o v a t i o n o ft h et h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ra r ei n t r o d u c e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a r t i a l l y f i l l e df l o wa r ea n a l y s e da sw e l la st h ec u r r e n t l ye x i s t i n ge l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r sf o rt h i ss i t u a t i o n ( 2 ) an o v e lm u l t i - e l e c t r o d ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rs e n s o rf o rt h ep a r t i a l l yf i l l e d p i p e si sp r o p o s e d ，w h i c hu s et h r e ep a i r so fe l e c t r o d e si n s t a l l e do nt h ei n n e rw a l l o ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ss e n s o ra td i f f e r e n th e i g h t s m o r e o v e r ，a d i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o ri st oo b t a i nt h el i q u i dl e v e l t h u st h ee l e c t r o d e sb e l o w t h ec u r r e n tl i q u i dl e v e lc a nb es e l e c t e df o rt h ef l o wm e a s u r e m e n t ( 3 ) t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h em u l t i e l e c t r o d ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rb a s e do n t h em s p 4 3 0 m i c r o p r o c e s s o ra sw e l la st h er e l a t i v es o f t w a r ed e s i g na r eg i v e n ( 4 ) t h ei n i t i a l r e s e a r c ho nt h em u l t i - e l e c t r o d e e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e ri s c o n d u c t e d e x p e r i m e n t sa r ed o n ef o rt h ef u l l yf i l l e dp i p e sa n dt h ep a r t i a l l yf i l l e d p i p e s r e s u l t ss h o w t h a tt h e r ei saf i n ea i dr e p e a t a b l el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eo u t p u tv o l t a g eo ft h et h r e ep a i r so fe l e c t r o d e sa n dt h ef l o wv e l o c i t y , a n dt h a t t h ep r o p o s e df l o w m e t e rc a nb eu s e df o rf l o wm e a s u r e m e n t k e y w o r d s ： f l o w r a t e ，e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , p a r t i a l l y f i l l e d p i p e s ， m u l t i - e l e c t r o d e ，l i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t v 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，也不包含为获得逝逛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：签字日期：钞矽年弓月fz 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太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。本人授权浙逛太堂 可以将学位论文的金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： 望j劫日 厶纱 ，磁月 年 致谢 致谢 本论文是在导师周洪亮副教授悉心指导下完成的，周老师严谨的治学态度、 认真的工作作风以及对所存在问题的深刻洞察力深深地影响了我。当我课题遇到 困难的时候，周老师给我很多的指导、关心和鼓励，在实验进展中也给了我巨大 的帮助，并倾注了大量的精力，教我学会了如何做人做事，如何正确的处理问题。 在此向周老师两年半来的关心和悉心指导表示衷心的感谢! 感谢张宏建教授和杨祥龙教授在繁忙的科研和日常生活之余，给予我有关课 题的指导和帮助，你们求是的科学态度和开阔的学术视野深深地影响了我，并且 在给予我帮助的同时，你们的平易近人的指导风格和科研作风，给我留下了深刻 的影响，时刻鞭策着我。 感谢徐辰、王俭师兄，正是在你们精心研究基础之上，本课题才可以在此研 究结果之上得以开展。 特别要感谢凌张伟、陈祺、张胜、高扬华、蔡文在我课题遇到困难的时候给 了我极大的帮助和鼓励。 感谢实验室的各位同学：莫凌飞、花月芳、凌张伟、孙永剑、申屠南瑛、孙 群英、覃春芳、赵晓东、阚睿、陈祺、周俊儒、杨兴果、张胜、黄浙丰、姜光、 翁国杰、何海洋、姚滨滨、仝玉华等，以及已经毕业的孙志强、贺庆、程路、王 晓东、王子麒、迟天阳和闫战科等人，在我攻读硕士期间，与你们的朝夕相处让 我感觉到了生活的愉悦，带给了我太多的快乐和帮助。在此真诚地祝福你们在以 后的学习以及工作中一帆风顺。 感谢我的室友贺贞贞、何琴、刘小艳和所有关心我帮助我过的朋友，与你们 结识和相处，给我留下了一段美好的回忆。 最后，要由衷地感谢我的父母，是你们多年来对我的关心和爱护，以及在我 遇到困难时给予我的帮助和鼓励，才能让我有更多的勇气面对困难，完成我的硕 士学业。祝愿我的父母身体健康! 饶蕾 2 0 1 0 年1 月于浙大求是园 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 流量是工农业生产过程中需要控制的重要参数之一，流量计量在钢铁，冶金， 给排水，石油，化工，食品，生物技术，航空航天，农业灌溉等各个行业发挥着 重要的作用，有效地指导了生产操作、监视和控制过程，检测到的各种流动介质 的流量为管理和控制生产提供了依据。由于流量检测条件的多样性和复杂性，流 量检测的方法很多，全球流量检测的方法至少已有上百种，就检测量的不同可分 为两种：体积流量和质量流量1 。3 1 。 1 2 流量测量的内容及方法 流量是指流体在单位时间内流过管道或者明渠中某截面的体积或质量，前者 称体积流量，后者称质量流量。 ( 1 ) 体积流量 体积流量主要是通过直接法( 也称容积法) 和间接法( 也称速度法) 两种 方法来完成流量计量的1 1 。直接法测量仪表主要有：椭圆齿轮流量计，旋转活塞 式流量计和刮板流量计，该方法是在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续 不断地进行度量，以排除固定容积数来计算流量。间接法测量仪表主要有：节流 式流量计，电磁流量计，转子流量计，涡街流量计，涡轮流量计，超声波流量计 和速度式流量计等，该方法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截面积以求 得体积流量。 ( 2 ) 质量流量 质量流量计的测量对象是介质的质量流量，也可以是测量介质的密度及间接 测量介质的温度，质量流量与体积流量的两种测量方法一样，也分为直接法和间 接法。直接法最常用的是科里奥利力式、热导式以及双涡轮式和差压式质量流量 计，检测元件的输出信号直接反映质量流量；间接法主要是用两个检测元件分别 测出两个相应参量，通过运算间接获取质量流量，如应用超声流量计和密度计组 合，对它们的输出再进行乘法运算以得出质量流量。 渐太学上学位论文 1 3 电磁流量计的原理、发展和特点 l3 1 电磁流量计的原理 电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律的工作原理来测量导电液体 4 1 体积 流量的仪表b ”。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小正比于与回路相 交的磁通随时问的变化率，方向由楞次定律决定回路中感应电动势e 的大小 和方向可以表示为： e ：一塑1 d t 如下图l1 所示，磁通的正方向和感应电动势的正方向符合右手定则。 电磁流量计是由电磁流量传感器和电磁流量转换器组成，电磁流量传感器 安装在待测管道上，将导电液体的流速线性地变化成感应电动势信号。电磁流量 转换嚣向传感器中的励磁线圈提供励磁电流，并且接收回路中的感应电动势信 号，将信号进行放大、处理并且将信号统一转换成标准的电流信号、电压信号、 频率信号等，以实现对流量的显示，记录和控制等。 对于电磁流量传感器，我们可以将导电流体流经的管道直径看成是导体的 长度，此时，导电流体的流动方向，磁场的方向咀及管道的直径，三者处于互相 垂直的位置。 当导电流体流过电磁流量传感器中的磁场时，切割磁力线，在与磁场方向， 流体流动方向相垂直的方向，即在管道直径方向上，产生感应电动势，此感应电 动势就是与流体的流速信号相对应成比例的电压信号e 。 # e 韩 磁场方向 圉右手定则 我们只需要考虑感应电动势的大小，于是，武( 11 ) 变为 第1 章绪论 e = 百d e = 等= b 罢= 一1 5 1 ) = v ( 1 2 ) = = = = 1 1 2 ) d td td t 、7 式中删通量密度，t 彳磁通量的变化面积，m 2 d 一导体长度，m d l 一运动的距离，m y 一运动速度，m s p 一感应电动势，v 电磁流量计测量的是体积流量，当导电流体流过一定截面的测量管时，流 过该截面的体积流量就等于导电流体的流速与该横截面面积的乘积。对于横截面 是圆形的测量管来说，流体的体积流量为 q = ；d 2 矿 ( 1 3 ) 将式( 1 2 ) 代入到式( 1 3 ) ，整理可以得到下式 q = ；d 考 ( 1 4 ) 上述公式( 1 4 ) 中，d 是测量管管径，即为导体的长度，b 与励磁线圈相关的 一个参数，当测量管的管径和磁感应强度曰一定时，流量q 只- 9 感应电动势e 成正比。 1 3 2 电磁流量计的发展 电磁感应定律是1 8 3 1 年由英国物理学家法拉第发现的。他的第一次电磁流 量计的试验是1 8 3 2 年利用地磁场在泰晤士河岸做的实验，最后是以失败告终， 但是他于1 8 5 1 年见证了w o l l s a t o n 等人在英吉利海峡利用电磁感应法测量潮汐试 验的成功。1 9 1 7 年史密斯和斯皮雷安利用电磁感应原理制造了船舶测速仪，从 此开辟了电磁测速仪在海洋学中的应用。1 9 3 0 年，威廉斯制成了一种简单的电 磁流量计，将圆形测量管置于直流磁场之中，选用硫酸铜溶液作为导电流体，检 测测量管内壁上两个电极之间与流速成正比的电压。1 9 3 2 年左右，生物学家 w i l l a m s 、a 柯林利用电磁流量计测量和记录瞬时的动脉血液流量获得了成功。 而电磁流量计在工业上得到了应用还是在1 9 5 0 年，荷兰人利用电磁流量计在挖 泥船上测量泥浆流量。随后在1 9 5 5 年前后前苏联，英国，德国，日本等也成功 生产出电磁流量计。2 0 世纪6 0 年代初，电磁流量计逐渐完善发展，成为日渐成 浙江大学硕士学位论文 熟的流量仪表，在工业中得到了广泛的应用。2 0 世纪6 0 年代后期到7 0 年代中 期，低频矩形波励磁方式的发展，让电磁流量计的发展形成了一次高潮。2 0 世 纪8 0 年代以来，微电子技术与计算机技术的发展，使得电磁流量计的发展更加 趋于成熟和完善，扩大了电磁流量计的应用领域，添加了更多的附加功能，h a r t 协议和现场总线技术运用到电磁流量计，为用户实现全新的现场总线生产控制与 管理提供了条件1 2 , 6 1 。 电磁流量计的工作磁场是由电磁流量转换器里面的励磁系统提供的，根据励 磁方式的发展过程来看电磁流量计的发展，可以按时间的顺序，分为以下几种励 磁方式： ( 1 ) 直流励磁 从法拉第时代开始，就呆用了直流励磁方式，该方式用直流电产生磁场或采 用永久磁铁，可以产生一个恒定的均匀磁场，采用该种励磁方式的最大优点是受 交流电磁场干扰影响小，几乎可以忽略导电流体中自感现象的影响，但是使用直 流励磁最大的缺点在于，由直流磁场感应产生的直流电压信号，容易使流经测量 管的电解质液体极化，使得有用信号和极化电压相叠加，造成有用信号难以分离 出来。同时，在直流励磁方式下，电解质的正离子向负电极移动，负离子向正电 极移动，这种情况会严重影响仪表的正常工作，因此一般只适用于测量液态金属 等非电解质液体。 ( 2 ) 交流励磁 始于2 0 世纪2 0 年代左右，于2 0 世纪5 0 年代左右工业商品化，该种励磁方 式是指采用5 0 h z 正弦波的工频电源进行励磁，励磁系统产生一个正弦交变的励 磁电流，该电流通入励磁线圈，产生交变磁场。该法的主要优点是，消除了电极 表面的极化干扰，放大和转化低电平的交流信号也要比直流信号要容易。该法的 最大缺点是，容易产生正交干扰和同相干扰等电磁干扰问题，影响仪表的线性度 和零点的稳定性。 ( 3 ) 矩形波励磁 该种励磁方式产生于1 9 7 5 年前后，一般采用低频矩形波励磁，这是主流产 品采用的励磁方式，通常，其励磁频率为工频的1 4 - - , 1 1 0 ，它发挥了直流励磁和 交流励磁的优点，避免了交流励磁存在的正交干扰和同相干扰的电磁干扰问题， 4 第1 章绪论 同时又能够克服由直流励磁带来的极化电压的问题，是一个两者兼顾的励磁方 式。 在低频矩形波励磁发展的过程中，1 9 7 8 年左右，又出现了一种三值矩形波 励磁，它与低频矩形波的不同之处在于，在低频矩形波的一个周期之中，有两个 部分的时刻磁场时处于零状态，该状态存在于正态采样和负态采样之间，这样的 一个零状态有利于对信号的零点进行检查和自校。我们可以看出低频矩形波励磁 有很多的优点，有较好的零点稳定性，但是它牺牲了电磁流量计的响应速度。而 且是当有浆液性液体通过电磁流量传感器的测量管时，会产生波动大的干扰。 ( 4 ) y x 频励磁 双频励磁是一种高低频矩形波调制的励磁方式。低频可以提高零点的稳定 性，高频是降低介质对电极产生的极化电压。使用这种方式，可以通过在线圈中 流过具有高低各两种频率成分的电流产生( 激励) 磁场。与普通用的单频率的励 磁方式相比，低频励磁的稳定性和高频励磁的噪声抑制相结合，可以提供更高的 精度和稳定性。但是双频励磁需要注意高频磁路的涡流损失和磁滞损失问题。 ( 5 ) 可编程脉宽矩形波励磁 利用单片机编程，控制励磁矩形波脉冲宽度和励磁频率，从数据采集和软件 上做尖状干扰处理，可以改善浆液测量和高速响应，但是与低频矩形波励磁相比， 零点稳定的特性会变得差一些，因此，它只适用于一些特定场合的应用。 1 3 3 电磁流量计的特点 电磁流量计具有以下几个显著的特点： 优点： ( 1 ) 不会阻塞，适合测量含固体颗粒的液固二相流体，包括纸浆、泥浆等 ( 2 ) 由流量检测所造成的压力损失小，节能效果好 ( 3 ) 对于实际可测的流体，测得体积流量时受流体的粘度、温度、压力、电 导率变化影响较小 ( 4 ) 流量测量的量程比大 ( 5 ) 可测腐蚀性流体 缺点： ( 1 ) 不能测量电导率很低的液体 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 不能测气体、蒸汽和含较大气泡的液体 ( 3 ) 不能用于高温测量 1 4 非满管流体测量的简介 普通电磁流量计通常应用于封闭管道的液体满管流。对于流量变化很大，流 体有时充满管道，有时充不满管道的情形，以及在市政排水、废水处理和农业灌 溉等场合存在的众多流体未充满管道的情形，普通电磁流量计不能适用以上情 形。非满管电磁流量传感器可以与安装管径一致，能够用于封闭管道满管流和非 封闭管道或者敞开管道的自由表面流测量27 1 。 对于非满管流体的测量，要考虑一下几点【8 】： ( 1 ) 水力条件。 一般情况下，流体是在重力作用下的自由流面的流动，而某些场合下，流的 过载可能会造成流体的回流，形成一个局部受压环境，许多系统会溢出，将过载 的流体转移到原存储空间，或者更为开阔的场所； ( 2 ) 流动条件。 这里考虑的流体基本是低温的，但是流体的组分物质变化较大，从像泉水一 样的干净水到包括大量污染物质的污水，污染物的形态不一，会含有漂浮悬浮物， 容易沉淀的固体等，而且在城市下水管道中，可能会出现很多的固体形态的生活 污染物，流体的特性不是一层不变的； ( 3 ) 自然条件。 测量管道一般情况下横截面是圆形的，但是也存在着矩形截面，椭圆形，甚 至是三角形和马蹄形的管道截面，这些都是要考虑的，并且，管道的直径变化的 范围较广，可能从l o o m m 甚至更小的管径到2 3 m 甚至更大的城市下水管道， 管道的材质并非是我们普通实验用的材质，因为城市下水道有可能是用诸如砖 块、混凝土、铸铁、钢铁等等； ( 4 ) 环境方面。 下水管道通常是比较危险的区域，因为下水管道里面包含的气体中可能里面 可能会有一些腐蚀性和爆炸性的气体，这也就意味着相应的仪表的材料建设上要 与之相匹配，相关工作人员的健康安全可能会依据仪表设备的操作方法和工作环 境制定相应的规章制度等。 6 第1 章绪论 因此，非满管流体的测量对于仪器的设计者和制造者来说，是一个挑战，有 一些技术报告提出了一些商业性可实施的或者市场可以选择的测量非满管流体 的技术方法，包括测定体积法【9 1 ，示踪和稀释法【1 0 l ，超声多普勒【1 1 1 和转换时间法， 利用电磁的方法，倾斜区域法以及一些非接触的方法，如雷达法一些光学的方法 等等。这些方法中，应用超声多普勒法和电磁的方法较为普遍一些，主要还是这 两方面的技术近年来发展较快。 1 5 非满管电磁流量计的发展及其特点 非满管电磁流量计属于上述利用电磁的方法进行非满管流量测量的一种手 段。它与普通型的电磁流量计的不同之处在于，普通电磁流量计是以传感器截面 面积恒定，测量平均流速得到流量，而非满管电磁流量计的流体截面面积是变化 的，并非完全充满管道。流量测量不仅要测量流过传感器的平均流速，而且还要 测量流过传感器的流体截面积。也就是说，非满管电磁流量计的流量测量需要的 至少是流速y 和液位值日两个变量。液位值日与流体的横截面积s 的关系如下 1 2 1 s 旦4 s 型d 一( 旦2 棚等一( 詈圳2 ( 1 5 )、 v4、2 、 式中卜流体的横截面积，m 2 d 一圆形管道内径，m 月r 一液位值，m 公式( 1 5 ) 给出了液位值日与流体的横截面积s 之间的关系，只要获得了液 位值日，就可以通过公式( 1 5 ) 计算出流体的横截面积s ，从而得到流量q 。 现有的非满管电磁流量计也均是依据获得流速v 和液位值日两个参数来计 算非满管流量的。 下面就现有的一些非满管电磁流量计测量方法进行介绍。 1 5 1a b b 公司f x p 4 0 0 0 如下图1 2 所示的a b b 的这款非满管电磁流量计【1 3 ，1 4 1 的最底部是一对信号 注入电极，最底部上面的三对是测量电极，顶部的一个电极是满管电极。在满管 的条件下，该仪表的功能与普通型的电磁流量计是一样的，通过法拉第电磁感应 定律拾取流速信号。由于流体的截面面积是不变的，所以计算流量值比较容易。 7 * 江 j 学论j 在非满管状态下。该流量计的特点得到了发挥，随着流体液位的下降，满管电极 检测到管道非满状态，启动算法修正剥量值，这个数学修正算法改变了流速和流 体横截面的测量方法，可以测量到管径1 0 的液位高度，信号注入电极注入用以 确定充满高低的正弦信号，用以测量液位值。在非满管状态下的流量计算需要首 先修正测量到的感应电动势，修正系数是一个与液位值相关的面数，修正系数是 仪表在工业校准中由实际经验值决定的，由于每对电极在工作前都已经将设置的 数据存储在转换嚣中，因此不需要在线校准 在不同位置的三对测量电极，根据液位值的不同选择最合适的测量电扳测量 感应电动势流体液位值的测量是通过电学的方法计算得到的，底部的信号注入 电极输入幅值固定的高频正弦波澈励信号，由另外三对测量电极读取此时的感应 信号，三对电极测得的感应信号通过该激励信号幅值的变化可以精确测量出液位 高度，将该感应信号和激励信号的比值进行归一亿处理，画出来的曲线圈能够确 定液位值及流速计算的修正系数。 囤i2f x p 电磁流量传感器结构图 可毗看出，测量液住值和测量流速时都是用到了三对测量电极，需要对液位 值测量功能和流速测量功能进行转换，因此，流速测量时，线圈的励磁方式采用 的是频率为75 h z 妁矩形波，进行液位值测量的正弦波通过电容耦台到底部信号 注入电极，该信号工作在线圈的直流脉冲之问，这样可以使测量到的低电平的流 体的流速信号从包含液位值信息的高频信号中分离开，因此微处理器可以捕捉到 原始信号 第1 章结论 i5 2 德国科整公司t i d a l f l u x 德国科隆公司的这教t i d a l f l u x l ”q 满管电磁流量计这款测量的特点在于， 测量流体液位值的系统使用电容性液位测量系统，结合圈1 3 和图1 4 看该款电 盛流量计的测量特点电磁流量计管道内部两边的弧形电极紧贴衬里外壁，被剥 流体不与电极接触，通过测量电极和被测漉体之间的电容耦合值，获得流体的液 位值信号，因为不同液位值下流动的流体其与电极之间的电容耦合值是不同的， 通过该液位值，可以计算得出流体的横截面积。 田i4 可以看到在测量管道底部有一对电极，该电扳用于测量流体流过测量 管时切割磁力线得到的感应电动势，可以获得此时流体的流速，由于该对电极位 于管径1 0 的位置，也就确定了该流量计的测量范围是管径的1 0 0 一1 0 0 。 图1 3 t i d a l f l u x 非满管电磁流量计结构示意田 田1 4 t i d a l f l u x 测量漉速简围 浙江大学硕上学位论文 1 5 3 上海大学研制的非满管电磁流量计 从下图1 5 ，该电磁流量计的结构原理框图，来分析非满管电磁流量计的测 量原理【1 6 ，1 7 】。在测量管底部有一对发讯电极，通过一个发讯控制器控制发讯电 极的输入托两个测讯电极间形成一个电势信号，测量此时两个长弧形测讯电极 上的电势信号e ，由测讯电极测得的电势信号e 与发讯电极的输入彳的比值，可 以试验确定该比值与流体液位值日的函数，确定得到流体的液位值日，图1 5 中 测量管上下分布着励磁线圈，输出励磁电流到励磁线圈，产生不同的磁场b ，当 流体以流速矿流过的测量管的时候，两个测讯电极得到该流速y 下的电势信号， 计算得到流速儿由液位值日和流速v 计算得到流体的流量。长弧形测讯电极 的长度，决定了可测量非满管流量的最低液位。 r 图1 5 上海大学设计的非满管电磁流量计结构原理图 1 5 4 阻抗法确定流体液位的非满管电磁流量计 阻抗法是通过测量流体阻抗的方式【1 8 ，1 9 】，确定流体的液位高度，该方法的 结构图与图1 5 相似，只是去掉了测量管底部的发讯电极，测讯电极仍然是分布 在测量管两侧的长弧形电极，在励磁单元产生磁场b 时，当流体流过测量管， 切割磁力线时，长弧形电极测量得到与流体流速y 相关的感应电动势e ，计算得 到流体的流速以在励磁单元不产生磁场b 的情况下，向该对长弧形电极输入电 流，测量长弧形电极对应的电压u ，由电压u 除以输入电流，得到非满管液位 第1 章绪论 值日下的流体阻抗z ，由阻抗z 和非满管液位值日的对应关系，计算得到液位 值日，再由液位值日可以得到此时刻流体的横截面积s ；以及长弧形电极测量得 到的感应电动势e 与流速间的关系，确定流速以由横截面积s 和流速y 计算得 到非满管流体的流量。 另外，还有像东芝公司采用的功能型磁场分布技术【2 0 1 测量非满管流体的流 量，以及采用插入式液位计和降低电极对的位置相结合的方式【2 1 】进行非满管流 量的测量。 1 6 本论文的研究意义和主要内容 1 6 1 研究意义 目前，上述非满管电磁流量计在测量上存在着以下的可能：随着被测流体的 改变，流体的电导率发生变化，上述的测量方法有可能会带来流体液位值测量的 不准确，又如科隆公司的非满管电磁流量计，仅使用位于管径1 0 位置的电极对 进行流速的测量，由于非满管流体的流速分布不可能和理想状态下一样对称分 布，因此，在任何液位下均采用这一对电极可能会带来较大误差，影响实际的流 量测量。并且，现今的市场上，非满管电磁流量计价格昂贵，且都是国外产品， 尚未有国内自主研制的产品上市。因此，自主研制一款高性价比的非满管电磁流 量计显得意义重大。 1 6 2 主要内容 本论文的主要研究内容如下： 第1 章对电磁流量计的测量原理，发展及其特点进行了概述。在传统电磁流 量计的基础之上，给出了测量非满管流体的需求以及测量原理，介绍了现有的非 满管电磁流量计进行非满管流体测量的方法。最后，阐述了本文的研究内容。 第2 章介绍了非满管电磁流量计的总体设计思路。从非满管电磁流量计的传 感器和转换器两个部分出发，给出了具体设计方案和框架。 第3 章根据非满管电磁流量计的测量特点，具体分析并给出了测量非满管流 体的传感器结构，以及所需要搭建的转换器的硬件电路。 第4 章在硬件平台的基础之上，介绍了非满管电磁流量计的软件流程框图和 其中所需要的软件滤波处理。 第5 章介绍了非满管电磁流量计的实验装置，并进行了初步的满管实验，分 浙江大学硕士学位论文 析了实验之中产生误差的原因，实验结果的重复性好。 第6 章总结了全文，对自己的工作进行了总结，提出了今后的进一步的研究 工作。 1 7 本章小结 本章主要介绍了电磁流量计的测量原理，以及电磁流量计的发展，分析了非 满管流体测量的特殊之处，以及现有的实现非满管流体测量的一些技术和方法， 并说明了本文的主要研究内容。 第2 章非满管电磁流量汁的总体设计思路 第2 章非满管电磁流量计的总体设计思路 本文的非满管电磁流量计与普通的电磁流量计的不同之处在于其应用范围 广泛，与第1 章中介绍的现有的测量非满管流体的测量方法不同的是，本文采取 的测量方法是，多对电极提取流速信号致测量管顶部和底部的差压传感器间接 获得流体的液位值日，结合流速信号y 和液位值日计算得到流体的流量。 2 1 非满管电磁流量传感器的设计 由于非满管电磁流量传感器和普通的电磁流量传感器有所不同，普通的电磁 流量传感器只能是在满管流量的情况下才能正常工作，一对测量电极不能满足对 流速的测量，本文非满管电磁流量传感器采用三对测量电极【2 2 。2 8 】，以满足在不同 液位下都能够对流体的流速进行测量。 普通的电磁流量计，它的测量管是一内衬绝缘材料的非导磁合金短管，电 极沿管径方向穿通管壁固定在测量管上，其电极头与衬里内表面基本齐平，励磁 线圈采用非均匀磁场技术及特殊的磁路结构1 2 , 5 1 ，当励磁信号通入励磁线圈中时， 将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通量密度为b 的工作磁场，此时若有 一定电导率的流体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势e ，电动势e 正比与 磁通量密度b ，测量管内径d 与平均流速v 的乘积，电动势e ( 流量信号) 由电 极检出并通过电缆送到转换器中，转换器将流量信号放大处理后，可以显示流体 流量。 由于设计的是非满管型电磁流量计，因此，与上述普通的电磁流量计不同 的地方在于，电极间的感应电动势e 不是像两电极那样只正比于测量管内径d ( 两电极电磁流量计中，两个电极之间的距离即是测量管内径d ) ，本论文里面 的感应电动势e 与当前测量所用的测量电极之间的距离d 成正比【h 】。具体电极 位置见图2 1 。 其中l 一测量管 2 励磁线圈 3 信号处理电路 蝴磁电路 5 ，仁第一对电极( 液位为管径的5 0 ) 7 ，江第二对电极( 液位为管径的3 0 ) 浙江大学硕士学位论文 1 4 9 ，1 旺第三对电极( 液位为管径的1 0 ) 1 l 一差压传感器 1 2 - 接地电极 1 3 一电磁流量转换器 1 仁电磁流量传感器 图2 1 非满管电磁流量计的结构示意图 图2 2 非满管电磁流量计的各对电极和差压传感器的立体分布图 第2 章非满管电磁流量计的总体设计思路 从图2 1 和图2 2 ，可以明显地看出，非满管电磁流量传感器的基本构造与 普通的电磁流量传感器的不同之处。普通的电磁流量计的两个电极的安装位置与 图2 1 中的5 ，6 第一对电极的位置相同，而非满管电磁流量传感器多出了下面 的两对电极。下面的两对电极是为了能够在非满管流体经过的时候，电极能够接 触到流体，对流体的流速进行测量【1 4 】。 当流体的流动状态是充满管道时，非满管电磁流量计测量与计算过程是同普 通型电磁流量计相同。通常而言，流体在管道内流动，它的液位大多数情况下是 在管径的3 0 以上的，所以这里电磁流量传感器中的第二对电极的高度安装在了 管径3 0 的位置，当流体的液位值日在管径的3 0 5 0 之间的时候，选择第二 对电极进行流速的测量。鉴于目前的非满管电磁流量计目前只能测量到液位值日 为管径的1 0 处，因此，第三对电极的高度安装在管径1 0 的位置。在管道的 底部( 和三对电极在同一圆形横截面上) ，安装一个接地电极【2 1 ，设置接地电极的 目的是为了可靠地、稳定地将导电液体作为差动流量信号的基准点与转换器的信 号连接起来。为了稳定地接地，一般是选择与电极材料一致或者相近的耐腐蚀材 料作为接地电极或者接地环的材料，它与液体之间形成相近或大致相等的极化电 位。这样可以使的仪表的输出摆动减小。 励磁线圈产生的磁场b 是通过电磁流量转换器里面的励磁电路产生的励磁 电流通到励磁线圈产生的。 已有的研究成果表明，采用低频正弦波励磁方式f 2 9 1 ，锁相放大技术是可行 的。可以实现选择与励磁频率相一致的有用信号频率，去掉工频干扰等各类干扰 因素。锁相环的特点是，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率 和相位。 本文中是采用乘法器来实现这一锁相的目的。理论上，电极输出的信号频率 应该是和励磁信号的频率相同，但是由于仪表的实际应用过程中，有大量的电磁 干扰以及受工频电源的影响，会影响测量的结果。通过对低频正弦波励磁下的信 号处理方法的研究，可以实现对有用信号的提取，最终获得流速信号，本文将在 转换器的设计中进行描述。 从图2 2 中可以看到，在测量管顶部和底部，还有一个差压传感器2 6 1 ，它是 用来测量流体流过测量管时在不同液位下的差压信号值，差压传感器测量获得液 浙江大学硕上学位论文 相和气相的压差信号，现在的传感器输出大多数是标准电流值( 4 2 0 m a ) ，需将 标准电流信号输出串联一个电阻，则电阻两端的电压值u 与液位信号所对应 的差压信号p 成一一对应的正比关系，根据公式 a p = 偌h ( 2 1 ) 其中p 为流体的密度，g 为重力加速度 由差压传感器的测量性质推导得出 h = k l 书u ( 2 2 ) 其中系数k l 压力液位的比例系数。 2 2 非满管电磁流量转换器的设计 非满管电磁流量转换器包括励磁电路和信号处理电路，负责向非满管电磁流 量传感器提供励磁电流，以及接收来自电极测量出来的感应电动势信号，将流速 信号进行放大，处理并且接受来自差压传感器的差压信号嘲。 励磁电流由励磁电路提供，该电路可以产生正弦波，矩形波，三焦波等，幅 值和频率可调，是由信号发生芯片产生。 差压传感器的信号采集及后续处理见图2 3 ，转换器将差压传感器的压力信 号进行信号处理成单片机可以接受的电压信号，单片机根据该电压信号计算出当 前液位值日，选择判断此时刻应该选择的合理的那对电极。 电极测量感应电动势 ，1 选择具体测量的电极对 多路模拟开关 v 图2 3 差压传感器信号通道 上文中提到的锁相放大技术，是通过乘法器实现的。励磁线圈的末端串接一 个电阻。 1 6 第2 章非满管电磁流量计的总体设计思路 设励磁线圈的励磁电流，= j 。宰s i n ( c o t + 痧) ，则电阻两端的反馈电压的信号 u r = u 只。宰s i n ( c o t + 矽) ，将该电阻两端的反馈电压u r 作为乘法器的一个输入端 信号。模拟开关的输出端对应着单片机选择的那个时刻的一对测量电极，那么， 模拟开关的输出端就是测量电极放大滤波后的信号，将它作为乘法器的另一端输 入，它的输出信号为u 。= u 。* s i n ( c o t + 矽) 口，2 9 1 ，乘法器的输出端是两输入端的模 拟乘积。不过，测量过程中会夹杂着频率不同的各类干扰信号。理论上，当u r 与u 相乘时，乘法器的输出结果 u o t - u r 木矾 2 。幸s i n 2 ( 刎+ 矽) = 半一半c 。s ( 2 c o t + 2 0 ) ( 2 3 ) 相乘的结果应该是直流分量和交流分量相叠加，交流分量的频率是输入信号 频率的两倍。该电路的实际应用中，乘法器的输出中，直流分量是与流体的流速 成线性关系的，交流分量的频率是励磁频率的两倍，只要对交流信号进行滤波处 理就可以获得直流分量了，并且可以去除一些干扰信号。在这里的转换器设计中， 将低通滤波器设置在乘法器的输出之后，先对该输出信号进行硬件滤波，再进行 软件滤波，可以得到更干净的滤波信号。 2 3 非满管电磁流量计的整体设计框架 该章节中的图2 1 和图2 2 已经可以清楚地看出非满管电磁流量计的结构示 意图了，下图2 4 是非满管电磁流量计的整体框架图【1 4 , 2 6 。 图2 4 非满管电磁流量计整体框架图 1 7 浙江大学硕士学位论文 励磁电路由信号发生器产生，实质是一个信号发生芯片c p 2 2 0 6 ，可以产生 正弦波，方波，三角波，斜波和矩形脉冲波，经过功率放大电路，获得合适大小 的励磁电流，通到励磁线圈里面，产生交变磁场b 。测量管底部的差压传感器在 该图没有显示出来，在图2 2 中可以看见，它产生的信号通过简单的信号处理， 通到m s p 4 3 0 1 3 0 ，3 1 1 单片机里的a d 里进行采样，由单片机根据采样结果控制多路 模拟开关的输入端选择，选择合适的电极对测量流体流过时产生的感应电动势， 同时获得当前流体液位值日的大小，由于电极直接采集到的信号幅值大小比较 小，信号很微弱，所以需要在通到乘法器之前对电极的信号进行预处理【2 9 ，3 2 1 ， 乘法器的输出结果先进行硬件上的低通滤波处理，再进行电平提升，送入单片机 内的a d 进行采样，最后软件滤波，得到流速信号v 的大小。流体的横截面积s 通过公式( 1 5 ) 计算得到。流量q 可通过下式获得。 q = v s( 2 4 ) 式中肛流体的流速，m s 趾流体的横截面积，i n 2 9 一流体的流量，m 3 s 2 4 本章小结 本章介绍了非满管电磁流量计的总体设计思路。画出了非满管电磁流量计的 整体设计框架图。在非满管电磁流量计的传感器中，采用了3 对电极测量非满管 流体流速，差压传感器用于测量非满管流体液位。分析了测量非满管流体时，转 换器电路的特点。 第3 章非满管电磁流量计的硬件设计 第3 章非满管电磁流量计的硬件设计 非满管电磁流量计和传统的电磁流量计一样，都是由传感器和转换器两个部 分组成分，硬件的设计贯穿在这两个部分之中，上文中给出了非满管电磁流量计 的总体设计思路，就包括了这两个部分。本章中将具体介绍硬件的组成部分，给 出非满管电磁流量计的测量步骤等。 3 1 非满管电磁流量计测量系统 非满管电磁流量计的测量系统由非满管电磁流量传感器以及转换器组成。工 作过程如下： ( 1 ) 当导电流体流过非满管电磁流量计的电磁流量传感器的测量管时，差压 传感器测量获得4 2 0 m a 的标准电流信号，标准电流信号通过串联一个电阻，电 阻两端的电压值u 与液位信号日所对应的差压信号p 成一一对应的正比关系， 根据公式卸= 屡，推导得出h = k l 木u ，其中系数k 1 压力液位的比例系数。 ( 2 ) 传感器由一对励磁线圈和三对对称分布的检测电极，以及测量管底部的 一个接地电极和一个差压传感器组成。接地电极与转换器中的地线相连接，转换 器中的励磁电路产生低频正弦波信号，输入到励磁线圈中，产生交变磁场b ，当 差压传感器采集到的电流信号转成对应的电压信号输入到电磁流量转换器中的 单片机，由单片机计算得到当前的流体的液位日时，根据计算出的液位日，单 片机控制多路模拟开关，由多路模拟开关选择此刻对应的测量电极对。 多路模