（检测技术与自动化装置专业论文）恒磁式电磁流量计极化控制方法的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 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性液体流量的 仪表。由于电化学反应、热电效应等因素使恒定磁场励磁的电磁流量计的测量 电极上产生严重的极化现象，导致极化电压淹没了反映流速的感应电动势信号。 因此，现有的电磁流量计大都靠通电线圈产生交变磁场。如何消除极化电压对 感应电动势的影响，一直是磁钢励磁的电磁流量计( 简称恒磁式电磁流量计) 研究的主要难点之一。 恒磁式电磁流量计采用磁钢( 永磁体) 产生磁场，可以大大简化传感器的 结构，并使整个仪表的功耗大大降低。同时磁场强度的加强使得感应电动势信 号的灵敏度增加，提高了仪表在低流速下的测量能力。恒磁式电磁流量计目前 仅仅应用于液态金属的测量。本课题的目的就是探索一种有效的极化控制方法 动态反馈极化控制方法，以验证恒磁式电磁流量计应用于一般导电性流体 测量的可行性。 首先，本课题在总结了已有的电磁流量计励磁技术的基础上，设计了采用 磁钢励磁的电磁流量传感器。随后，研究了磁钢励磁传感器的测量电极上产生 的极化电压的特点，在分析和比较已有极化控制方法的基础上，提出了动态反 馈极化控制方法，并对该方法进行了详细的论述与推导。接着，基于本课题设 计的传感器和信号处理方法，完成了整个恒磁式电磁流量计系统的设计( 包括 硬件部分和软件部分) 。在该系统中，极化电压被控制在某一个恒定的数值，反 应流体流量的感应电动势就能稳定、准确的测量出来。最后，建立了基于恒磁 式电磁流量计系统的实验平台，并制作了实验样机。实验结果的稳定性和重复 性都证明了动态反馈极化控制方法的可行性，从而提供了一种新的磁钢励磁的 电磁流量计的极化控制技术。 关键词：磁钢励磁，极化，动态反馈，电磁流量计 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ( e m f ) b a s e d o n f a r a d a y s l a wo f e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ni sak i n do ff l o w r a e t e r , w h i c hi sc o m m o n l yu s e dt o m e a s 珊et h ev o l u m e t r i cf l o wo fc o n d u c t i n gf l u i d d u et oe l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n , t h e r m o e l e c t r i c a le f f e c ta n do t h e re f f e c t s ，p o l a r i z a t i o np h e n o m e n o no c c u l $ 0 1 1t h e m e a s u r i n ge l e c t r o d e so fe m f e x c i t e db yp e r m a n e n tm a g n e t s ，w h i c hm a k e si th a r dt o d i s t i n g u i s h i n d u c e de l e c t r o m o t i v ef o r c ef r o m p o l a r i z i n gv o l t a g e t h e r e f o r e ， a l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e db yf i e l dc o i l si su s e db ym o s te m f a tp r e s e n t h o wt oe l i m i n a t et h ee f f e c to fp o l a r i z i n gv o l t a g eo ni n d u c e de l e c t r o m o t i v ef o r c ei s o n eo ft h em o s t l yd i f f i c u l tr e s e a r c h e so ne m fe x c i t e db yp e r m a n e n tm a g n e t s h o w e v e r , e m fe x i t e db yp e r m a n e n tm a g n e t si n s t e a do fe l e c t r i c a lc o i l sh a st h e a d v a n t a g e so fs t r u c t u r es i m p l i f i c a t i o n ，m i c r op o w e rc o n s u m p t i o na n dq u i c kr e s p o n s e m e a n w h i l e ,e n h a n c e dm a g n e t i cf i e l di m p r o v e s i t sm e a s l l r e m e n t c a p a b i l i t yo f p e r m a n e n t m a g n e te m fi nl o wv e l o c i t y h o w e v e r , p e r m a n e n t - m a g n e te m f i so n l y u s e di n t h ef l o wm e a s w e m e n to fl i q u i dm e t a ln o w a d a y s an e we f f e c t i v e p o l a r i z a t i o nc o n t r o lm e t h o di sr e s e a r c h e di no r d e rt op r o v et h ef e a s i b i l i t yt h a te m f e x d t e db yp e r m a n e n tm a g n e t sc a nb eu s e dt om e a s u r et h ev o l u m e t r i cf l o wo f c o n d u c t i n gf l u i d ，w h i c hi sd y n a m i cf e e d b a c kp o l a r i z a t i o nc o n t r o lm e t h o d i nt h i sp a p e r , an e we l e c t r o m a g n e t i cf l o ws e n s o re x c i t e db y p e r m a n e n tm a g n e t s i sd e s i g n e df i r s t l yb a s e do nt h er e s e a r c ho fe x c i t a t i o nt e c h n o l o g yo fe m es e c o n d l y , p o l a r i z i n gv o l t a g eg e n e r a t e do nt h em e a s u r i n ge l e c t r o d e so fe m fe x c i t e db y p e r m a n e n tm a g n e t si sr e s e a r c h e d s t u d i e so nt h et r a d i t i o n a lp o l a r i z a t i o nc o n t r o l m e t h o d so fe m fa r ei n t r o d u c e d a n dan e wd y n a m i cf e e d b a c kp o l a r i z a t i o nc o n t r o l m e t h o di sp r e s e n t e d ，w h i c hi sd i s c u s s e da n dd e d u c e di nd e t a i l t h i r d l y , t h ew h o l e p e r m a n e n t - m a g n e te m fs y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e s i g n e do nt h e b a s i so fe l e c t r o m a g n e t i cf l o ws e n s o ra n dp o l a r i z a t i o nc o n t r o lm e t h o dm e n t i o n e d a b o v e t h ei n d u c e de l e c t r o m o t i v ef o r c er e f l e c t i n gf l o wv e l o c i t yc a nb em e a s u r e d n 上海大学硕士学位论文 s t a b l ya n dq u a l i t a t i v e l y , o n c et h ep o l a r i z i n gv o l t a g ei sc o n t r o l l e da tac o n s t a n tv a l u e l a s t l y , t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do nt h ep e r m a n e n t - m a g n e te m fs y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，a n dt h em o d e lm a c h i n ei sp r o d u c e d t h em e a s u r i n gr e s u l t so fe m f e x c i t e db yp e r m a n e n tm a g n e t sh a v eg o o ds t a b f l i wa n dr e p e a t a b i l i t y , w h i c hp r o v et h e f e a s i b i l i t yo fd y n a m i cf e e d b a c kp o l a r i z a t i o nc o n t r o lm e t h o d t h e r e f o r e ，a n e w p o l a r i z a t i o nc o n t r o lm e t h o df o re m fe x c i t e dp e r m a n e n tm a g n e t si sp r e s e n t e da n d p r o v e db yt h i sp a p e r k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t se x c i t a t i o n ，p o l a r i z a t i o n , d y n a m i cf e e d b a c k , e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ( e m f ) i 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：刻亘曼日期：垫堕至塑 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) 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 本章主要内容： 流量测量的发展 电磁流量计的基本原理及其发展 恒磁式电磁流量计极化控制方法研究现状 1 1 引言 流量是指在单位时间内流体通过一定截面积的数量。若这个量用流体的体 积来表示称为瞬时体积流量，简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质 量流量，简称质量流量。对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流 量计量。流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体； 流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因 此，流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场 所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。 人类在很久以前就开展了流量测量活动。古埃及人用尼罗河流量来预报年 成的好坏，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。流量与温度、压力等一样，是工农 业生产过程控制的重要测定参数之一。不管是用于计量或同时用于控制，流量 测量涉及人们日常生产和生活的各个领域，如工业生产、石油天然气的开采和 运输、化工及日常的生活用水、煤气等。流量是一个动态量，通常测量流量的 对象是气体、液体和混合多相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、紊流等等。对液体而言还存在着粘度大 小、导电与否等的不同情况。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，这是流量计量技术研 究的主要工作之一。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【2 卅。 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 上海大学硕士学位论文 受到重视，流量仪表随之迅速发展起来。如n - 十世纪5 0 年代，工业中使用的 主要流量计已经有孔板、皮托管、浮子流量计三种，被测介质的范围也较窄， 但测量准确度已开始满足一些低水平的生产需要。而近5 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的需要，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 计等几十种不同测量原理的新型流量计【5 。 目前流量计量广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究、对外贸易以 及日常生活各个领域之中，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，资料表明，在不 同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的1 5 3 0 。流量仪表的配备 很大程度上直接影响企业的经营与成本核算，目前国内外投入使用的流量计有 百十多个品种。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，还有大量的技术问 题有待进一步研究解决。目前主要存在的问题如下： 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； 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时检定流 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间接测量技术大大发展，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。新型流量计已具有量程比宽、 智能化、可靠性高、价格低廉、维修方便的特点。 2 上海大学硕士学位论文 1 2 电磁流量计的基本原理 1 2 1 法拉第电磁感应定律 十九世纪英国物理学家法拉第最早通过实验发现了电磁感应现象。实验表 明，当通过导体回路所包围的面积的磁通量发生变化时，在回路中就会产生感 应电动势及感应电流。感应电动势的大小与回路相交的磁通随时间的变化率成 正比，其方向由楞次定律决定。楞次定律表示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的变化6 。因此，回路中感应电动势e 的大小和 方向可表示成： e ：一_ - d o ( 1 1 ) d t 其中，磁通的正方向与感应电动势的正方向符合弗来明右手定则。式( 1 1 ) 称为法拉第电磁感应定律。 实际实验中，导体回路所包围的面积的磁通量发生变化，通常有两种表现 形式：一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未作切 割磁力线运动，但是导体回路所包围的磁通量是交变的。电磁流量计主要是根 据导体作切割磁力线运动所产生的感应电动势与被测流体的流速的一一对应关 系实现流量测量的。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。如果只考虑大小，就可略去式( 1 1 ) 前面的负号，式( 1 1 ) 变为： e ：掣：掣：b 掣：b d v ( 1 - 2 ) md td t 式中：b _ 磁感应强度( t ) a 磁通量变化面积( m e ) d - - - - 导体长度( m ) d l 导体运动距离( m ) 矿导体平均运动速度( m s ) e 导体两端感应电动势( v ) 导体切割磁力线时形成的导体回路磁通量( t m 2 ) 式( 1 2 ) 说明，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 3 上海大学硕士学位论文 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 度矿成正比。 1 2 2 电磁流量计的基本原理 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性液体流量的 仪表，它能够把流速或流量信号线性的变换成与之对应的感应电动势。只是此时 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，切割 磁力线的长度是两电极之间的距离，近似等于液体流柱的直径( 如图卜1 ) 。 图1 1电磁流量计的工作原理示意图 在测量管内，穿过测量管横截面的液体瞬时流量为q = 等d 2 矿，由式( i - 2 ) 可知，电极两端的感应电动势大小近似等于： e = 肋矿= 等q 0 - 3 ) 孔d 由式( 1 3 ) 可以看出，当磁感应强度b 和测量管内径d 一定时，感应电动势e 与 瞬时体积流量q 是线性关系，而与其它物理参数无关，这也是电磁流量计的最大 优点之一。 1 2 3 电磁流量计的特点 电磁流量计从法拉第提出概念到实际的商品化应用经过了一百二十多年的 发展，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，具有以下显著优点 5 ，8 】： 1 ) 测量通道是一段光滑直管，不因流量检测的方法原因产生压力损失， 压力损失极小，无可动部件； 4 上海大学硕士学位论文 2 ) 流量测量不受流体温度、压力、密度、粘度等条件影响； 3 ) 可对多相流进行测量，精度高，量程宽； 4 ) 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； 5 ) 输出电动势与流速变化同步，响应速度快； 6 ) 可测流体的正反向流量。 尽管电磁流量计具有上面所述的许多优异的性能，但在使用上也存在着一 定的局限性，其不足之处有： 1 ) 要求被测量流体必须是导电的，因而有可测量最低电导率的限制，如 不能测量电导率很低的液体，如石油制品； 2 ) 不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体； 3 ) 流速分布影响测量精度，对直管段有要求； 4 ) 因传感器材料原因不能用于较高温度的测量场合。 1 3 电磁流量计的发展 1 3 1 电磁流量计的发展历史 早在1 8 3 2 年，根据其发现的电磁感应原理，法拉第设想利用地球自身的磁 场对泰晤士河河水流量进行测量，在滑铁卢桥的两岸，选择与水流方向垂直于 地磁场方向的地方，放下两个金属棒当作电极来测量河水的流速。这是世界上 第一次电磁流量计的试验，从此揭开了电磁流量计研究的序幕。但是在法拉第 进行试验时，由于对电磁流量计工作特点的认识还不够深入，特别是对由于电 化学反应、热电效应等原因产生的电极极化干扰信号认识不足，以及当时的测 量技术十分落后，因此没能得到反映流速的感应信号，试验以失败告终。 直到1 9 1 7 年，在认识到极化产生的机理和特点之后，史密斯和斯皮雷安将 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5 1 。1 9 3 0 年，威廉斯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。从此有了比较系统的 电磁流量计理论基础。但是他们的研究大多属于理论分析，还不能做出有实用 5 上海大学硕士学位论文 价值的电磁流量检测仪器。 1 9 3 2 年前后，生物学家柯林等人根据法布伦的建议，利用电磁流量计来测 量和记录瞬时动脉血液流量，并且获得成功。不过，当时的电磁流量计只能作 为实验室专用仪器，并没有得到广泛应用。 第二次世界大战以后，原子能工业有了迅猛的发展，因而测量液态金属的 永磁流量计才得以发展起来，并在这些特殊工业的试验和生产中得到应用。但 是，它的使用领域还不能扩大到一般的工业中去。 1 9 5 1 年，荷兰人首先在挖泥船上使用电磁流量计测量泥浆流量。1 9 5 4 年， 美国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 年日本生产出自 己的电磁流量计，1 9 5 5 年前后，前苏联、英国、德国也成功地生产出电磁流量 计。我国在1 9 5 7 年才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。 2 0 世纪6 0 年代初，希克里夫在柯林等前人对无限长均匀磁场的电磁流量 计研究的基础上，完成了有限长均匀磁场下等流速情况的数学解析，并用权重 函数的理论揭示了产生感应电动势的微观特性，使得电磁流量计有了系统的基 础理论。2 0 世纪6 0 年代后期到7 0 年代中期，随着集成电路的迅速发展和世界 能源危机对流量测量仪表提出了更高的要求，出现了低频双向恒流( 矩形波) 励磁的新技术，推动了电磁流量计的进一步发展。 2 0 世纪7 0 、8 0 年代，利用电子及微处理器( m c u ) 技术的最新成果，电磁 流量计技术进入了数字化时代，测量精度和功能不断提高。新的类型的电磁流 量计也不断出现，插入型、一体型、两线制、防爆型、高压型、具有通讯功能 的电磁流量计在工业生产过程自动控制中越来越受欢迎，使它成为应用广泛的 一类流量计。 总之，电磁流量计的发展经历了漫长的历史。可以预见，微电子技术的发 展和新型电子元器件的不断问世，将为电磁流量计性能的提高奠定坚实的技术 基础。 6 上海大学硕士学位论文 1 3 2 电磁流量计的发展现状 1 3 2 1电磁流量计的技术现状 从2 0 世纪5 0 年代发展起来的交流正弦波工频励磁到7 0 - , 8 0 年代出现的低 频矩形波励磁，再到9 0 年代以后的高频励磁、双频励磁、可编程控制励磁等， 励磁方式的不断改进代表着电磁流量计技术的不断进步。随着电子学和计算机 技术的发展，更加速了电磁流量计技术的大发展。当前电磁流量计的技术发展 可归纳为以下几个方面【9 】： 1 ) 高精确度 与早期的工频励磁相比，低频矩形波励磁、双频励磁、可编程控制励磁等 新的励磁方式电磁流量计，提高了传感器输出流量信号的信噪比，降低并稳定 了仪表的零点。转换器应用先进的集成运算放大器大幅度降低了器件的噪声。 采用数字的处理方法，较模拟电路的转换器能使电磁流量计的测量精确度大幅 度提高。感应信号的权重函数理论研究，一定程度地改善了管道内流速分布非 轴对称流量准确测量的影响。因此，现代的电磁流量计有可能达到0 5 ，甚 至0 2 示值误差的测量精确度。 2 ) 高可靠性、多功能化 流量计零点变化主要是由于处于交变工作磁场的金属测量管和导电液体 中，即使流体流速为零的情况下，因为电磁感应的作用，仍会产生涡电流，形 成的二次磁通所引起的。低频矩形波励磁能有效地减少二次磁通的产生，因而 零点较稳定。矩形波磁场的频率为工频频率的整数倍，信号采样时其平均值为 零，可消除工频串模干扰的影响。调制的双频励磁、可编程控制励磁，在测量 固液两相浆液流量时，能减小电极上产生的低频电化学噪声的影响，提高了传 感信号的可靠性。高集成度的电子元器件减少了硬件的故障率，硬件、软件的 屏蔽技术等，都是增加转换器可靠性的有效措施。 转换器中应用单片机，能充分利用计算机具有信息储存、分时处理、运算 和控制能力的优点，能比较容易的实现流量的双向测量、空管检测、多量程自 动切换、人机对话、与上位计算机通信、自诊断等附件功能。新一代具有h a r t 协议和其他类型现场总线的电磁流量计，更为用户实现全新的生产控制与科学 7 上海大学硕士学位论文 管理方式提供了条件。 3 ) 小型化 权重分布型磁场的电磁流量传感器磁场线圈较均匀分布磁场励磁线圈的长 度大大的缩短；低频励磁信噪比的提高，可使磁感应强度也大幅度地降低。因 而，线圈铁心尺寸能够减小，传感器长度得以缩短。所以，与早期的电磁流量 计相比，当前的电磁流量计能够实现产品的小型化。传感器与转换器合二为一 的一体型结构，更能有效的降低流量计的制造成本。 4 ) 低功耗 早期交流励磁的电磁流量计，存在大的涡流损失。为了得到高的测量精度， 需要产生较强的感应电动势，这时设计的传感器磁场约为流速l m s 产生1 - 2 m v 的感应信号电压。因此，交流励磁型的电磁流量计消耗功率往往在数十瓦至上 千瓦。低频矩形波磁场大部分时间处于直流状态，其铁心涡电流损失很小，磁 感应强度很低。这样设计的传感器磁场，大约是l m s 流速能够产生o 1 o 2 m v 的感应信号电压。因此，低频矩形波励磁的电磁流量计与交流励磁型电磁流量 计比较，能耗大幅度的降低。如今，一般电磁流量计的总功耗在1 0 - - 2 0 w 以内。 励磁电流在4 m a 以下的两线制电磁流量计也已出现，更有消耗功率仅需2 m w ， 用锂电池供电可使用8 年的电磁水表。还有了在无交流电下使用的电磁流量计 产品。 5 ) 适用范围扩大 随着现代电子技术的发展和新型绝缘材料、磁性材料不断地出现，有条件 开发不同型式的电磁流量计，来解决测量介质对电极的腐蚀、污染问题，解决 电导率低于l1 1s m 介质的测量，例如电容式电磁流量计就可替代传统的机械式 容积流量计，以测量纯水、制糖脱盐液和含有油分等低电导率流体的流量。 1 3 2 2 电磁流量计的市场现状 电磁流量计具有高精度、高稳定性、快响应、小型化等性能特点，而且种 类很多，因此已成为流量测量技术中应用最广泛，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，目前电磁流量计的年销售台数大约占流量传 感器及其仪表总数的5 ，销售份额约占总量的2 0 t l o ，1 1 1 。 上海大学硕士学位论文 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 m 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。 美国a r c 咨询公司在2 0 0 4 年8 月出版的中国电磁流量计市场动向调查 中提到，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 2 】， 市场收入预期在未来五年内以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。 根据a r c 近期的一项研究，全球电磁流量计在未来5 年的年复合增长率可 达到3 5 。这一市场2 0 0 6 年达到7 3 0 4 亿美元，预计至2 0 11 年将达到8 6 6 亿 - i 一 芙兀。 综上所述，在如此优越的发展形势下，电磁流量计仍将是国内外流量仪表 市场的领导者，其市场前景将继续保持旺盛的态势和巨大的潜力。 1 4 恒磁式电磁流量计极化控制方法研究现状 国内外对恒磁式电磁流量计的研究比较少，其应用范围也十分有限。已有 的恒磁式电磁流量计仅限于原子能工业的试验和生产过程中，用于测量导电率 极高、流体内阻特小而且几乎不产生极化效用的液态金属( 例如汞，液态金属 钠等) 的流量，其测量原理图如图1 2 所示。但是，随着电子技术的发展，以 及信号处理方法的完善，使恒磁式电磁流量计应用到一般的工业中成为可能。 图1 - 2 液体金属测量原理图 9 上海大学硕士学位论文 恒磁式电磁流量计设计过程中的主要问题就是金属测量电极的极化问题。 与被测电解质液体接触的金属电极会发生电化学反应，使正负离子分别在测量 电极表面上堆积，导致测量电极两端产生极化电压。如果极化电压过大，就会 淹没反映流量信息的感应电动势。为了克服电极极化，目前市场上所应用的电 磁流量计大多采用交变励磁。在交变励磁的电磁流量计中，通过不断变换励磁 的方向，能够基本消除测量电极表面的极化现象。然而，在交变励磁的电磁流 量计中，励磁功耗在电磁流量计中的总功耗中占了很大的比重。恒磁式电磁流 量计利用磁钢( 恒磁) 励磁技术，励磁方式简单，且励磁部分的功耗为零，从 而可以开发出低功耗电磁流量计，甚至于电池供电的电磁流量计，这在能源相 对紧缺的今天，是相当有竞争力的。而要实现这一目标首先必须克服电极表面 的极化问题，这是非常困难的。从法拉第开始至今的一百七十多年的时间里始 终无法找到一种合适的方法。 恒磁式电磁流量计的极化控制方法，目前国内外研究人员针对这一问题提 出了不少的研究思路并取得了一定的成果。 1 9 9 7 年，日本的h a t a k er i i c h i 申请了电磁流量计的专利 1 3 】，其传感器 结构示意图如图1 3 的( a ) 和( b ) 所示。 步进电机 ( a )( b ) 图1 3 永磁体励磁的传感器结构示意图 为了减小系统的功耗，在测量管道的外壁放置一块永磁体( 如图a ) ，也可 1 0 上海大学硕士学位论文 用两块旋转方向相反的永磁体( 如图b ) ，该永磁体可在驱动装置( 如步进电机) 的作用下旋转，因而磁场方向是交替变化的。两个电极的空间直线连线方向、 磁场方向和流速方向三者两两垂直，因为不会在电极表面产生极化现象，流速 可以准确测量。另外，由于采用非常低功耗的步进电机，整个电磁流量计的功 耗可大大降低。 该方法的特点在于旋转永磁体，以得到方向交替变化的励磁磁场。但是， 从本质上讲，本专利的设计思想和采用通电线圈的正反励磁方式以消除极化的 原理相同，没有实质性的变化。而且，用电机驱动永磁体旋转运动，电磁流量 计的整体能量消耗很大，并没有实现真正意义上的低功耗。 浙江大学提出了一项专利，利用在电极上施加交流电场激励来抑制极化电 压的方法【1 4 1 ，其思路是在非采样时间内采用在电极上施加快速变化的交变电场 来抑制传统直流励磁测量非金属流体时严重的极化现象，采样时间内永磁式励 磁又避免了交流电磁场的干扰。上海大学提出了一项专利，对测量电极进行等 电量动态反馈的方法来克服磁钢励磁电磁流量计的电极极化问题【1 5 】，并首次实 现了具有实际应用价值的恒磁式电磁流量计。目前根据上海大学的研究成果， 恒磁式通用电磁流量计在低流速上的测量已经取得了比较理想的实验结果，进 一步工作将是使磁钢励磁的电磁流量计技术走向产品化。 1 5 本课题的研究内容及论文编排 1 5 1 本课题的研究内容 自1 8 3 2 年法拉第首次进行电磁流量计试验以来，恒磁式电磁流量计的研究 一直是电磁流量计研究中的难题之一。本课题的研究目的就是探索一种有效的 极化控制方法，以便解决磁钢励磁的电磁流量计的极化问题，使恒磁式电磁流 量计应用于一般导电性流体的测量成为可能。 就恒磁式电磁流量计目前的研究而言，主要难点集中体现在以下几点： 1 ) 极化电压与电极材料、液体性质有关，且影响感应电动势； 2 ) 直流极化电压随机性大，且远远大于反应流速的感应电动势； 3 ) 实际测量过程中，两电极上叠加了一系列的干扰信号； 上海大学硕士学位论文 4 ) 尽管磁感应强度增大了很多，但与极化电压相比，反应流速的感应电 动势仍然非常微弱。 以上众多问题使得从一个较大的无规律随机变化的极化电压中提取出有用 的微弱感应电动势十分困难，也是目前电磁流量计研究的难点之一。 本课题针对磁钢励磁的特点，在前人研究方法的基础上，比较现有的电磁 流量计有关的技术，本课题试探性地从极化电压的角度出发，而不像现有的电 磁流量计那样避开极化问题，探索了几种相关的实验方法，最终，在参考和借 鉴电极结构、极化现象产生机理和双电层理论【1 6 】的基础上，提出了一种动态跟 踪极化电压并反馈控制的方法来有效地抑制极化电压，从而提取出反应流体流 速的感应电动势。 因此，本课题首先设计了恒磁式电磁流量传感器，并探索了多种实验方法， 提出了动态反馈极化电压控制方法，设计了相应的硬件测控电路和配套的软件。 并通过实验来验证本课题设计方法的可行性。 1 5 2 论文编排 本论文全文共分六章，后续的章节安排如下： 第二章阐述了电磁流量传感器的研究，介绍了电磁流量计的组成，并对各 种励磁技术的工作原理和特点进行了阐述和分析，最后在借鉴已有的电磁流量 传感器的基础上，设计了基于磁钢励磁的恒磁式电磁流量传感器，并对设计过 程中需要注意的问题进行了说明。 第三章阐述了恒磁式电磁流量计极化控制方法的研究，针对恒磁式电磁流 量传感器产生极化电压的特点，在已有的线圈励磁的电磁流量计极化处理方法 的基础上，对恒磁式电磁流量计的几种极化电压控制方法进行了研究，并分析 了各种方法的优缺点，从而提出了动态反馈极化控制电压的方法。 第四章阐述了本课题提出的动态反馈极化控制方法，对该方法进行了详细 的分析与推导，并针对在实验过程中发现的问题，对动态反馈极化控制方法进 行了改进。基于改进的动态反馈极化控制方法，本课题设计了恒磁式电磁流量 计的硬件电路系统。硬件电路部分主要包括转换器电路的设计，极化控制电路 的设计，以及单片机及其外围系统的设计。这一章是本课题的研究核心。 1 2 上海大学硕士学位论文 第五章阐述了本课题设计的恒磁式电磁流量计的软件系统，以及该流量仪 表系统( 包括硬件电路和软件系统) 的实验。根据第四章设计的改进后的动态 反馈极化控制方法和硬件电路系统，本课题设计的软件系统主要包括中断程序 设计( 包括定时器中断和a d 转换结束中断) 和数据处理程序。最后，对本课 题设计的流量仪表进行了实验，并实验结果进行了相应的分析。 第六章是本文的总结，总结了本课题的研究工作，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 3 上海大学硕士学位论文 第二章电磁流量传感器的研究 本章主要内容： 电磁流量计的组成 电磁流量计励磁技术 恒磁式电磁流量传感器设计 2 1 电磁流量计的组成 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表。 整套仪表由电磁流量传感器和电磁流量转换器组成，并连接积算、记录、显示、 调节仪表或计算机网络构成流量的测量系统。电磁流量计系统框图如图2 1 所 示【1 7 】。电磁流量传感器安装在流体传输的工艺管道中，用以将流经管道的导电 液体的流速( 或流量) 值线性地变换成感应电势信号，并经过传输线将此信号 送到转换器中去。转换器的作用是将传感器送来的流量信号进行比较、放大， 并转换成标准的输出信号，供显示仪表、记录仪表、调节仪表和计算机网络实 现对流量的远距离指示、记录、积算、控制与调节。 图2 - 1电磁流量计系统框图 2 2 电磁流量计励磁技术 2 2 1 电磁流量计励磁技术概述 在电磁流量计中，电磁流量传感器获取流体的流量信号，并将其转换为相应 的电信号。因此，传感器的好坏直接影响了流量计的测量精度。传感器的一个重 要部分是由励磁系统产生的工作磁场，故励磁方式决定着电磁流量计的抗干扰能 1 4 上海大学硕士学位论文 力大小和零点稳定性能的好坏。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年代生产的产品特性和技术进步的演变过 程。 1 8 3 2 年法拉第在英国泰晤士河畔的滑铁卢桥下利用地球磁场进行首次电磁 流量计的实验之后，许多科学工作者就开始利用直流励磁技术研究电磁流量计， 但是由于当时测量技术水平较低都未能获得成功。第二次世界大战后，第一台永 磁励磁的电磁流量计诞生，并用于测量核反应堆的液态金属钠和铋的流量。自从 直流励磁电磁流量计研制成功后，电磁流量计作为具有商品价值的流量仪表，开 始其在工业上的应用。越来越多的励磁方式的电磁流量计不断被开发成功。工频 正弦波励磁技术在2 0 世纪5 0 年代的采用，才真正实现了电磁流量计的大规模工业 应用。7 0 年代中期，工业发达国家纷纷研制成功双极性低频矩形波励磁电磁流量 计，并取代工频正弦波励磁电磁流量计，从而开始了低频矩形波励磁电磁流量计 的工业应用时代。1 9 8 3 年，日本横河北辰电机株式会社、德国k r o h n e 公司、e + h 公司、美国f o x b o r o 公司、f i s c h e l & p o r t e r 公司等均研制成功了三值低频矩形波励 磁电磁流量计产品，取代了普通的低频矩形波励磁电磁流量计产品，并将微处理 器芯片和软件技术应用到电磁流量计产品中，提高了电磁流量计的性能，使电磁 流量计进入了智能化阶段【1 8 】。 近几十年来，随着电子技术的发展，电磁流量计先后经历了电子管、晶体管、 集成电路、大规模集成电路和微处理器技术等五个时代。同时，作为电磁流量计 关键技术之一的励磁技术也经历了直流励磁( 含永磁励磁) 、工频正弦波励磁、低 频矩形波励磁、低频三值矩形波励磁、双频矩形波励磁等五个阶段。目前，国外 以三值低频矩形波励磁技术和双频矩形波励磁技术为主流，由大规模集成电路和 微处理器技术构成的智能电磁流量计具有高精确度、高可靠性、低功耗、多功能、 小型轻量一体化等性能特征，己成为目前国外电磁流量计的主要产品。 2 2 2 各种励磁技术的工作原理及特点1 1 s - 2 2 1 电磁流量计的励磁技术决定了电磁流量传感器工作磁场的特征。由于电磁 流量传感器磁路是不饱和的，即是线性化磁路，因而励磁电流波形与磁通波形 基本一致，所以电磁流量计励磁技术决定了电磁流量计信号处理技术，下面就 1 5 上海大学硕士学位论文 几种励磁技术的工作原理及特点做一下分析比较。 一、直流励磁 直流励磁技术是利用直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供电或者永磁体 以形成恒定的励磁磁场，它的励磁波形如图2 2 所示。 图2 2 直流励磁 这种直流励磁技术具有励磁方法简单、可靠，受工频交流电磁场干扰影响 很小，流体中的自感现象可忽略不计等优点。然而，直流励磁技术存在的最大 问题是直流感应电势在两电极表面形成固定的正负极性，从而引起被测流体介 质电解，导致电极表面出现极化现象。这种现象的存在将使由流量信号感应的 电势减弱，电极间等效电阻增大，同时出现电极极化和电势漂移，以至严重影 响信号转换放大部分的工作。其次，直流励磁在电极间所产生的不均衡的电化 学干扰电势叠加在直流流量信号中，不仅无法消除，而且还随着时间、流体介 质特性以及流体流动状态等变化而变化。再次，直流放大器的零点漂移、噪声 和稳定性等问题难以获得很好解决。 基于以上原因，目前直流励磁技术仅局限在原子能工业中，应用于导电率 极高、流体内阻特小且几乎不产生极化效应的液态金属( 例如汞等) 流量测量 中，且测量电极都是采用贵重的铂电极。但是，即使电极采用极化电压很小的 铂、金等贵金属及其合金材料，也常常存在微弱的极化电压，而且采用贵重金 属将使得仪表的制造成本较高【2 3 1 。所以，直流励磁对一般流体的测量困难，极 化电压大，目前仅仅适用于测量非电解质液体( 如液态金属等) 的流量测量。 二、工频正弦波励磁 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传感器励磁 绕组供电，使之形成正弦波励磁磁场，其励磁波形如图2 3 所示。其主要特点 是能够基本消除电极表面的极化现象，降低电极电化学电势影响和传感器内阻。 1 6 上海大学硕士学位论文 另外，采用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。 j 八八八茹1 n i vvv 7 t 图2 3 工频正弦波励磁 但是，工频正弦波励磁技术的采用会带来一系列电磁感应干扰和噪声。首 先，电磁感应产生的正交干扰( 又称为变压器效应) ，其干扰幅值与频率成正比， 相位比流量信号滞后9 0 度，而且实际中一般又远远大于流量信号，因此如何克 服正交干扰电势的影响是正弦波励磁技术的主要难题。其次，工频正弦波供电 电源存在电源电压幅值和频率波动的影响，产生供电电源性干扰。第三，存在 电磁感应的涡流效应、静电感应的分布电容、杂散电流产生同相干扰，且此干 扰电势的频率和工频完全一致，并叠加在流量信号之中难以消除，以致电磁流 量计零点不稳定。虽然采用相敏整流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、电源补偿、 自动正交抑制系统等技术措施以消除与流量信号频率一致的工频干扰电压，但 由于正交电势的幅值比流量信号电势幅值大几个数量级，正交抑制系统等抗干 扰技术措施的任何不完善，都可能引起一部分正交电势转化为同相干扰电势， 导致电磁流量计零点不稳定，精度