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上海大学博士学位论文 多参数电磁流量计及其实现技术的研究 摘要 电磁流量计是一种利用电磁感应原理进行测量的仪表。作为一种常用的测 量导电介质体积流量的计量仪表，从1 8 3 2 年英国科学家法拉地最早提出到现在 已经发展了一百多年，经历了多个发展阶段。二十世纪7 0 、8 0 年代电磁流量计 在信号处理技术方面取得了重大进展，新的适应不同测量条件的种类被不断的 开发出来。由于它本身具有测量精度高、量程比宽、管道压力损失小等特点， 使它成为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中的占有率不断上升，在工农业生 产中发挥着重要作用。 电磁流量计原理上的优点是：当导电性流体在磁场b 下流动时，测量电极 间的流体感应电势e 通过仪表系数k 与流体平均流速v 具有对应关系。在与 磁场强度、管道直径和信号放大器输入阻抗参数相关的仪表系数k 不变的假设 条件下，具有可由感应电势值直接度量流量值的特点。近几十年来在满足上述 假设条件的应用领域中，电磁流量计己成为最典型的流量仪表。 尽管电磁流量计在水计量方面一直是一种首选仪表，但随着环保和给排水 等领域流量计量方式的日益增加，不满足上述假设条件的应用需求不断出现。 如在给排水、水利、污水排放监测等领域对非满管状态的流量检测需求日益增 加。而流体的非满管流动使电磁流量计的仪表系数k 成为一个变化值，非满管 状态的流量检测需要对流速和液位等多参数进行准确测量。近年来，研究具有 多参数测量能力的电磁流量计成为了流量检测领域的研究热点之一。 在研究电磁流量计传感器技术中，可以注意到这样一个重要特点：在仪表 的流速信号变送环节中，两个接触流体的测量电极与信号放大处理器组成了一 个特有的流体内电势测量回路。论文希望利用这个特点，研究建立附加的测量 关系和原理，从而解决对仪表系数k 变化状态的检测方法与技术。实现具有多 参数测量能力的电磁流量计。 本论文的整个工作直接利用了电磁流量计的测量电极与导电流体直接接触 的特点，提出了基于附加激励的参数测量原理，通过在流体内电势测量回路中 引入新的激励来建立新的测量方程，展开对多参数电磁流量计的实现方法和技 术的研究。 为了全面研究应用附加激励原理来实现多参数测量，论文分别对被动附加 激励和主动附加激励两种附加激励模式进行了多参数测量方法的研究。在理论 方面，论文研究了电磁流量计电极测量回路的基本信号传输模型，推导了附加 激励条件下利用电极测量回路对流体电导进行测量的基本测量方程。在此基础 v 上海大学博士学位论文多参数电磁流量计及其实现技术的研究 上，论文对两种类型的激励源的来源、特点及作用于电极回路进行测量的模型 进行了进一步的研究：( 1 ) 建立并推导了两种不同被动附加激励条件下进行电 导测量的基本方程，并通过理论分析和试验证明，利用这两种被动附加激励信 号可以用来实现电磁流量计的空管检测，据此，论文分别研究了利用这两种被 动附加激励信号进行空管检测的数据处理方法及空管检测的判据。( 2 ) 根据电 极测量回路的特点，研究利用主动附加激励作用于电极进行电导测量的方法和 实现技术，建立了主动附加激励条件下的电导测量模型，并推导了测量方程。 设计了并给出了利用主动附加激励实现电导测量的工作时序及数据处理方法。 利用电导与其它状态参数的关系，实现了电导率测量、空管检测、非满管流量 测量，为实现多参数功能的电磁流量计提供理论支撑和实现手段。为实现电磁 流量计的多参数测量提供了必要的测量条件。 作为多参数测量的一种重要应用，非满管流量测量需要同时测量流量信号 的大小和管道内流体的液位，并进行多参数测量的综合处理。论文在分析总结 非满管流动的相关水力学理论的基础上，进行利用长弧形大电极的结构的传感 器实现非满管电磁流量计的研究。利用附加激励测量电导的研究成果，研究了 非满管流动状态时用电极测量的流体电导与液位之间的模型和测量关系，据此 设计了一种非满管电磁流量计，给出了相应的测量时序关系和数据处理方法。 在本文的研究成果的基础上，设计了一种主动附加激励的模块并完成了多 参数非满管电磁流量计样机和能够进行非满管流量测量的试验平台，进行了以 下验证试验：( 1 ) 用传统的双点电极传感器，利用主动附加激励测量方法，进 行测量流体电导率的试验和空管检测的试验；( 2 ) 利用设计的大电极传感器， 与标准的电磁流量计进行了满管流量测量的对比试验；( 3 ) 利用设计的大电极 传感器进行了非满管流量测量的试验。相关试验证明了本文研究的实用性及方 法的可行性。从而在理论和技术上实现了用电磁流量计进行多参数测量。论文 最后提出了有待于进一步解决的问题。 论文制作的多参数电磁流量计样机参加了2 0 0 6 年1 1 月上海举办的“中国 国际工业博览会”的创新成果区的演示和展出。样机的参数测量指标达到了当 前国际同类产品的水平，受到业内人士的关注。 关键词：电磁流量计多参数非满管电激励大电极 v i 上海大学博士学位论文 多参数电磁流量计及其实现技术的研究 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 do nf a r a d a y sl a wo fe 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 fc o m m o n l yu s e df l o w m e t e rt om e a s l | f et h ev o l u m e t r i c f l o wo fc o n d u c t i n gf l u i d a f e rm i c h a e lf a r a d a yp r o p o s e dt h i sm e t h o df o rt h ef i r s t t i m ei n18 3 2 ，m o r et h a n1 0 0y e a r sh a sp a s s e d d u et og r e a tp r o g r e s si ns i g n a lp r o c - e s s i n gt e c h n i q u ef o re m f i nt h e7 0 sa n d8 0 so f2 0 t hc e n t u r y , n e wt y p e so fe m f w e r ed e v e l o p e dt oa d a p td i f f e r e n tm e a s u r e m e n tc o n d i t i o n s b e c a u s eo f i t sp r o m i n e n t a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 曲p r e c i s i o n , w i d em e a s u r e m e n tr a n g ea n dl o wp r e s s u r el o s s ， t h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri sw i d e l yu s e da n dt h em a r k e ts h a r eo fe m fi sr i s i n g c o n s t a n t l y n o wt h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei ni n - d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n t h ea d v a n t a g e o u sp r i n c i p l eo fe m fi sd e s c r i b e db yt h ef o l l o w i n g ：w h e nc o n - d u c t i n gf l u i dp e s s e st h r o u g ham a g n e t i cf i e l db ，t h ei n d u c e dv o l t a g ee ，w h i c hi sd i - r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h em e a nv e l o c i t yv o ff l u i db yi n s t r u m e n tc o e f f i c i e n tki s g e n e r a t e db e t w e e nt h ed e t e c t i o ne l e c t r o d e s s u p p o s e dt h a tc o e f f i c i e n tk i sac o n s t a n t ， w h i c hd e p e n d su p o nm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , p i p ed i a m e t e ra n da m p l i f i e r si n p u t i m p e d a n c e ，t h em e a nv e l o c i t yo ff l u i d c a l lb em e a s l i r e dd i r e c t l yb ye i nr e c e n td e c - a d e s ，t h ee m fh a sa l r e a d yb e c o m et h em o s tc o m m o n l yu s e df l o w m e t e ri nt h ea p p l i - c a t i o n st h a tm e e ta b o v ea s s u m p t i o n s a l t h o u g he m f i sap r e f e r r e di n s t r u m e n ti ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dw a t e r m e t e r i n ga p p l i c a t i o n s ，w i t hg r a d u a l l yi n c r e m e n t a ld e m a n d si nt h ef i e l d s ，s u c ha s w a t e rs u p p l y , d r a i n a g e ，i r r i g a t i o na n ds e w a g ed i s c h a r g em o n i t o r , e t c ，t h ea b o v e a s s u m p t i o n sm a yb en ol o n g e rs a t i s f i e d t h ei n s t r u m e n tc o e f f i c i e n tk v a r i e sw h e n e m fi su s e di np a r t i a l l yf i l l e dp i p e m u l t ip a r a m e t e r s ，s u c ha sf l u i dl e v e la n dv o - l o c i t y , a r en e e d e dt o m e a s l h ea c c u r a t e l y i nr e c e n ty e a r s ，e m fw i t ha b i l i t yt o m e a s l l r em u l t i p a r a m e t e rh a sb e e no n eo ft h er e s e a r c hf o c u s e si nf l o wm e a s 盼 m e n tf i e l d i nt h es e n s o rt e c h n o l o g yo f e m f , s u c ha ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i ci sn o t i c e d i n t h ev e l o c i t ys i g n a lt r a n s m i t t e r , ap e c u l i a rc i r c u i tt om 哉l s u l ee l e c t r i cp o t e n t i a li nf l u i d c o n s i s t so ff l u i da n dt w od e t e c t i o ne l e c t r o d e sc o n t a c t i n gt h ef l u i da n ds i g n a la m p l i t i e r t h et h e s i sd e s i r e dt oe s t a b l i s ha d d i t i o n a lm e a s l l r c l n e n tr e l a t i o na n dp r i n c i p l eb y m e a n so ft h i sf e a t h e ra n dt os o l v em e a s l l r e m e n tm e t h o da n dt e c h n o l o g yw h e nt h e v 上海大学博士学位论文多参数电磁流量计及其实现技术的研究 i n s t r u m e n tc o e f f i c i e n tkv a i l e s s oan o v e lm u l t i p a r a m e t e rm e a s u r e m e n te m fc a n b ed e s i g n e d t h ef e a t u r et h a te l e c t r o d e so fe m fa r ed i r e c t l yc o n t a c t e dw i t ht h ec o n d u c t i v e f l u i di su s e di nt h i st h e s i sa n dap a r a m e t e r - m e a s u r i n gp r i n c i p l eb a s e do na d d i t i o n a l e x c i t e m e n ti sa l s op u tf o r w a r d n e wm e a s u r e m e n te q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e db ya d d i n gn e we x c i t e m e n ti nt h ee l e c t r i cp o t e n t i a lm e a s u r e m e n tc i r c u i t t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o da n dt e c h n o l o g yo f m u l t i - p a r a m e t e rm e a s u r e m e n te m fi ss t u d i e di nt h e t h e s i s i no r d e rt os t u d yh o wt oa p p l yt h ea d d i t i o n a le x c i t e m e n tp r i n c i p l et or e a l i z e m u l t i 。p a r a m e t e rm e a s u r e m e n tc o m p l e t e l y , t w ot y p e so fa d d i t i o n a le x c i t e m e n t ，w h i c h a r ep a s s i v em o d e la n da c t i v em o d e la r es t u d i e ds e p a r a t e l yi nt h i st h e s i s i nt h e o r y s t u d y , t h ef u n d a m e n t a ls i g n a lt r a n s m i s s i o nm o d e li nt h em e a s u r e m e n tc i r c u i to fd e t e c t i o ne l e c t r o d e si ss t u d i e di nt h et h e s i sa n dt h eb a s i cm e a s u r e m e n te q u a t i o n st o m e a s u r ef l u i dc o n d u c t a n c ea r ed e r i v e du n d e rt h ec o n d i t i o nt h a ta d d i t i o n a le x c i t a t i o n s o u r c e sa c to nt h em e a s u r e m e n tc i r c u i t a c c o r d i n g l y , t h eo r i g i na n df e a t u r eo ft h e t w ok i n d so fe x c i t a t i o ns o u r c e sa sw e l la st h em e a s u r e m e n tm o d a la c t i n go nt h e e l e c t r o d em e a s u r e m e n tc i r c u i ta r ed i s c u s s e df u r t h e ri n t h i st h e s i s ：( 1 ) t h ef u n d a m e n t a le q u a t i o n st om e a s u r ef l u i dc o n d u c t a n c ew i t ht h e s et w ok i n d so f p a s s i v ea d d i t i o n a le x c i t a t i o na r ed e r i v e d i ti sp r o v e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n tt h a t t h e s et w ok i n d so fe x c i t a t i o nc a nb eu s e dt od e t e c te m p t yp i p e s ob yt h e s et w o k i n d so f p a s s i v ee x c i t i n gs i g n a l ，t h ec r i t e r i o no f e m p t y p i p ed e t e c t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gm e t h o da r ed i s c u s s e d ( 2 ) a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r o d em e a s u r e m e n tc i r c u i t ，t h em e t h o da n dc o r r e s p o n d i n gr e a l i z a t i o nt e c h n i q u eo fa c t i v ea d d i t i o n a le x c i t a t i o nw h i c ha c t so nt h ee l e c t r o d e st om e a s u r ef l u i dc o n d u c t a n c ea r es t u d - i e d t h em o d e lo fc o n d u c t a n c em e a s u r e m e n tb a s e do na c t i v ea d d i t i o n a le x c i t a t i o ni s b u i l ta n dm e a s u r e m e n te q u a t i o no ff l u i dc o n d u c t a n c ei sd e r i v e d t h ew o r k i n gt i m e s e q u e n c i n ga n dd a t ap r o c e s s i n gm e t h o dt or e a l i z ec o n d u c t a n c em e a s u r e m e n ta r ed e - s i g n e d b yv i r t u eo ft h er e l a t i o nb e t w e e nc o n d u c t a n c ea n do t h e rs t a t ep a r a m e t e r s ， c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n t ，e m p t yp i p ed e t e c t i o na n df l o wm e a s u r e m e n tf o rp a r t i a l l y f i l l e dp i p ea r er e a l i z e d ，s oa st op r o v i d et h e o r ys u p p o r t r e a l i z a t i o nm e a n sa n dn e c - e s s a r ym e a s u r e m e n tc o n d i t i o n sw i t hm u l t i - p a r a m e t e rm e a s u r e m e n to f e m f a sat y p i c a la p p l i c a t i o no f m u l t i - p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，b o t hf l o wa n df l u i d l e v e li np a r t i a l l yf i l l e dp i p en e e dt ob em e a s u r e ds i m u l t a n e o u s l ya n dm u l t ip a r a m e - t e r si nt h em e a s u r e m e n tm u s tb ep r o c e s s e ds y n t h e t i c a l l y v i i l 上海大学博士学位论文多参数电磁流量计及其实现技术的研究 a c c o r d i n gt on o n - p r e s s u r ep i p eh y d r a u l i c st h e o r y , an o v e le m fw i t ha l l a r c e l e c t r o d es e n s o rw h i c hc a l lc a r r yo u tf l o wm e a s u r e m e n ti np a r t i a l l yf i l l e dp i p ei s s t u d i e d b a s e do nt h er e s u l to fc o n d u c t i v i t ym e a s u r e l n e n tu s i n ga d d i t i o n a le x c i t e - m e r i tt e c h n i q u e , am o d e la n dr e l a t i o nb e t w e e nf l u i dc o n d u c t a n c em e a s u r e db y a r c - e l e c t r o d e sa n df l u i dl e v e la r er e s e a r c h e dw h e nt h ef l u i df l o w i n gi np a r t i a l l yf i l l e d p i p e a c c o r d i n gt ot h i s ，an e we m ff o rf l o wm e a s u r e m e n ti np a r t i a l l yf i l l e dp i p ei s d e s i g n e d t i m es e q u e n c i n ga n dd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sa r ep r o v i d e d b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i st h e s i s an e wa c t i v ea d d i t i o n a le x c i t e m e n t m o d u l ei sd e s i g n e da n dan o v e lm u l t i p a r a m e t e re m fp r o t o t y p ei si m p l e m e n t e d t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo f m u l t i - p a r a m e t e re m ff l o wm e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c h c a ni m p l e m e n tf l o wm e a s u r e m e n ti np a r t i a l l yf i l l e dp i p ei se s t a b l i s h e d t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n sa r ev e r i f i e di nt h i ss y s t e m ：( 1 ) u s i n gt r a d i t i o n a lt w od o t e l e c t r o d et y p e s e l ! l s o ra n da c t i v ea d d i t i o n a le x c i t e m e n t , t h ee x p e r i m e n t so ff l u i dc o n d u c t i v i t ym e a s - u r e m e n ta n de m p t yd e t e c t i o na r ec a r r i e do u t ( 2 ) t h ec o n t r a s te x p e r i m e n ti nf u l t y f i l l e dp i p eb e t w e e ns t a n d a r de m fa n dn e we m fw i t ha r e - e l e c t r o d es f f l l s o ri sd o n e ( 3 ) f l o wm e a s u l e r l l e n te x p e r i m e n tw i t ht h ea r e - e l e c t r o d es e n s o ri np a r t i a l l yf i l l e d p i p e si sd o n e t h ep r a c t i c a b i l i t ya n df e a s i b f l i 锣o f t h i sm e t h o da r ep r o v e db y r e l e v a n t e x p e r i m e n t s ot h em u l t i p a r a m e t e rm e a s u r e n l e n ti ne m f i sa l s or e a l i z e di nt h e o r y a n dt e c h n o l o g y f u r t h e rr e s e a r c h e st ob ed o n ea r ep u tf o r w a r di nt h ee n do ft h ep a - p e r t h em u l t i p a r a m e t e re m fd e s i g n e db yt h i st h e s i sw a se x h i b i t e da n dd e m o e di n c h i n ai n t e r n a t i o n a li n d u s t r i a lf a i ri nn o v e m b e r2 0 0 6 i t sp e r f o r m a n c er e a c h e dt h e c u r r e n tt o pl e v e li nt h es 锄ea r e ao ft h ew o r l d t h i sn o v e le m fw a sp a i dd o s ea t - t e n t i o nb yi n s i d e r k e yw o r d s ：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 ) ，m u l t i p a r a m e t e r ，p a r t i a l l yf i l l e d p i p e , a d d i t i o n a le x c i t e m e n t , l a r g ee l e c t r o d e i x 上海大学博士学位论文 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：监蕴日期! ! ：! ：翌 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：竺! ：坚：2 上海大学博士学位论文多参数电磁流量计及其实现技术的研究 1 1 引言 第一章绪论 流量是指流经管道横截面的流体数量与该量通过该截面所花费的时间之 商。若流量用体积表示，称为体积流量，用质量表示，则称为质量流量。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。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活和生产的各个领域，如工业生产、石油天然气的开采运 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 4 j 。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。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，但测量准确度己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【”】。 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 蔓海大学禧士学蹙论文多参数电磁流羹谤疑萁实褒技求豹研究 问题有待进一步研究解决。 目前主要存在的问题如下”一，2 】： 流量仪表的黯种、规格、准确度朔可靠性尚不能究全满足要求。特 剐对褒 变瞧浚体、驻污漉嚣、薅糖鹱滚薅、多提滚器、特大流量、 徽小滚量等静溺量离题，有蒋发矮有效鹩灞量手段： 流量标准装鬣不能满足流量计枪定要求，尤其是缺慧现场进行实时 检定流量计的技术手段。 针对上述问题，随潜科学技术的发展，人们利用最新的技术成果研制新型 淀鬟诗，将超声波、激巍、电磁、核技术及微计算极等颟技术l 入流量计量领 域，使 霉无装戆无活动酃徉藏接溺量技术大大发震，流量传感嚣趋向龟子纯、 数字化、多功能化，为流薰计量开拓新的领域。新型流量计已舆有量程比宽、 智能化、可靠性高、价格低廉、维修方便的特尉卜 】。 1 2 电磁流量计的基本原理和特点【5 7 】 1 2 1 电磁流量计王僚的基本蒙瑾 电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律进行测量工作的，电磁感应定律于 1 8 3 1 年由英国物理学家f a r a d a y , m i c h a e l ( 邋克尔法拉第) 发现，其主要内容 是当母体在磁场中作切割磁力线运动时，猩蟹体两端就会感应一个与磁场方向 耪磐髂运蘑方自稳互豢纛魏感应电动势。黪波毫魂势酶大小与磁感应强度霹运 动遽菠成正比。 图1 1 电磁流量计基本结构及测量原理图 上海大学博士学位论文 多参数电磁流量计及其实现技术的研究 如图1 1 所示，根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动时因切割 磁力线而产生感应电压。而导电流体在磁场中做切割磁力线的运动时，同样会 产生感应电压，这样两个与流体直接接触的点电极l 、2 上会产生电磁感应电动 势，当忽略感应电势的正负，只考虑其绝对值大小时，可用下式表示： e l = 警= 曰鲁= 肋塑d t = 肋i ( 1 1 ) 式中： 口为磁感应强度，t ( 特斯拉) 5 彳为磁通量变化的面积，m 2 ( 平方米) ； 驴为导体运动时切割磁力线形成的导体回路的磁通量，t m 2 ； d 为导体长度，相当于管道直径，m ( 米) ； ，为导体运动距离，m ( 米) ； f 为导体平均运动速度，m s ( 米，秒) ； 最为在导体两端得到的感应电动势，v ( 伏) ； 测量蜀即可得到流量： 由式( 1 1 ) 可得5 = 嘉，设流量为q ，则q = 等厅石= 石，其中七= 等万。 电磁流量计即以此原理实现流量的测量。 1 2 2 电磁流量计的特点 与其它类型的流量计相比，电磁流量计具有以下显著优点： 1 ) 测量通道是段光滑直管，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； 2 1 流量测量不受流体温度、压力、密度、粘度等条件影响； 3 1 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 1 可测流体的正反向流量。 电磁流量计的不足之处： 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 1 不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体； 3 1 流速分布影响测量精度，对直管段有要求； 上海大学博士学位论文多参数毫磁渡蘩跨爱嚣实理技术躬磅究 4 ) 因传感器材料原因不能用于较黼激度的测量场合。 1 2 + 3 电磁流量计的发展简史【1 1 2 2 0 - 2 5 覆晕在1 8 3 2 年，羧撵发瑗戆电磁感波敷矮，法拉第设憨翁溺遣臻垂隽豹磁 场对泰晤士河河水流羹瀵行测量，在淆铁卢桥的两岸，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礅极来测量河水的流遄。这是世界上 第一次电磁流量计的试验。但法拉第进行试验时，由于对电磁流爨计工作的特 点的认识还不够深入，特别是对由于电化学反应、热电效应等原阕产生的电极 懿缀位于撬售号认识不麓，燕上当时的测塞条终限制，没能缮到发浚凌速的感 疲僚号，实际试验以失簸告终。 赢到1 9 1 7 年【5 】，在认识到极化产生的机理和特点之后，c g s m i t h ( 史密斯) 和j s t e p i a n ( 斯皮雷安) 用交流励磁来克服水的极化影响。1 9 3 0 年，威廉斯在 用硫酸铜溶液做试验的麟础上，第一次用数学上的方法分析圆管内流速分布对 测豢灼影嚷，这是最晕躲关予龟磁流量诗溅爨敕基礁理论。 1 9 3 2 年蠡惹，生彩擎家w i l l a m s 、a ，k o l i n ( 耪拣) 雾j 灞邀磁流量计溺量动 脉瓶液流量获得了成功。1 9 5 0 年，荷兰人酋先在挖泥船上使用电磁流量计测量 泥浆流量。1 9 5 4 年，美圈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、焚园、德国也成 功缝生产出电磁流量诗。我国在1 9 5 7 年才开始研制电磁流量计。 2 0 整纪弱年戴秘，琴尧里夫曩a s h e r c l i f f ) 在簿转( a k o l i n ) 簿静久在对无 限长均匀磁场的电磁漉爨计的研究基础上，究成了有限长均匀磁场下等流速情 况蠹q 数学解析，并用权麓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錾础理论。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爨仪表提出了更高的要求，出现了 低颧双向瞧滚( 矩形渡) 聚磁载薮菠本，攘幼了电磁凌量诗懿泼一步发震。 二十餐纪7 0 、趵颦代，幂j 用电子及微处理器技术静最新成果，电磁流量 计拽术进入了数字化时代，测量精度和功能不断提高。新的类溅的电磁流量计 也不断出现，插入型、一体型、两线制、防爆烈、高压型、具有通讯功能的电 磁流曩计在化工、石油、钢铁、冶金等工业生产过程自动控制中越来越受欢迎， 侵它戏为应震广泛的一癸滚墓诗f l l ，嚣嚣京餐释漉量纹表弱黩爝审宅凌占慧量 豹2 0 ，市场销售年瓒长率达嚣2 0 至3 0 左右，是一耪应蘑薄溺鞍广并有良 好黢展前景的流量仪表 6 - 8 2 0 彤】。 4 上海大学博士擘链论文多参数电磁流量计及其实现技零的磷究 1 3 电磁流量计发展过程中的几个重要进展 1 3 1 采用交流励磁解决电极的极化问题 聂争夔毫磁滚量诗熬渡验采弱熬芏终磁场是壹塞磁体产生豹1 2 彝珏】，霜露为 拾取信号由罨曦耪辩做成酶电极被测量液体接触孵会产生电极酶极傀现蒙 6 , 1 s , t g ，在电极两端产生一种极化电压，并且是一个不稳定的具有很大随机性的 直流电压，鼠暾眶的大小远大予液体流动切割磁力线丽产生的反映流速大小的 信号电压，同时流速信号的电压也影响极化电压的大小，这样使得从中得别流 速蔼号凡乎不褥麓，由于这一予捷缀素馕电磁流量谤疆究在死年没富犬豹避 展。瑟使瑗在，耩爝永磁磁场 一 苦 墨 赍 世 图3 8 工频激励信号大小随分布电容及电导率变化的关系曲线 从上述仿真计算结果可知，在满管状态，随电导率的变化信号变化非常小， 因此利用此方法进行电导率的测量将会使测量精度受限。相对于满管状态，空 管时信号的变化是显著的，而通常情况下电源电压的波动要求不会大于5 0 ， 因此用这一数据进行空管判别将可以避免电源电压波动的影响，可靠性是可以 保证的。 根据以上分析，可得以下结论： 1 ) 利用工额电源作为激励源，测量它通过空闻分布电容作用于电板测量回 路所得到的信号，与电极和流体问的阻抗成正比，可以反映流体电导率 上海大学博士学位论文 多参数电磁流量计及其实现技术的研究 的大小： 2 ) 由于工频电源的频率并不高，根据电化学动力学的有关原理【1 6 3 , 1 6 s , 1 s s w 知，得到的信号会受到电板极化阻抗的影响，因此不宜进行精确的电导 率测量： 3 ) 计算表明，此信号的大小可以用来进行电磁流量计的空管检测，且能够 与电源波动对信号造成的影响区别开来，因此具有实用价值 4 ) 由于得到的信号仍通过分布电容作用于信号测量回路，因此在将此信号 用于空管检测时仍需要针对实际不同的系统分别标定，并分别调整判别 的阁值以保证其适用条件 根据第2 5 节的附加激励测量参数的原理可知，在这里附加激励源a 是被 动附加激励，被测量的流体参数p 是流体流动