（电路与系统专业论文）低频交流励磁电磁流量计信号处理方法的研究.pdf

1l一 ，1， t h er e s e a r c ho fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d b a s e do nl o wf r e q u e n c ya ce x c i t a t i o n b y l i uh a i b o b e ( c h i n au n i v e r s i t yo fg e o s c i e n c e s ( w u h a n ) ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro ft e c h n o l o g y l n e l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gl i a n h o n g m a r c h ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 山i a 锨 日期：加年3 月彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密酬 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：山l a 泓 别醛轹增k 日期： 日期： 2 , o r1 年月苫日 砂f 年弓月p 日 低频交流励磁电磁流量计信号处理方法的研究 摘要 电磁流量计是一款基于法拉第电磁感应定律的新型速度式流量测量仪表，作 为流量测量的一种主要测量仪表，它随着电子技术的发展而迅速发展，以其优良 的性能，广泛应用于工农业生产当中。 电磁流量计发展和应用的历史就是其抗干扰技术的发展历史，特别对于微流 量信号的测量，由于噪声干扰较大，流量信号又非常小，信号极易淹没在噪声中， 造成测量错误。目前在处理微流量信号的方法上，已提出各种信号处理方法，各 有优点，但也存在一些不足。电磁流量计励磁方式和信号处理技术是衡量其性能 的两个重要指标，它们关系到电磁流量计的测量精确度和稳定性。本文提出的基 于低频交流励磁电磁流量计信号处理的方法，从理论上看，可消除正交干扰和同 相干扰的影响，同时也能降低其它各类噪声对流量信号的影响。 论文分析了电磁流量计的主要干扰源及励磁方式，并对电磁流量计的励磁方 式和工作频率进行了选择，重点研究了低频交流励磁情况下电磁流量计信号处理 的方法。在电磁流量计信号处理方法的研究过程中，对于正交干扰和同相干扰的 消除，从理论上进行了详细的推导，并利用m a t l a b 进行了仿真分析，最后结合应 用实际推导出流量信号中流速信号的函数表达式。针对本文提出的信号处理方法， 进行了硬件电路的设计，并对硬件电路的组成部分进行了详尽的阐述。然后，在 所设计的硬件电路平台上，实现了本文所提信号处理算法，并结合工程实际，对 于流速函数中的相关参数进行了标定，确定了流量信号的流速函数。实验结果表 明，本文采用的信号处理方法比通常的峰值采样保持法在消除正交干扰和同相干 扰的应用中准确度更高，在提高电磁流量计的测量精确度方面达到了比较好的效 果。 关键词：电磁流量计；信号处理；交流励磁；正交干扰 h 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 wm e t e ri san e wr a t e f l o wm e a s u r i n gi n s t r u m e n tb a s e do n t h el a wo ff a r a d a y se l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n a sa p r i m a r ym e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，i t r a p i d l yd e v e l o p sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t w i t hi t s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，i ti sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a la n d a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n t h eh i s t o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r sd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o ni st h e h i s t o r yo f i t s a n t i 。j a m m i n gt e c h n o l o g y ，i np a r t i c u l a rf o rt h em e a s u r e m e n to f m i c r o - f l o ws i g n a l s a st h et r a f f i cs i g n a li sv e r ys m a l la n d t h en o i s ei sl a r g e s oi ti s e a s i l y l o s ti nt h en o i s ea n dr e s u l t si n m e a s u r e m e n te r r o r i nd e a l i n gw i t ht h e m i c r o 。f l o ws i g n a l s ，t h e r ea r em a n ys i g n a l p r o c e s s i n gm e t h o d sw h i c hh a v eb e e np u t f o r w a r d t h ev a r i o u sc i r c u i t sh a v et h e i r a d v a n t a g e s ， b u tt h e r ea r ea l s os o m e d r a w b a c k s f 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 r ，e x c i t a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g t e c n n o l o g ya r et w oi m p o r t a n ti n d i c a t o r so nm e a s u r i n gi t sp e r f o r m a n c e ，w h i c hr e l a t et o n sa c c u r a c ya n ds t a b i l i t y w ep r o p o s et h el o w f r e q u e n c ya c e x c i t a t i o nb a s e do nt h e e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e rs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，w h i c ht h e o r e t i c a l l ye l i m i n a t e s t h eo r t h o g o n a li n t e r f e r e n c ea n dt h ee q u a li n f l u e n c e a n di t a l s or e d u c e st h ee f i e c to f o t h e rn o i s eo nt h ef l o ws i g n a l t h i sp a p e ra n a l y z e st h em a i ns o u r c e so fi n t e r f e r e n c ea n d t h ee x c i t i n gm e t h o d so f e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r ，s e l e c t st h em e t h o da n dt h ef r e q u e n c yo fe x c i t a t i o n a n d f o c u s e so nt h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o du n d e rt h el o w f r e q u e n c ya ce x c i t a t i o n i n t h ep r o c e s so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，w i t ht h e e l i m i n a t i o no ft h eo r t h o g o n a li n t e r f e r e n c ea n dt h ee q u a li n f l u e n c e ，w em i n u t e l vm a k e at h e o r e t i c a lp r o o fa n ds i m u l a t ew i t ht h em a t l a b ，a n d f i n a l l yd e r i v et h ef u n c t i o n e x p r e s s l o no fv e l o c i t y s i g n a lc o m b i n e dw i t ht h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n f o rt h e p r o p o s e ds i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，w ed e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d w e l le l a b o r a t e t h ec o m p o n e n t so fi t t h e n ，b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h e d e s i g n ，w ea c h i e v e t h ep r o p o s e ds i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa n dc a l i b r a t et h e r e l e v a n tp a r a m e t e r si nt h e v e l o c i t y f u n c t i o nc o m b i n e dw i t h e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n df i n a l l yd e t e r m i n et h e f u n c t i o no ft h ef l o wv e l o c i t ys i g n a l f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w e c a ns e et h a t t h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sb e t t e rt h a nt h e s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o du s e di n t h ep e a ks a m p l i n ga n dh o l d i n gi nt h ee l i m i n a t i o no ft h eo r t h o g o n a li n t e r f e r e n c ea n d t h ee q u a li n f l u e n c ew i t hh i g h e ra c c u r a c y , a n da c h i e v e s ar e l a t i v e l yg o o dr e s u i ti n i i i 低频交流励磁电磁流量计信号处理方法的研究 i m p r o v i n gt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；a ce x c i t a t i o n ； o r t h o g o n a li n t e r f e r e n c e i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i l l 1 绪论1 1 1 研究背景1 1 2 电磁流量计的发展历史2 1 3 电磁流量计的发展趋势4 1 4 本文主要研究内容。5 2 电磁流量计的工作原理及技术基础6 2 1 电磁流量计的工作原理及特点6 2 1 1 电磁流量计的工作原理6 2 1 2 电磁流量计的内阻1 0 2 2 电磁流量计的干扰源及抗干扰技术研究1 1 2 2 1 电磁流量计的干扰源。1 1 2 2 2 电磁流量计抗干扰技术研究1 6 2 3 励磁方式的研究及励磁方式和工作频率的选择1 7 2 3 1 电磁流量计励磁方式的研究1 7 2 3 2 电磁流量计励磁方式和工作频率的选择2 0 2 4 本章小结2 0 3 电磁流量计信号处理方法的研究2 1 3 1 流量信号数学模型的研究2 1 3 2 流量信号处理方法的研究2 1 3 2 1 消除正交干扰的方法2 1 3 2 2 消除同相干扰的方法2 2 3 2 3 抗干扰仿真分析2 3 3 2 4 本系统采取的信号处理方法2 9 3 3 本章小结3 0 4 电磁流量计信号处理硬件电路的设计3 1 4 1 电磁流量计的系统组成3 1 4 2m c u 模块电路的设计3 2 4 3 d 变换电路的设计3 3 v 5 电 总结 参考 致 附录 附录 附录 研究领域为主体的一门交叉学科。它用来确定信号的表现形式及定性定量关系， 并寻找最佳的处理方法、研究手段和仪器设备。它要求我们根据具体情况，合理 地、科学地构建控制系统，正确使用相应的仪器仪表进行正确地测量。检测技术 的发展离不开理论的创新、方法的改进，同时又和检测仪表的自动化智能化水平 分不开。随着电子技术、计算机技术及网络技术的快速发展，检测仪表逐步向高 精度、高可靠性、小型轻量化、数字化、智能化方向发展。 到目前为止，检测技术已经经历了几个重要的历史发展时期，作为自动化科 学的一个重要组成部分，已经形成一门实用型、综合型的新兴学科【。信息化促 进了自动化检测仪表的发展，特别是近些年来，流程工业现代集成制造系统 ( c i m s ) 的出现【2 】，无论是从质量上，还是从数量上，都更加重视以过程状态量 为中心的现场信息，更好的测量仪表，对流程工业生产过程的底层自动化产品质 量和生产率的提高具有至关重要的作用。在生产和科学实验过程中，我们研究的 主要内容就是能量的转换，而能量的转换过程中流量、温度和压力是必须检测的 三个参数。因此流量测量仪表和压力、温度测量仪表一样得到了广泛的应用。 在流量测量中，各种物理原理是其理论基础，流量测量的原理按物理学科可 分为：力学原理、电学原理、声学原理、原子物理原理以及其它原理【3 1 。 通常，依其测量原理，将流量测量方法分成四大类【4 】： ( 1 ) 利用伯努利方程原理来测量流量的流量计是以输出流体差压信号来反映 流量。 ( 2 ) 利用测量流速来得到流量的称为速度式流量测量方法。 ( 3 ) 利用一个一个标准小容积连续地测量流量的测量方法称为容积式流量测 量方法。 ( 4 ) 以测量流体质量流量为目的的流量测量方法与仪表称为质量流量测量方 法和质量流量计。 电磁流量计主要由传感器和转换器组成，它是利用电磁感应原理来测量管道 内导电液体的流速和流量，是众多流量测量方法中最普遍的方法之一，属于速度 式流量计。由于电磁流量计的设计原理和它的结构特点，它有以下优点1 5 - 6 l ： ( 1 ) 传感器结构简单，没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部件， 低频交流励磁电磁流量计信号处理方法的研究 所以当流体通过时不会引起任何附加的压力损失，同时也不会引起诸如磨损、堵 塞等问题，特别适用于测量带有固体颗粒的矿浆、污水等液固两相流体，以及各 种粘性较大的浆液等。同样，由于它结构上无运动部件，故可通过附上耐腐蚀绝 缘衬里和选择耐腐蚀材料制成电极，起到很好的耐腐蚀性能，使之可用于各种腐 蚀性介质的测量。 ( 2 ) 电磁流量计是一种体积流量测量仪表。在测量过程中，它不受被测介质 的温度、粘度、密度以及电导率( 在一定范围内) 的影响。因此，电磁流量计只 需水作为试验介质标定，就可以用来测量其它导电性液体的流量，而不需要附加 其它修正。 ( 3 ) 电磁流量计的量程范围极宽，同一台电磁流量计的量程比可达1 ：1 0 0 。 此外，电磁流量计只与被测介质的平均流速成正比，而与轴对称分布下的流动状 态( 层流或紊流) 无关。 ( 4 ) 电磁流量计无机械惯性，反映灵敏，可以测量瞬时脉动流量和快速累积 流量，而且线性好。因此，它是既可以用作工业生产过程检测，也可用于贸易结 算的计量仪表。 从上可以看出，电磁流量计具有许多突出的优点，但它也存在一些不足之处， 限制了电磁流量计的进一步发展，其主要表现在如下几点： ( 1 ) 电磁流量计不适合于气体、蒸汽以及含有大量气体的液体测量，因为根 据其内部结构，它不稳定且易产生较大误差。 ( 2 ) 电磁流量计受管内绝缘衬里材料的限制，不能用于测量高温高压流体。 ( 3 ) 电磁流量计不能在强外界电磁干扰的环境下工作，因为它是利用法拉第 电磁感应定律制造的仪表。 ( 4 ) 电磁流量计前后必须接有一定长度的直管段，因为管道中的流速一般是 不均匀分布的，但在轴对称分布的条件下，流量信号与平均流速成正比。 ( 5 ) 电磁流量计不能测量电导率低于1 0 巧s c m 的流体，因为它只能用来测 量导电性流体，电导率太低则无法测量。 1 2 电磁流量计的发展历史 1 8 3 1 年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应定律，并于次年应用于泰晤士 河河水流速的测量，这可以看作是第一次电磁流量计的试验。但由于电化学反应、 热电效应等原因，再加上当时的测量条件有限，他失败了。 1 9 1 7 年，根据电磁感应的原理史密斯和斯皮雷安制造了船舶测速仪，获得成 功并申请了专利，开辟了电磁流速计在海洋学上的应用。 1 9 3 2 年前后，生物学家w i l l a m s 等采纳f a b r e 的建议，将电磁流量计应用在动 脉血液流量瞬时测量和记录上获得成功。 到 期，美 工业生 2 0 简化了 随着低 提高， 磁流量 2 0 计的制 当 来进一 在 机电部 用电磁流量计。6 0 年代初上海光华仪表也研制出成品。 2 0 世纪7 0 年代中期，随着电磁流量计对工业生产的影响，我国电磁流量计 理论的研究步入了高潮。1 9 8 2 年，上海工业自动化仪表研究所成功地研制了单极 性低频矩形波励磁电磁流量计，标志了我国电磁流量计也进入了低频矩形波励磁 技术的时代。1 9 8 6 年，东北工学院和河南开封仪表厂合作，并于1 9 8 8 年研制成 功三值低频矩形波励磁电磁流量计，使我国电磁流量计生产技术跨上新的台阶。 1 9 8 9 年，上海光华仪表厂和德国冷k r o h n e 公司及荷兰a l t o m e t e r 公司共同投资建设 的合资企业上海光华爱而美特仪器有限公司投产，生产m t g o o f 系列、k 3 0 0 e x 系列低频矩形波励磁电磁流量计，通过引进、吸收、消化使我国电磁流量计整体 生产技术达到国外发达国家8 0 年代初的水平。 1 9 8 0 年，我国制定了电磁流量计行业标准。但随着技术的发展和进步，1 9 9 9 年又进行了修订，等同采用了i s o 国际标准( i s 0 9 1 0 4 ：1 9 9 1 和i s 0 6 8 1 7 ：1 9 9 2 ) 的 国家标准：g b t 1 8 6 5 9 2 0 0 2 封闭管道中导电液体流量的测量电磁流量计的性能评 定方法】和g b t 1 8 6 6 0 2 0 0 2 封闭管道中导电液体流量的测量电磁流量计的性能评 定方法】已经颁布。它使得我国电磁流量计的发展与国际标准接轨，为我国电磁流 量计的发展创造了条件。 2 0 0 0 年，浙江大学成功研制了多电极成像式电磁流量计。两年之后，北京佛 利蒙特自动化工程有限公司的f z 系列电磁流量计传感器研制成功。该传感器的 成功推出，实现了管道式与插入式的统一，突破了管道式电磁流量计精度高而不 易检修、插入式电磁流量计易于检修而精度低的限制。它还可以实现在线带压安 装和方便地进行电极检修，解决传统电磁流量计传感器电极污染后的检修问题。 低频交流励磁电磁流量计信号处理方法的研究 随着经济的发展和科学技术的进步，无论是在工艺水平、研发能力还是市场 拓展上，我国的电磁流量计与世界先进水平的差距正在迅速地缩小。 1 3 电磁流量计的发展趋势 从电磁流量计的发展方向来看，电磁流量计的发展存在两种趋势：一种是向 普及型仪表发展，其特点为功耗低、性能适中、传感器一体化、操作方便、价格 便宜；另一种是向具有较高精度、多功能、智能化、特殊介质测量以及新型化方 向发展，适合具有较高要求的自动化生产过程。 ( 1 ) 非满管电磁流量计的研究：传统电磁流量计只能用来测量满管液体流量， 对于非满管电磁流量计它仍以法拉第电磁感应定律为基础测量流速，再通过某种 方法得到流通截面的液位高度，从而求得流通面积，两者相乘即可获得流量，它 可极大降低传统非满管流或明渠流流量误差。自1 9 9 2 年f i s c h e r + p o r t e r 公司首次 向人们展示非满管电磁流量计以来，迄今共有4 家制造厂的4 种型号仪表推向市 场，口径范围为( 1 5 0 - 1 0 0 0 ) m m l 7 j 。 ( 2 ) 绝缘介质流量测量：传统的电磁流量计使用低频矩形波励磁，无静电噪 声，可测量导电性流体。它不能测量具有湍流特性和带有静电噪声的不导电性或 低电导率流体。在上世纪六十年代，电磁流量计首次应用于测量绝缘液体流量【8 j 。 当时，为了修正静电噪声，采用了高频励磁，结果产生了零点漂移。对此v c u s h i n g 提出了一种根据零点漂移电压方程的时间独立性来剔除零点漂移的电磁信号处理 方法，在高频励磁下，可以校正零点漂移，使得电磁流量计可以测量包括绝缘流 体在内的各种流体【9 】。 ( 3 ) 应用多电极解决非对称流速测量和流场重建。实验结果表明，两电极电 磁流量计对轴对称或稍微偏离轴对称流体流量的测量效果还好，若偏离程度较大， 则测量误差偏大，不可接受。对于多对电极或两对线圈的多电极电磁流量计能改 善这一情况，其测量精度能满足一般的工程需要。多电极电磁流量计还可用于流 场速度分布的求解和权重函数分布的改善。国内外有许多研究者正在进行该方面 的研究【1 0 l 。我国清华大学的张小章于1 9 9 6 年提出了基于流动电磁测量理论的流 场重建，即用多电极电磁流量计测量管道截面流速分布，并对多电极电磁流量计 用于流速分布的测量进行了数值模拟，证实了采用流动的电磁测量方法求解流场 速度分布的可行性【1 1 以2 1 。自1 9 9 9 年开始，浙江大学的张宏建教授、胡赤鹰高工、 黄显元及管军等人在基于电磁感应原理的多电极流量测量方法方面做了深入的研 究，取得了一系列的研究成果，并于2 0 0 0 年开发成功多电极成像式电磁流量计i l 3 。 ( 4 ) 零点稳定性及测量下限拓展。电磁流量计的测量准确度和测量下限由零 点稳定性决定，若想进一步拓展测量下限，则必须提高零点稳定性。目前，我们 的电磁流量计的测量下限基本停留在0 2 m s 的水平。为此，国内外许多学者进行 硕士学位论文 了大量的研究，其主要方法有：设计高信噪比的硬件电路；采用预测零点电平变 化的插入法等软件处理方法；应用电路反馈消除零点漂移等，以上所采用的是硬 件电路消除或软件消除法。2 0 0 3 年，浙江大学张宏建教授及管军提出的相关检测 原理，利用相位相关处理，实现零点噪声抵消，提高了电磁流量计的零点稳定性 和低流速下测量的准确性，拓展了电磁流量计的测量下限。 ( 5 ) 电磁流量计励磁技术的研究。在电磁流量计的发展历程中，励磁方式始 终是一个重要的研究方向，因为它决定了电磁流量计工作磁场的特性、抗干扰能 力的大小及零点的稳定性。随着励磁方式的不断改进，电磁流量计不断成熟、不 断完善，成为流量测量仪表中最重要的品种之一。 1 4 本文主要研究内容 励磁方式和信号处理技术是电磁流量计研究的主要方向，它关系到电磁流量 计的测量精确度和稳定性，是衡量电磁流量计性能的两个关键技术。从电磁流量 计的发展趋势来看，其原理性的东西已基本完善，现在的研究主要以改进励磁方 式、提高部分功能环节的性能以及数字化设计为主。 目前国内生产电磁流量计产品的厂家已有不少，但总体上来说和国际上先进 的电磁流量计产品比较起来，还是存在一定的差距，主要体现在测量精度不高、 流量测量范围偏窄、量程比不高以及通用性和互换性不好等方面。 因此，我们需要从实际出发，分析和解决电磁流量计在设计与实际应用过程 中遇到的实际问题，提出合理的解决方案。 根据电磁流量计的工作特点，提出本文的研究内容，其主要内容如下： 第一章主要介绍本文的研究背景、电磁流量计的发展历史和发展方向，并提 出本文的研究内容； 第二章分析电磁流量计的工作原理和特点，研究电磁流量计的各种干扰源、 励磁方式及抗干扰技术，并确定本文的励磁方式、工作频率； 第三章提出低频交流励磁方式下，电磁流量计信号处理的方法，从理论上进 行详细的探讨，并利用m a t l a b 进行仿真分析，最后结合实际推导出流量信号中有 用信号的函数表达式； 第四章根据提出的信号处理方法进行硬件电路的设计，并对硬件电路中各信 号处理电路模块逐一进行分析，同时给出各模块的实际电路； 第五章对于本文提出的信号处理方法与通常采用的峰值采样保持法利用 m a t l a b 进行仿真比较，并主要通过流程图的形式对电磁流量计信号处理方法的各 模块软件设计思想进行了说明，最后利用d s p 进行了流量流速测试实验。 号处理方法的研究 原理及技术基础 出与速度成正比的电压，电磁流量计 流量的1 1 4 1 ，它是法拉第电磁感应定律 根据法拉第电磁感应定律，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生电动势及感生电流。感生电动势的大小正比于回路磁 通随时间的变化率，其方向由楞次定律决定。由楞次定律可知：感生电动势及 其所产生的感生电流总是力图阻止回路中磁通m 的变化。 电磁流量计测量管内的导电介质相当于电磁感应定律中的导电金属棒，其励 磁线圈在管道的垂直方向上产生一个均匀的磁场b ，当导电介质在管道中以一定 流速v 通过时，导电介质就像导电金属棒一样切割磁力线产生感应电动势e 。此 时，在管道的两侧安装一对电极，就可以探测到这个感应电动势，其测量原理如 图2 1 所示。 图2 1 电磁流量计测量原理图 在推导表述电磁流量计的原理和特征的基本方程式时，先作以下几个基本假 设【1 5 】： ( 1 ) 均流体的磁导率a 均匀，且同真空中是一样的。 ( 2 ) 流体的电导率是均匀的，且各向同性，并符合欧姆定律。 ( 3 ) 流体中的位移电流可以忽略。 根据假设( 2 ) ，有： 硕士学位论文 j m a ( e + y b )( 2 1 ) 式中，7 为电流密度；o r 为电导率；云为电场强度；雪为磁场强度；矿为流 体速度( 以上均为矢量) 。其中电场豆是由于流体内外存在电荷而引起的，第二项 v x b 4 是由于流体在磁场中运动而引起的电磁感应。 对于假设( 3 ) ，若设角频率为、流体的介电常数为，当伽仃s 1 时，位 移电流可以忽略。一般情况下，水或水溶液都满足这一条件。反之，对于。0 的 油类等，其较高，则位移电流占主要地位，不可忽略。 以麦克斯韦方程式为出发点，则可以得到： r o t e 一詈 ( 2 2 ) r o t h 一一。j + 詈 ( 2 3 ) d i v d p ，d i v b 一0( 2 4 ) 式中，西t 雪为电通量密度；p 为电荷密度；云= 膏为磁感应强度。 由式( 2 2 ) 右边的瓶o t 可知，如果否为交流磁场，则可用相位差来判别；如 果百为恒定磁场，其值为零，可忽略。同时，根据假设( 3 ) ，若忽略其位移电流 a 西o t ，则可得： r o t e = 0 ，r o t b 一j ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可以判定存在电位u ，其表达式为： em - g r a d u ( 2 6 ) 若产生电流j 的源点不存在时，有： d v j l i r a 0( 2 7 ) 由式( 2 1 ) 和式( 2 7 ) 可得： d i v e + d i v o b ) = 0 ( 2 8 ) 又由式( 2 6 ) 和式( 2 8 ) 可得： v 2 u = d i v ( v x b ) = b r o t v - v r o t b ( 2 9 ) 考虑到磁场不会受到流体中感应电流的影响，故式( 2 9 ) 中的第二项为0 ，于 是可得： 处理方法的研究 ( 2 1 0 ) 计的基本方程式。若选择适当的边 界条件，根据v 和b 间的空间分布，就可以求出流速矢量v 和电位u 间的对应关系。 在这里，利用式( 2 1 0 ) 的基本方程式来推导电动势的公式时，先作以下几点 说明： ( 1 ) 管路坐标的确定：在半径为t 的圆管截面上，x y 坐标示意图如图2 2 所示。 y 电极 妥0 _ 弋毽厂 o ? 一t ，o ，三i 7 磁场 b 图2 2 坐标轴示意图 ( 2 ) 电极设在y 轴上的a ( 0 ，t ，0 ) 、b ( 0 ，t ，0 ) 点上，其电极面积d , n 可以 忽略。 ( 3 ) 仅考虑z 轴方向的流动，其流动方向与图2 2 所示一致或相反均可。 ( 4 ) 磁场加在x 轴方向上，其方向与图2 2 所示一致或相反均可。 ( 5 ) 管壁为绝缘体，流体均匀。 根据以上说明，可知心- ，一0 ，吃= 0 ，故信号处理可归结为二维i 口- 1 题，得： v 2 u ；反挈一只i 8 v , ( 2 1 1 ) o a 此时，由于讨论的问题已变为线性问题，故电位可以重合。所以，若取式( 2 1 1 ) 的格林函数为6 ( x ，y ，亭，7 ) ，则电位u 为： 弘y f d g ( x , y , 勋) 卜蔷一只等p 彰叩 ( 2 1 2 ) 根据边界条件，当管壁r = t 时，o u d r = 0 或流速。屹- 0 ，式中厂= 2 + y 2 ) u 2 。 当电极a 、b 间的电位差为e 时，对式( 2 1 2 ) 进行部分积分，得： e ；u - 一u b = v ( o ，口) - u ( o ，- a ) 一知删沏+ 知睚w 沏 q j 3 硕士学位论文 式中： a 万虿雷万琵研a 而丽碧万而( 2 1 4 ) 其中仉d 影，7 为区域d 上的积分，即管路截面积上的面积分。 w ， 式( 2 1 3 ) 中的电动势是在磁场和流速任意分布的情况下得到的，其中睚、形 是加权函数，表示对电极电动势的贡献大小。 在均匀磁场中，若流速为轴对称分布，则磁场强度仅有x 分量，即鼠= b 、 丑，；0 。因此，式( 2 1 4 ) 中的第2 项为0 。为简化公式，用极坐标来表示，令亭- r c o s o 、 ，7 一rs i n 臼，贝i j 有： p = 知( ，o ) 曰v ( ，) 以劬 1 + ( ；) 2c o s 2 8 ( 2 1 5 ) 哪月卜面南 冉令( ，i t ) 。- r ，已知l + 2 r c o s 2 0 + 尺2 。( 1 + r n e x l + r c 。瑚) ，故对先展开成分 数，再展开成无穷级数，有： ，。瓣l + r c o s 2 0 = 三( 嘉+ 矗丽) 2 瓠1 一尺e 2 w + ( 一尺) 2 e 枷+ + ( 一r ) ne 2 h i s + + 1 一脖猢+ + ( 一r ) ne - 2 , a o + 】 ；1 + 舯* * 卜1 e 2 n o + e 一- 2 n 8 ) 2 1 6 - 1 + 罗( 一1 ) “( 二) 知c o s 2 n 0 篇 a 由式( 2 1 6 ) 可知，对( ，口) 中的口从。到纫进行积分，可得： f ( 厂，o ) d o ；幼 ( 2 1 7 ) 故式( 2 1 5 ) 中的e 为： p 。华挑) r d r ( 2 1 8 ) 弘刊。v ( ， ( 2 1 8 ) 所以可求出平均流速石为： 石= 知咐) 2 石r d rt 瓤咐渺 ( 2 1 9 ) 由式( 2 1 8 ) 和式( 2 1 9 ) ，可得： e 。2 b 品；b 函 f 2 2 0 1 低频交流励磁电磁流量计信号处理方法的研究 因此，如果流体为轴对称流动，则电动势与流速分布无关，且与平均流速成 正比，故可求得通过管道的流体流量： 吼；等- - 等三b ( 2 2 1 )吼4 t v2 了一 p 2 1 2 电磁流量计的内阻 对电磁流量计的传感器进行分析时，通常将固定在侧壁上的两个电极看作点 电极，但实际上它具有一定的形状和大小，故两个电极与被测液体接触时存在一 定的电阻，这就是信号源的内阻1 1 6 】。设传感器测量管内壁绝缘衬里固定的电极对 a 和b 近似圆柱状，其直径为d ，同时也设电极a 和b 的距离( 测量管直径) 为d 。若 管道很长，且d d ，当电极所处介质的电导率a 和介电常数f 均质时，介质内的 电流形成的电场近似不变。基于上述条件，电极实际上相当于埋在各个方向具有 无限深层的介质内。 设两电极间的电动势为e ，其中a 电极的电位为+ e 2 、b 电极的电位为吨2 ， 则电流由a 电极流入b 电极流出。已知电流流过的截面在电极附近最小，离电极愈 远截面愈大。由电流密度的定义可知，此时介质对电流的电阻愈远愈小。这样， 在计算传感器信号内阻时，可以把流体的体电阻视为零，仅计算两电极与介质相 接触的接触电阻。为计算方便，不妨设电极为球体，其半径为r ，则一个带电球体 的电容c 为： c = 4 用r e r ( 2 2 2 ) 已知带电系统的电容c 与同样尺寸的带电系统的电导g 对应，故可得： g 寺舞。芳一号2 墨2 嚣 仁2 功 墨里 ( 2 2 4 )一i 一 z c 式中6 为电流密度；凼表示电流流过的截面增量；e 为介质内电场强度；讲表 示从a 电极到b 电极的距离增量。 由式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 4 ) 可得球体与介质的接触电阻足为： 足= i 1 = 麦= 志= 去 ( 2 筋) 謦0 c i 、孔0 t q a o t 由于电极近似圆柱状，故将其近似为球体。此时可以认为圆柱底面积和半球 体的表面积相等，即2 r e r 2 ：石( d 2 ) 2 。计算可得，= d 2 互，代入式( 2 2 5 ) ，得到单 电极间接触电阻r 为： 硕十学位论文 r 。去刍 ( 2 2 6 ) 由式( 2 2 6 ) 可以看出，流量传感器信号内阻大小与测量管直径大小无关，而 与电导率和电极直径成反比，故电导率愈小内阻愈大。所以在电磁流量计的系统 设计中，应该尽量增大电极直径，减小其内阻，提高测量的精度。 一 2 2 电磁流量计的干扰源及抗干扰技术研究 2 2 1 电磁流量计的干扰源 根据法拉第电磁感应定律，当液体流过传感器时，液体就像导电金属棒一样 切割磁力线，此时在电极上就会获得电压信号，这个信号称为流量信号。由于电 磁耦合、静电感应、电化学电势以及电源波动等因素，电极上得到的流量信号不 仅仅是与液体流速成正比例的电动势，还包含各种干扰成分。 通常传感器测量电极上得到的电压信号用下列的数学模型来表示，电磁流量 计将从传感器上得到的电压信号传递给转换器进行信号处理： e b v d + 毛筹+ 屯窘掣+ 巳 ( 2 2 7 ) 由式( 2 2 7 ) 可以看出，b v d 与流速成正比，称为流速信号，是电磁流量转换 要得到的真实测量信号。当流体以速率l m s 流过传感器时，从电极上得到的 电动势在l m v 以下，故流速信号一般较小。毛衄出和k d 2 b 出2 称为正交干 同相干扰，它们是由于励磁磁场的突变引起来的，其中k 1 和k 2 为常数。乞、 e ，分别称为共模干扰、串模干扰和直流干扰。 1 正交干扰d b 出 目前大多数电磁流量计的磁场都是由通电线圈产生的。由电磁感应定律可知， 是正弦波交流励磁还是矩形波励磁，励磁线圈都类似于变压器的初级一样， 级产生的磁力线穿过次级的闭合回路，就会在次级回路中产生感应电流，然 次级回路中的负载电阻两端产生感应电压。但如果初级产生的磁力线能完全 于次级闭合回路，那么在次级回路负载上就不会产生感应电压。 在电磁流量计传感器中，存在一个闭合回路，即从电极a 引出线一转换器输 阻( r ) 一另一引出线一电极b 一被测流体电阻一回到电极a ，这个回路相当于 的变压器次级绕组，且处于交变磁场中。由于实际的传感器装配工艺很难做 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 回路平面。若为交流励磁，即使流体流速等于零，没有流量信号感应，闭合 也会在电阻上产生感应电压。由于此时产生的电压与流量无关，称为干扰电 这个过程像变压器的工作过程，所以通常称为“变压器效应”【1 7 】。 低频交流励磁电磁流量计信号处理方法的研究 当通过导体回路包围面积的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势 及感生电流，其感应电动势的大小与回路磁通随时间的变化率成正比，方向由楞 次定律决定。由楞次定律可知：感生电动势及其所产生的感生电流总是力图阻止 回路中磁通的变化。因此，回路中产生的感生电动势u 可表示为：u 一一d 中出。 当变压器通电后，在次级感应的电动势可表示为：e d b d t 。 对于交流正弦波励磁，设b ；风s i n 研，可得： e - 等- 2 石f a c o s t o t ( 2 2 8 ) 式中f 为励磁频率。由式( 2 2 8 ) 可以看出，干扰信号在相位上比流量信号要滞 后9 0 。这是因为励磁线圈是一