插入式电磁流量计.doc

插入式电磁流量计0 引言插入式电磁流量计是一种重要的测量导电性液体体积流量的仪表，在城市用水、工业废水、浆液测量及食品等多方面得到广泛应用。但是高精度的电磁流量计价格昂贵，特别是大管径的，不仅加工困难，而且给安装、维修带来很多不便。因此，在大管径管道的流量测量方面常使用插入式电磁流量计代替传统的管道式流量计。本文从流量计理论出发研究该插入式流量计的特性与可行性。 1 插入式电磁流量计测量理论 述插入式电磁流量计的积分式由Bevir在1970年给出： 式中：U2-U1是两电极之间的电势差；A表示对所有的空间积分；称为矢量权函数，是一个只有电磁流量计本身结构决定的量，其表达式为： 而且： 式中：G和F分别是和的标量势，它们满足Laplace方程： 由以上分析可知，电势差的测量不受流体的温度、压力、密度、电导率(高于某阈值)变化的影响，具有很大的优越性。 2 插入式电磁流量计的理论计算 典型的插入式电磁流量计结构如图1所示，将电极插入管道内，磁极留在管道外，在电极周围产生一个局部磁场。图1插入式电磁流量计结构示意图图2插入式电磁流量计简化的物理模型 建立物理模型如图2所示：e1、e2为插入管道的两个电极，电极位置由插入深度b以及电极开角0决定，是由外部磁极产生的磁场。基于此模型，计算G、F、W的分布。 2.1 虚电势G的计算 由于管道内有插入的电极，所以不能直接使用式(4)的Laplace方程求解虚电势。我们可将该模型的虚电势分布认为是分别只有电极和边界产生的虚电势的叠加，即G=G0+Gr。 2.1.1 只有电极的虚电势分布 假设边界无穷远，根据虚电流的定义有： 普通电场中的高斯定律： 根据对称原则，虚电势应具有和电势相似的形式，即： 根据图2的几何关系，不难求出G0的解析表达式： 2.1.2只有边界的虚电势分布 由于测量管壁绝缘，因此有边界条件=0，即： 式(9)即为Gr的边界条件。由于此时虚电势仅由边界决定，所以有方程： 这是一个定解条件的Laplace方程，使用分离变量及傅立叶系数公式可进行求解。由于很难求得边界条件的解析解，我们在径向使用差分方法求得Gr的边界条件来求得Gr的数值解。 3.2磁势F的计算 由于电极的插入深度一般仅为管道直径的10%12.5%，因此假设在电极附近的磁感强度是均匀的，即： 3.3权函数W的计算 由梯度的定义可求得： 由于磁场是均匀的，不难得到： 3.4输出电势差的计算 假设管道中的流动为充分发展的湍流，我们选用经典湍流模型，其流场分布为： 与求得的W得输出电势差U。 3编程计算 综合上述讨论可以看出，问题的关键在于虚电势函数G的计算，考虑到精度要求以及资源消耗，使用离散方法计算G。具体实现步骤如下： 1)将感兴趣的区域在二维直角坐标上划分网格，使用式(8)求出每一微元上的G0值； 2)使用差分方法计算式(9)中边界处网格的G0法向方向偏导值，作为计算Gr的边界条件； 3)通过分离变量、利用傅立叶系数公式，以及离散的Simphson积分法计算式(10)得到Gr的半解析表达式，计算每一网格的Gr值，并合成G； 4)按照式(13)计算G在x方向的差分，求得每一网格的W值； 5)结合式(14)的流场模型，计算输出电压。 编写程序计算不同流场，不同电极位置的输出电压，并绘制G、W的等势分布图。 4结果与分析 4.1虚电势G分布(取电极间距为0.1R) 取b=0.9R(R为管道半径)，=0.0555rad，绘制G分布并放大电极附近区域如图3所示。图3b=0.9R时的G分布及局部放大图 图3中的黑点为电极，可以明显的看出G主要分布在电极周围并且在边界处分布发生显著的变化。 4.2权函数W分布(取电极间距为0.1R) 取b=0.9R，=0.0555rad，绘制W分布如图4所示。图4b=0.9R时的W分布及局部放大图 从图4中可以看出W主要分布在电极附近，并且成对称分布。 4.3输出电势差 通过计算可以发现，权函数W主要分布在电极附近。选择b=0.752R，对进行全空间积分，求得输出电势差U=0.1475V(为规一起见，假定vmax=1m/s，R=1m，电极处B=1T)；对距离电极所在圆周0105R的环状区域进行积分，求得输出电势差U=0.1231。因此，对最终输出电势差起作用的主要是电极附近的流场。说明我们假设的磁场模型是可用的。 选择模拟计算中常用的湍流模型 进行计算，取vmax=1，在不同的插入深度对于不同的湍流系数n进行求解，得到结果如表1所示。表1 不同电极位置和不同湍流系数下的输出电势差 绘制湍流系数-输出电势差曲线如图5所示。图5湍流系数-输出电势差拟合曲线 对各组数据做最小二乘拟合，计算斜率及线性度如表2所示。表2 不同电极位置的电势差拟合直线斜率及线性度 由图5可以看出，取vmax=1，即同一流量下，不同的湍流系数n对应了不同的输出电压。但当b=0.752R，也就是常说的平均流速点位置，输出的电势差U值基本不变。因此，只要将电极插至该位置，即可用来测量流量。为了研究插入深度偏离平均流速点所产生的测量误差，假设平均流速点位置的输出电势差为标准值，计算得到：插入深度与平均流速点偏差在011R范围内，输出电势与该标准值的相对误差约为1%2%。 5结论 本文完成了以下工作： 1)建立了插入式电磁流量计的物理模型，并编写程序计算出虚电势、权函数的数值解，用于指导插入式电磁流量计的实际生产与运用； 2)引入经典湍流模型，对不同湍流系数，不同电极位置的输出电压进行模拟计算，给出关系曲线，从理论上给出电极最优工作位置。 希望在进一步的工作中能加工制作出插入式流量计的实物，通过流量标定实验来验证理论分析结果。插入式电磁流量计的研制（一） 0 引言插入式电磁流量计作为流量测量仪表在工业检测中占有十分重要的地位，在城市用水、工业废水、浆液测量及食品等多方面得到广泛应用。但是高精度的电磁流量计价格昂贵，特别是大管径的，不仅加工困难，而且给安装、维修带来很多不便。因此在大管径管道的流量测量方面用插入式电磁流量计代替传统的管道式流量计是很有必要的。 1 电磁流量计的工作原理及特点插入式电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。按照该定律，当导电流体流过电磁流量计磁场时，在与流速和磁场两者相垂直的方向就会产生与平均流速成正比的感应电动势。该感应电动势由电磁流量计管壁上的一对电极检测到，其值为： E=KB D （1） 式中：E 为感应电动势，V； B 为磁感应强度，T； D 为测量管内径，m； 为平均流速，m/s； K 为与磁场分布及轴向长度有关的系数。 由式（1）可知，感应电动势E 不受流体的温度、压力、密度、电导率（高于某阈值）变化的影响，具有很大的优越性1。 电磁流量计具有以下特点： （1）其测量不受流体温度、压力、密度、黏度的影响。 （2）流量计内部直通光滑，不对流体产生阻力，无压力损失。 （3）直接进行电测量，响应速度快。 （4）检测部无运动部件，不会发生滴漏现象。 （5）可以测量正反向流体流量而不损害流量计。 （6）输出电压正比于流量，计量精度高。 （7）内衬可采用聚四氟乙烯塑料和氧化铝陶瓷，具有很强的抗腐蚀性，可以测量强酸强碱等流体。 （8）量程比宽2。 插入式电磁流量计的工作原理实际上同管道式是一样的，只是公式中的D指两电极之间的距离，但不再是测量管道的直径了。 相对管道式电磁流量计来说，插入式电磁流量计有如下特点： （1）插入式电磁流量计将传感器（探头）直接插入被测管道，具有体积小、安装方便、投资少等优点。 （2）插入式电磁流量计传感器插入深度仅为管道直径的10% 12.5%，无压损，特别适用于大口径管道中的流量测量，有优越的性能价格比。 （3）插入式电磁流量计精度较低，一般为1% 2%。但是采取一定的措施后，完全有可能提高精度，从而降低成本，替代管道式。 2 插入式电磁流量计的结构设计 现在某些插入式电磁流量计，虽然也是将线圈和电极都纳入一个探头中，但是探头体积较大，以至于两个探头就可产生布满整个管道的磁场，（一般插入式电磁流量计往往只在电极周围产生一个局部磁场）。因此对于特大管径的电磁流量计来说，此种插入式和传统的管道式在成本和加工难易程度方面都改善不了多少，实际上这种插入式结构不适合特大口径的电磁流量计。因此将设计定位在一般性的（探头体积较小）、能够应用于特大口径的插入式结构。 与管道式电磁流量计相比，插入式所产生磁场的线圈要小得多，插入式的难点之一在于探头内部的线圈怎样才能在电极周围产生均匀磁场。 为达此目的，采取了以下措施：（1）将线圈设计成扁平型，使得线圈形状与工作区形状达到最大程度的吻合，同时可以减少探头的用材和重量。（2）线圈内放置铁芯，线圈外围和顶上（非电极工作面一端）加上磁轭（紧贴线圈）来增强磁场。（3）在保证强度的情况下，探头壳体的壁面尽量做薄，使得电线极工作面尽可能地和线圈接近。线圈电磁铁结构见图2，两工作电极置于线圈中。 用简化的圆柱型模来替代设计的扁平型进行磁场仿真，在两电极连线上的磁场强度曲线如图3所示，可见其磁场效果，不管是强度还是均匀度都比一般的螺线管要好很多。而实际的实验结果表明扁平型结构电磁铁所产生的磁场大约为圆柱型的2倍，而且在工作区域也有一定的均匀度。可见，该电磁铁的结构设计是能够满足要求的。 插入式电磁流量计的难点之二在于插入式的探头对管道中的流场有一定的影响，探头背部可能会产生扰动，从而影响测量的重复性3。 3 二次仪表软硬件 为了简化软件和保证检测电路的快速响应，前端信号处理部分采用硬件电路的模拟处理方法。与管道式相比，插入式的由于信号更加微弱，所以电路放大倍数要求更大，抗干扰能力要求更高，应该采用共模抑制比性能更好的运放。在前置放大级上，采用零点隔离法，通过电容耦合来隔离零点漂移干扰。采用反馈，做到零点自动检测。该电路采用MSP430芯片作为微控制器，为低功耗的实现提供可能。 所设计的二次表头软件部分的智能化模块立足于插人式电磁流量计，但并不局限于插人式电磁流量计，而是拓展开来适合所有的电磁流量计，基本上实现了智能电磁流量计的一般功能：具有良好的界面显示、多种功能参数输入、多种控制信号输出及网络通信功能，同时还具有零点检测、故障诊断、参数保护等功能。其原理框图如图4所示。 4 试验结果 最后，用水流量标定装置进行了5个流量点的标定，各特性曲线如图5所示。 5 结论 为设计插入式电磁流量计，首先进行了电磁铁结构设计，通过采用独特的线圈电磁铁结构，产生了满足要求的磁场。所研制的样机能较准确地测出实际流量，示值误差为1.59%。但重复性有待进一步提高。插入式电磁流量计的研制（二） 0 前言插入式电磁流量计在经济方面的优越性主要体现在：价格与口径无关，在大口径情况下，价格十分低廉；安装维护方便、费用小。由于目前能源与环保计量方面的需求（如污水流量的测量等），发展插入式流量计已成为一种趋势。其中美国的March-Mcbimey公司的插入式电磁流量计在此领域处在领先地位，广泛应用于污水、浆水，饮料、化工领域的流体测量。如该公司的Model 282型压力管线插入式电磁流量计，适合的口径可从2英寸96英寸；探头可通过球阀与0型密封卷在不断流状伸出缩进和拆装。该流量计探头直径小、头部呈流线型、插入管道深度小，可近似为不阻流（阻塞系数=1），特别适合测量含有大量杂质的原生污水；还可通过现场流速分布测量，获得一组不同状态下的平均流速，用来确定回归方程系数，进而可以测量非理想紊流状的流量。 在此基础上我们研制了满管型插入式电磁流量计。三台样机在常州热工仪表厂测试设备上用稳压水塔和容积法进行测试，探头插入口径为100mm的内壁光滑的铁管，其流量在0100m3/h以内。使用后测试得到非线性误差1%，基本达到了国外同类产品的指标。同时该插入式电磁流量计在城市原生污水管线上试用两个月，探头抗污性能良好，在符合满管状态的条件下，工作状态稳定正常。本文叙述的就是此流量计的电路设计及关键问题的处理。 1 总体方案 为保证达到近似为不阻流的条件，探头尺寸应尽可能小。选用1英寸不锈钢管为探头壳体，激磁线圈采用工业纯铁作铁芯，漆包线直径0.1mm，将它密封在一个流线型半球型尼龙头内，上面包括一对不锈钢电极。尼龙头和不锈钢管通过螺纹密合在一起。电极与激磁线圈的引线由不锈钢管内引到顶部接线盒内。为避免在探头内发射的信号通过漏电阻及电容耦合到接收端，激磁线圈及信号发射引线与电极及信号接收引线应分开屏蔽。传输线采用高质量低频屏蔽线。由于探头尺寸小，激磁线圈漆包线直径只能很小，为避免产生热量激磁电流应控制在30mA以内。由于产生的磁场强度就很小，这就要求接收电路有足够高的灵敏度及抗干扰性能。考虑50Hz工频电压干扰，我们选恒定方波电流激磁方式，方波频率选50/4Hz=12.5Hz，这样对工频干扰就能有很强的抑制作用。为进一步提高零点稳定性，防止发射信号从电源耦合到接收电路，激磁信号电路与接收电路之间采用了电隔离，同步信号通过光电耦合完成。 2 激磁信号电路 激磁信号电路的供电电压15V。接收电路中的25Hz方波电压信号通过光耦器件（P521）耦合到发射信号电路，再通过D触发器分频成12.5Hz两反相的方波电压，去控制恒流源电路中的电子开关网络（T7、T8、T9、T10）进行切换。在激磁线包L1上形成30mA左右正负对称的方波电流，与控制方波电压同步。这样，流体运动切割磁力线产生的方波电压与激磁电流同步，也即与控制开关网络的方波电压同步，这样就保证了在接收电路中的同步解调。激磁信号电路详见图1，插入式电磁流量计的研制夏敖敖。等其中T11、T12为镜像恒流源。 3 转换器电路 第一级要求有很高的输入阻抗，以降低由于流体电导率变化所引起的误差；同时也要求有很高的共模抑制比，因为电极直接接触流体，50Hz工频干扰大，而信号十分微弱，没有很高的共模干扰抑制能力，信号将被50Hz干扰所掩没。为此第一级采用仪用放大器，选Rg=5.1k增益约20dB。第二级由高输入阻抗运算放大器CA3140组成射极跟随器。由于第三级应有很强的选频选相特性和稳定的高增益，所以采用将载波的选放、基带信号的低通滤波、解调三功能组合在一起的所谓“调制解调式双二次型（托氏电路）滤波器电路”，详见图2。其中电子开关选用四双向电子开关电路4066，S1-2，S2-1，S1-2，S2-1中的序号1，1为12.5Hz同步方波的“0”相位控制，序号2，2为同步方波的“”相位控制。图中开关所示位置是在“0”相位低电平，“”相位高电平时的状态，以保证该电路是负反馈。 转换器电路的放大倍数完全由电阻比决定。因为负反馈平衡作用，积分器直流输入总是等于零，同步解调无直流输出即同步积分器输出也总是零，它的两个输入信号电流值一定大小相等相位相反。因积分器的输出直流电压经300倍的衰减再调制成的方波信号与10倍的方波流量信号相等（R18/R5=10），所以放大倍数（R14/R15）（R18/R5）为3000约70dB。它对流量信号的截止频率为。由于同步积分器的同步积累作用使它有很强的抑制干扰与噪声的能力，而载波是50/4Hz，所以对50Hz干扰有很更强的抑制能力。从上分析可以看到同步积分器总是放大小信号，因此线性好、稳定性也好，供电电压6V，输出电压范围05V。在校验时，调整增益，使之对应05m/s的流速，即仪表的流速系数校正为1m/sV。 图2的输出电压经UoA/D转换器输出给本地的积算仪，或经V/F转换器由光电耦合电隔离远传给单独积算仪。在带P的积算仪中设置速度分布系数（定义为在面平均流速与测点处流速与测点处流速Vop之比）与管道截面积A经运算得瞬时流量及累计总量Q总，同时显示瞬时流量Qv和累计总量Q总。 4 共模抑制与接地处理 实践表明，即使采用仪用放大器AD620，但如果接地处理不好，CMR仍然很低，以至仪器不能正常工作。分析其原因，是从电极到AD620输入端有10m长的电缆线，信号芯线与屏蔽层之间的分布电容在两点接大地情况下，工频共模干扰会转化为串模干扰，一般可采用共模屏蔽层驱动技术使电缆分布电容失去作用。考虑探头外壳必须与大地相通，而屏蔽层又与探头外壳相通的情况，采用一点接地以切断地电流回路的方法防止共模干扰的转化，这样线路板上的信号地（模拟电源地）浮置，即与外壳隔断。外壳只接交流供电的保护地线，实践表明效果很好。当与其它外部仪器连接时（如单独积算仪等），可采用光电耦合进行电隔离，以防止通过外部仪器的地与大地相通。 5 校验与回归拟合 用稳压水塔和容积法校验流速仪表系数，选用直径为100mm（即r=50mm）内壁光滑的直管，探头插入离管道中心25mm处（即rx=25mm）。因接近理想紊流条件，所以rx=25mm、管道半径r=50mm、与雷诺数Re有关的n取7，由经验公式=0.816Vmax即Vmax=/0.861与Vop=Vmax（1一rx/r）1-n。由此可求得测点处流速Vop与面平均流速的关系为Vop=1.12（即=1/1.12），式中可通过容积时间法测得，Vop求出后，可由输出电压Uo与Vop的数据求得流速仪表系数。表1插入式电磁流量计的输出电压与测点处流速的关系 流量Qv(M3/h)面平均流速(M/s)测点处流速Vop（计算的）M/s仪表输出电压Uo(V)5.90.210.240.211190.670.750.660401.