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非满管电磁流量计测量方法
发布时间:2019-04-04

  电磁流量计由于具有众多的优点广泛应用于工业各种场合,近年来已经逐步向民用领域扩展。传统的电磁流量计仅能用于满管的流量测量,对于非满管流体或者流体在满管与非满管之间变化的流动时的流量测量研究较少。非满管流体流动时,由于管内的流体截面积是变化的,或者流体流动一直处于非满管状态,非满管流量的测量需要测量流体平均流速和液位这两个参数。非满管状态下,测量管内流体流速分布不对称,导致权重函数的分布和液位有关,同时电极上的感应信号是两电极横断面内所有质点电位的集合,即电势一定要处于电极可测量范围之内,所以进行非满管的流量测量电极必须浸入流体内,否则电极得不到感应信号[17-19] 。
1 非满管电磁流量计的结构设计
1.1 非满管电磁流量计的测量原理
  管道式电磁流量计在工作的过程中,可能会出现管道中流体未充满或者在流体流动过程中,流体流动处于满管向非满管道的转换状态中。使管中流体流动有两种流动状态。对流体未充满管道式 1,如图 3-1 所示,此时如果仍按传统流量计的测量原理,则:
实际值=测量值-上部空气部分

  由权重函数的理论可知,感应信号电压是两电极横断面内所有质点电位的集合,不论流体在管道中横截面如何变化,流动流体的质点都会有感应电势,但是这些电势一定要处于电极的集合范围内,如果电极暴露在空气中,电极得不到信号[19],流体未充满管道式 2 就是这种情况。当流体未充满管道时,管中流体的实际流量值Q实=A实?`V,而管中流体的截面积为:

  式中 h 为液面高度, D 为测量管内径。而不再是由此可知,非满管电磁流量计的流量测量必须同时测量平均流速和液位高度这两个物理量。
1.2 非满管电磁流量传感器流速测量机构
  根据电磁流量计的基本原理,当流体充满管道时,管中流体的平均流速和两电极之间的感应电势之间的关系如式(2-1)所示。当管中流体未充满时,如前面所述,测得的信号不准确或者根本得不到感应电势信号。本机构在传统电磁流量计的基础上,将流速检测电极在高度方向上设计在距测量管底端 10%D处,其中 D 为测量管直径。这样能保证管中流体液位高于 10%D 时,根据传统电磁流量计基本原理,传感器能准确测得流体的平均流速。其结构如图 3-3 所示。
非满管电磁流量计流速测量机构图示
此时,两极间的感应电动势 E 与两电极间的距离 d 之间的关系为:

E =k Bd`V ?????????????????????(3-2)
1.3 非满管电磁流量传感器液位测量机构
  本结构基于电容式传感器的基本原理,就是将液位的变化转换成电容值的变化。在测量的过程中测量电压、频率、脉宽等容易测量的物理量,从而实现电容值的测量。结合电容式传感器和电磁流量计的基本原理,流体在管中流动的过程中,利用流量计衬里和管内流体作为介质,同时在流量计衬里与管壁之间采用两片圆弧形电极片,电极片与衬里和管中流体形成一电容器,根据电容式传感器的基本原理,液体作为一种介质,是电容器的一个组成部分,液体液位的高低,直接影响电容器的电容值,即电容器的电容量是液位高度的单值函数。其相应结构如图 3-4 所示。
  为了降低信号之间的干扰和便于控制,非满管电磁流量计采用流速机构和液位机构分体,但是同时同步测量,再将两信号进行整合,得出流量信号。
非满管电磁流量计液位测量机构图示
2 非满管电磁流量计原理
2.1 非满管电磁流量计测量原理
  流体在管道内沿与磁感应线垂直的方向流动时,根据法拉第电磁感应定律,会产生感应电动势,通过感应电动势值即可得到流体的平均流速。在两电极片间有激励电压的作用下,两电极片、衬里和流体一起构成电容器,根据电容式传感器基本原理,此传感器的等效电路如图 3-5 所示,电极片、衬里和流体一起构成了一变介电常数型电容器,两极片间电容为上下两部分电容并联而成,其中 C1和 C3、C2和 C4之间为串联,其总电容的计算如式(3-3)。

  如图 3-6 所示,管中液体将测量管分为上下两部分,其中空气的介电常数为0ε,流体的介电常数为1ε,衬里的介电常数为2ε,根据电容式传感器模拟计算方法可计算其电容值[20],1C 和2C 由于极板间间距没有改变,而且两极板之间是单一介质,其电容值可近似作为平行板电容器来计算[21],如下所示:

式中,
a 为衬里内半径, m ; ???????
h 为液位高度,?? m ; ???????
b 为电极内径,?? m ; ??
l 为电极片轴向长度, m ;
2.2 非满管电磁流量计工作原理
  非满管电磁流量计采用励磁激励和电压激励双激励机制,在励磁激励的作用下,通过励磁电路产生相应的磁感应强度,从而在电极上得到与流速对应的电势信号,经过计算得到流体的平均流速值。在激励电极的作用下,向激励电极通入高频电压,使两圆弧形电极片与其之间的介质形成电容式传感器,通过电容量的测量,经过控制系统处理后得到与电容对应的液位高度信号。两个过程互不干涉,然后经过控制系统分析处理后得到管中流体流量值。整个系统框图如图 3-7 所示。

3 信号转换电路的构成
  传统的电磁流量计的信号转换电路包含励磁电路和信号处理电路两部分组成。非满管电磁流量计除了这两部分以外还有激励电压电路。
3.1 励磁电路参数确定
  励磁系统是电磁流量计的一个关键部分,其好坏直接影响到测量结果的精确程度高低。励磁系统的参数主要是励磁方式和励磁频率。常用的励磁方式有以下几种[8]。
1.直流励磁
  直流励磁方式是用直流电或永久磁铁产生一个恒定的均匀磁场。直流励磁可以忽略流体中的自感现象,同时受交流影响很小,但是由于管中流体电解质的电离,直流励磁易产生极化现象。极化电压和流量信号混杂在一起,不容易区分。所以,一般在测量非电解质流体的情况下才采用这种方式。

2. 交流励磁
  交流励磁方式是上世纪 50 年代工业电磁流量计主要采用的励磁方式,它的磁场是由正弦交变电流产生一个交变磁场:

  交变磁场能消除极化干扰,同时产生的交变信号,经过放大和转换要比直流信号容易。但是交变磁场易产生正交(微分)干扰:

和同相干扰:

  这些干扰降低电磁流量计的信噪比,这些干扰信号与流量信号e=emsinωt 混杂在一起,难以区分。

3.低频矩形波励磁
  上世纪70-80 年代出现了低频矩形波励磁,这种励磁方式兼有直流励磁和交流励磁的优点,同时很好的避免了它们的缺点。如图 3-10 所示。在半个周期内,磁场是直流磁场,低频矩形波励磁有直流励磁的特点,但从整个过程来看磁场又是处于周期性变化的过程中,低频矩形波又是一个交变信号,便于放大和处理。所以低频方波励磁现阶段应用非常广泛的励磁方式。

综合上面所述,非满管电磁流量计选择低频矩形波作为励磁方式。
  电磁流量计采用较高的励磁频率可以有效降低信号源内阻,当频率提高到100Hz 时,信号源内阻约为几百兆。继续提高励磁频率,可以进一步降低信号源内阻和流动噪声。但是随着励磁频率的提高,由式(3-7)和式(3-8)可知,正交干扰和同相干扰会变得更严重,电极上的涡电流也随之增大。根据日本专家 Nakatani 的研究成果,流动噪声和微分干扰强度随励磁频率变化规律如图3-11所示,从中可以看出,使流动噪声和正交干扰到达最小的最佳励磁频率应该在 100-400Hz 范围内 [22]。

3.2 信号处理电路
  信号处理电路的主要作用是将传感器得到是带有很多干扰而且信号非常微弱的电压信号转换成AD 采样器可以接受的直流信号,从传感器得到的信号如下式所示[23]:

  ec 是共模干扰电压、ed 是串模干扰电压、ez 是直流极化电压。其中正交干扰和同相干扰是由于磁场的突变引起的主要干扰源,共模和串模干扰是由于电磁干扰和静电干扰产生的次要干扰源,可以通过静电屏蔽和接地加以抑止,极化电压是直流极化现象产生的,可通过提高励磁频率消除[24]。电磁流量计采用低频矩形波励磁能很好消除直流极化现象,在低频矩形波的上升沿和下降沿,当励磁电流进入稳态的时候再进行信号采样,能消除部分正交干扰电压? [25] ,但是信号处理的时间较长。
  由于传感器得到的信号非常微弱并且带有很多干扰,所以信号处理电路必须有放大以及抑制噪声和干扰的功能,图 3-15 表示信号处理电路的组成部分。

电磁流量传感器的内阻很大,传感器和转换器的等效电路如图 3-13 所示,

  图中 e 是传感器产生的流量电势信号,r 是传感器内阻,RL是转换器的输入阻抗,eX是转换器得到的流量电势信号,根据欧姆定律可知:

  从上式可以得知RL》r ,所以要使信号足够精确,转换器必须有很高的输入阻抗[2]。
  从传感器出来是非常微弱且带有干扰的信号,信号预处理是首先去除信号中的高频信号,然后再用放大器将信号放大,同时放大器能很好地抑制共模干扰,经过前面的处理之后,信号中还会有部分干扰噪声,无法直接检测得到,滤波器的主要作用是去除剩余部分的干扰和噪声,得到模数转换能直接识别的信号,然后传输给单片机控制。
3.3 激励电压电路
  非满管电磁流量计以电容式传感器为基本原理,向激励电极通入高频电压以形成电容式传感器,激励电压电路框图如图 3-14 所示。

  由于激励电极安装在测量管和衬里之间,激励电压电路在工作的过程中需要一定大小的高频电压用以击穿衬里材料,所以采用变压器以得到不同大小的击穿电压值,工控板用来控制整个激励电路。
4小结
  本章介绍了非满管电磁流量计的测量方法。其中重点介绍了一种新的非满管电磁流量计的结构,该结构是以电容式传感器为基本原理,利用电容和液位的高度关系来进行测量。同时分析了非满管电磁流量计基本的工作原理、简要介绍了流量信号的处理方法,为后面实验方案及装置的设计打下了基础。

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