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基于导体管壁电磁流量计信号处理系统设计与实现

来源:作者:发表时间:2018-08-11 10:11:18

 摘 要:电磁流量计测量管壁为绝缘材料或者内壁附有绝缘层,但该结构限制了电磁流量计应用范围,同时绝缘层破损造成了测量误差。因此有一类电磁流量计去掉了绝缘层,但这种设计会导致流量计输出信号下降而影响测量。针对导体管壁电磁流量计输出信号减弱的特点,提出了信号补偿法,利用此方法对输出信号衰减程度进行判断,再此基础上进行信号补偿。实验证明该方法提高了导体管壁流量计的测量精度和稳定度,同时扩大了传统电磁流量计的使用范围。

 
引 言
随着流量测量方法与技术研究工作的不断发展与进步,预计未来5年中电磁流量计的使用规模将再增加30%[1]。由于仪表使用范围广,传统的电磁流量计一直以来就是研究的热点问题之一。学者们针对不同结构的电磁流量计给出了研究成果,并推动了电磁流量计的技术发展。Kollár L等[2]研究了一种利用多电极磁流量计边界周围的电势分布进行速度重建析方法。Shi Y.和WangM.[3-4]提出了一种基随着流量测量方法与技术研究工作的不断发展与进步,预计未来5年中电磁流量计的使用规模将再增加30%[1]。由于仪表使用范围广,传统的电磁流量计一直以来就是研究的热点问题之一。学者们针对不同结构的电磁流量计给出了研究成果,并推动了电磁流量计的技术发展。Kollár L等[2]研究了一种利用多电极磁流量计边界周围的电势分布进行速度重建析方法。ShiY.和Wang M.[3-4]提出了一种基于感应技术的圆弧形电极测量两相流中的感应电势和导电相的速度。Leeungculsatien和Lucas[5-6]设计了一种用于在分层流中重建轴向速度分布的多电极磁流量计。He L Q.[7-8]提出一种用于非满管测量的电磁流量计传感器,其中由并联多电极构成的平行阵列作为测流量计传感器。Reis E.等人[9-10]比较了不同几何结构的电极特征,总结出双环型电极是用于测量两相空气-水流体积浓度的最佳结构。Watral Z.[11-12]等人设计了一种适用于矩形截面管道的电磁流量计,用以测量明渠中携带污染物和轴向速度不对称的液体。对导体管壁电磁流量计的研究文献相对较少[13-15],而这类传感器在核工业等场合有非常重要的应用。
 
1 理论背景
电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律。导电流体切割磁力线产生感应电动势与流体流速成正比。通过测量感应电势来实现利用电磁流量计对流体流速的测量。目前电磁流量计的测量管衬里为绝缘材料,将流体与测量管隔开,且两个测量电极在测量管周向轴对称分布。由于绝缘材料基本为聚四氟乙烯,制约了电磁流量计使用范围(工作温度低于500℃);电磁流量计在流量测量过程中,绝缘衬里很容易与测量管道内壁脱离、剥落、拉破等,从而导致对流量信号造成干扰,影响测量精度。去掉无绝缘衬里,采用导体材料作为测量管的电磁流量计可以解决因传统内衬给测量带来的问题。但是由于测量管道为非绝缘材料,而导致传感器输出信号下降。针对以上问题,研究了一种测量单元来动态监测由于无绝缘衬里带来的测量信号衰弱,同时给予微弱真实信号补偿,来保证流量计测量的精度。
 
当传感器为传统电磁流量传感器时,即其电极为点电极,管道为绝缘圆形直管,流体为满管对称流,流量计电极两端输出的电压U为:20180811101201.jpg
 
对于导体管壁电磁流量计,导电流体以一定速度流过测量管道,产生的感应电势不会完全由电极输出。这是由于去掉绝缘衬里的导电管壁对流体感应电势产生短路效应。
 
导体管壁电磁流量计电极输电压为:20180811101315.jpg
 
可知,导体管壁流量计的电极间输出信号是有衰减的,衰减率为k。为了提高导体管壁流量计测量的准确性及稳定性,考虑通过系数k对测量电极间输出信号进行补偿。
 
2 信号系统设计
电极结构如图1所示。CE为感应电流电极,FE为反馈电极,GE为接地电极,SE为信号电极,PE为电压电极。
20180811101353.jpg
如图2所示,导体管壁电磁流量计输出信号由伺服放大模块对输出信号进行监控并补偿,即伺服放大模块将传感器输出信号与反馈信号进行比较并放大,当输出信号与反馈信号平衡时,伺服放大模块停止工作。信号经由采样保持模块进行模数转换。信号再由差分放大器及信号输出放大器进行放大,使得对传感器输出微弱信号进行更精确的放大。
 信号处理系统结构
3 实验验证
在实验室中,利用所设计的补充信号系统,对导体电磁流量计进行实验。实验中采用恒幅电流和低频矩形波(50/16Hz)产生励磁。要保证放大器第一级的输入阻抗必须足够高,否则会产生误差,补偿效果不理想。被测导电液体的电导率为5~10μS/cm,实验中采用的水电导率为163μS/cm。测量管道外径为30mm,内径为27mm。电极之间的阻抗约为在500~1 000kΩ。
 
平均流量和流量计输出电压的关系如图3所示。实验室温度是18℃,磁场强度为81e-4 T。通过图3实验结果可知,没有应用补充信号系统的输出信号与理论值比降低约60%。而应用了信号补充系统的输出信号与理论值基本一致。
20180811101437.jpg
通过水循环系统对基于导体管壁的电磁流量计信号补充系统进一步实验。实验室水循环系统示意图如图4所示。
实验循环系统
导体管壁电磁流量计和标准电磁流量计同时工作测得实验结果,测量管道外径为30mm,内径为27mm,与标准流量计实验结果对比值如表1所示。
 流速测量值
表1可知,测量的15组数据中,测量的重复率高于95%,误差低于15%,且系统拟合度0.95。通过两方面的实验证明了理论分析的正确性,同时也证明了信号补充系统大大提升了导体管壁电磁流量计测量可靠性及精度。
 
4 结 论
针对一类导体管壁电磁流量计在测量时信号大幅衰减的问题,为了更加精确地对导电流体进行测量,在理论分析输出信号衰减率的基础上,提出了一种信号补充系统来对传感器输出信号进行补充处理。通过实验证明,该方法有效提高了导体管壁电磁流量计测量精度,具有可行性。
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