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導體管壁電磁流量計信號處理系統設計
發布時間:2019-03-11

摘要:電磁流量計測量管壁為絕緣材料或者內壁附有絕緣層,但該結構限制了電磁流量計應用范圍,同時絕緣層破損造成了測量誤差。因此有一類電磁流量計去掉了絕緣層,但這種設計會導致流量計輸出信號下降而影響測量。針對導體管壁電磁流量計輸出信號減弱的特點,提出了信號補償法,利用此方法對輸出信號衰減程度進行判斷,再此基礎上進行信號補償。實驗證明該方法提高了導體管壁流量計的測量精度和穩定度,同時擴大了傳統電磁流量計的使用范圍。
0引言
  隨著流量測量方法與技術研究工作的不斷發展與進步,預計未來5年中電磁流量計的使用規模將再增加30%[1]。由于儀表使用范圍廣,傳統的電磁流量計一直以來就是研究的熱點問題之一。學者們針對不同結構的電磁流量計給出了研究成果,并推動了電磁流量計的技術發展。KOLLáRL等[2]研究了一種利用多電極磁流量計邊界周圍的電勢分布進行速度重建析方法。SHiY.和WanGM.[3-4]提出了一種基隨著流量測量方法與技術研究工作的不斷發展與進步,預計未來5年中電磁流量計的使用規模將再增加30%[1]。由于儀表使用范圍廣,傳統的電磁流量計一直以來就是研究的熱點問題之一。學者們針對不同結構的電磁流量計給出了研究成果,并推動了電磁流量計的技術發展。KOLLáRL等[2]研究了一種利用多電極磁流量計邊界周圍的電勢分布進行速度重建析方法。SHiY.和WanGM.[3-4]提出了一種基于感應技術的圓弧形電極測量兩相流中的感應電勢和導電相的速度。
  LEEunGcuLSatiEn和LucaS[5-6]設計了一種用于在分層流中重建軸向速度分布的多電極磁流量計。HELQ.[7-8]提出一種用于非滿管測量的電磁流量計傳感器,其中由并聯多電極構成的平行陣列作為測流量計傳感器。REiSE.等人[9-10]比較了不同幾何結構的電極特征,總結出雙環型電極是用于測量兩相空氣-水流體積濃度的最佳結構。WatRaLZ.[11-12]等人設計了一種適用于矩形截面管道的電磁流量計,用以測量明渠中攜帶污染物和軸向速度不對稱的液體。對導體管壁電磁流量計的研究文獻相對較少[13-15],而這類傳感器在核工業等場合有非常重要的應用。
1理論背景
  電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應定律。導電流體切割磁力線產生感應電動勢與流體流速成正比。通過測量感應電勢來實現利用電磁流量計對流體流速的測量。目前電磁流量計的測量管襯里為絕緣材料,將流體與測量管隔開,且兩個測量電極在測量管周向軸對稱分布。由于絕緣材料基本為聚四氟乙烯,制約了電磁流量計使用范圍(工作溫度低于500℃);電磁流量計在流量測量過程中,絕緣襯里很容易與測量管道內壁脫離、剝落、拉破等,從而導致對流量信號造成干擾,影響測量精度。去掉無絕緣襯里,采用導體材料作為測量管的電磁流量計可以解決因傳統內襯給測量帶來的問題。但是由于測量管道為非絕緣材料,而導致傳感器輸出信號下降。針對以上問題,研究了一種測量單元來動態監測由于無絕緣襯里帶來的測量信號衰弱,同時給予微弱真實信號補償,來保證流量計測量的精度。
  當傳感器為傳統電磁流量傳感器時,即其電極為點電極,管道為絕緣圓形直管,流體為滿管對稱流,流量計電極兩端輸出的電壓U為:
U=2R1B`n????????? (1)
  式中:B為磁感應強度;Ri為管道內半徑;`n為導電流體平均流速。
  對于導體管壁電磁流量計,導電流體以一定速度流過測量管道,產生的感應電勢不會完全由電極輸出。這是由于去掉絕緣襯里的導電管壁對流體感應電勢產生短路效應。
導體管壁電磁流量計電極輸電壓為:

  式中:Ro為管道外半徑;σW為管道電導率;σf為導電流體電導率;τ為流體與管道的接觸電阻。對比式(1)與(2)可知,導體管壁流量計的電極間輸出信號是有衰減的,衰減率為k。為了提高導體管壁流量計測量的準確性及穩定性,考慮通過系數k對測量電極間輸出信號進行補償。
2信號系統設計
  電極結構如圖1所示。CE為感應電流電極,FE為反饋電極,GE為接地電極,SE為信號電極,PE為電壓電極。
導體管壁電磁流量計電極結構圖
  如圖2所示,導體管壁電磁流量計輸出信號由伺服放大模塊對輸出信號進行監控并補償,即伺服放大模塊將傳感器輸出信號與反饋信號進行比較并放大,當輸出信號與反饋信號平衡時,伺服放大模塊停止工作。信號經由采樣保持模塊進行模數轉換。信號再由差分放大器及信號輸出放大器進行放大,使得對傳感器輸出微弱信號進行更精確的放大。
電磁流量計信號處理系統結構圖
3實驗驗證
  在實驗室中,利用所設計的補充信號系統,對導體電磁流量計進行實驗。實驗中采用恒幅電流和低頻矩形波(50/16Hz)產生勵磁。要保證放大器第一級的輸入阻抗必須足夠高,否則會產生誤差,補償效果不理想。被測導電液體的電導率為5~10μS/cm,實驗中采用的水電導率為163μS/cm。測量管道外徑為30mm,內徑為27mm。電極之間的阻抗約為在500~1000KΩ。

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