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电磁流量计测量原理及励磁方式

  

1 概述

  

 

  

电磁流量计(Electromagnetic Flowmeters,简称EMF)是20世纪50-60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。它是根据法拉第电磁感应定律制成的,用来测量导电液体体积流量的仪表。由于其独特的优点,目前已广泛地被应用于工业过程中各种导电液体的流量测量,如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质;各种易燃易爆介质;污水处理以及化工、食品、医药等工业中的各种浆液流量测量,形成了独特的应用领域。

  

在结构上,电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成,如图7-1所示。传感器安装在工业过程管道上,它的作用是将流进管道内的液体体积流量值线性地变换成感生电势信号,并通过传输线将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方,它将传感器送来的流量信号进行放大,并转换成与流量信号成正比的标准电信号输出,以进行显示,累积和调节控制。

  

  

电磁流量计的主要优点如下:

  

1)电磁流量计的传感器结构简单,测量管内没有可动部件,也没有任何阻碍流体流动的节流部件。所以当流体通过流量计时不会引起任何附加的压力损失,是流量计中运行能耗最低的流量仪表之一。

  

2)可测量脏污介质、腐蚀性介质及悬浊性液固两相流的流量。这是由于仪表测量管内部无阻碍流动部件,与被测流体接触的只是测量管内衬和电极,其材料可根据被测流体的性质来选择。例如,用聚三氟乙烯或聚四氟乙烯做内衬,可测量各种酸、碱、盐等腐蚀性介质;采用耐磨橡胶做内衬,就特别适合于测量带有固体颗粒的、磨损较大的矿浆、水泥浆等液固两相流以及各种带纤维液体和纸浆等悬浊液体。

  

3)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)的影响。因此,电磁流量计只需经水标定后,就可以用来测量其它导电性液体的流量。

  

4)电磁流量计的输出只与被测介质的平均流速成正比,而与对称分布下的流动状态(层流或湍流)无关。所以电磁流量计的量程范围极宽,其测量范围度可达100:1,有的甚至达1000:1的可运行流量范围。

  

5)电磁流量计无机械惯性,反应灵敏,可以测量瞬时脉动流量,也可测量正反两个方向的流量。

  

6)工业用电磁流量计的口径范围极宽,从几个毫米一直到几米,而且国内己有口径达3m的实流校验设备,为电磁流量计的应用和发展奠定了基础。

  

电磁流量计目前仍然存在的主要不足如下。

  

1)不能用来测量气体、蒸汽以及含有大量气体的液体。

  

2)不能用来测量电导率很低的液体介质,如对石油制品或有机溶剂等介质,目前电磁流量计还无能为力。

  

3)普通工业用电磁流量计由于测量管内衬材料和电气绝缘材料的限制,不能用于测量高温介质;如未经特殊处理,也不能用于低温介质的测量,以防止测量管外结露(结霜)破坏绝缘。

  

4)电磁流量计易受外界电磁干扰的影响。

  

 

  

2 电磁流量计的测量原理

  

 

  

根据法拉第电磁感应定律,当一导体在磁场中运动切割磁力线时,在导体的两端将产生感应电动势e,其方向由右手定则确定,其大小与磁场的磁感应强度B,导体在磁场内的有效长度L及导体垂直于磁场的运动速度u成正比。如果B、L、u三者互相垂直,则

  

  

 

  

  

与此相似,如果在磁感应强度为B的均匀磁场中,垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道,当导电液体在管道中以流速u运动时,导电液体就切割磁力线,如果在管道截面上垂直于磁场的直径两侧安装一对电极(如图7-2所示),则可以证明,只要管道内流速分布为与轴对称分布,则两电极间将产生感生电势

  

  

式中是管道截面上的平均流速(m/s);k是常系数,无量纲;D是测量管直径(m);B是磁感应强度(T)。

  

由此可得通过管道的体积流量

  

  

由上式可知,当测量管结构一定时,体积流量qv与比值e/B成正比,而与流体的状态和物性参数无关,测量比值e/B即可得到体积流量值qv。当磁感应强度B为恒定值时,体积流量qv与感生电势e成正比。

  

B是直流磁场或正弦波交流磁场或其它类型磁场的磁感应强度。它由电磁流量计的励磁系统提供。励磁系统可以给电磁流量传感器提供多种形式的磁场波形。不同的磁场波形,直接决定了电磁流量传感器工作磁场的特征,也基本上决定了电磁流量计流量信号的处理方法,对电磁流量计的工作性能有很大的影响。所以,自电磁流量计进入商用化以来,励磁方式始终是人们研究电磁流量计的热点问题。从电磁流量计开始应用的直流励磁到现在双频方波励磁,已使用过多种方式的励磁技术。下面就各种励磁方式的特点作简要分析。

  

 

  

3 电磁流量计的励磁方式

  

 

  

人们开始研究电磁流量计时,最先想到使用的励磁磁场自然是直流磁场,后来又发明了正弦波交流磁场、低频矩形波磁场、三值低频矩形波磁场以及双频矩形披磁场等。它们的磁场理想波形如图7-3所示。

  

3.1 直流励磁技术

  

直流励磁技术是最初的电磁流量计采用的励磁技术,它是利用永磁体或者直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供电,以形成恒定的直流磁场,磁场波形如图7-3a)所示。直流励磁技术具有方法简单可靠、受工频干扰影响很小以及流体中的自感现象可以忽略不计等特点。但是,直流励磁技术的最大问题是直流感应电势在两电极表面上形成固定的正负极性,引起被测流体介质电解而产生正负离子,导致电极表面极化现象,使感生的流量信号电势减弱,电极间等效电阻增大,同时出现电极极化电势漂移,严重影响信号处理部分的工作。即使电极采用极化电势很小的铂、金等贵重金属或其合金材料,常常也存在微弱的极化电势,同时仪表的制造成本也较高。另外,直流励磁在电极间产生不均衡的电化学干扰电势叠加在直流流量信号中,无法消除,并随着时间的变化、流体介质特性以及流动状态而变化。第三,直流放大器的零点漂移、噪声和稳定性问题难以获得很好解决,特别是在小流量测量时,信号放大器的直流稳定度必须在几分之一微伏之内,这样就限制了直流励磁技术的应用范围。目前直流励磁技术仅在原子能工业中用于电导率极高,而又不产生极化效应的液态金属流量测量中。

  

3.2 工频正弦波励磁技术

  

工频正弦波励磁技术是利用正弦波工频(50Hz)电源给电磁流量传感器励磁绕组供电,其主要特点是所产生的磁场为一正弦波交变磁场,如图7-3b)所示。这种励磁方式能够基本上消除电极表面的极化现象,降低电极电化学电势的影响和传感器内阻。另外,采用工频正弦波励融技术,其传感器输出的流量信号仍然是工频正弦波信号,易于放大处理,能避免直流放大器存在的实际困难。而且励磁电源简单方便。

  

  

在工频正弦波励磁方式中,交流磁场的磁感应强度

  

  

在电极上产生的感生电动势为

  

  

被测体积流量为

  

  

式中 Bm是交变磁感应强度的最大值;ω是励磁电流角频率,ω=2πf;f是励磁电源频率。

  

值得注意的是,工频正弦波励磁技术的采用会带来一系列电磁干扰和噪声。

  

首先是电磁感应产生正交干扰(又称90°干扰),一般认为正交干扰是由“变压器效应”造成的。在电磁流量传感器中,由于电极、引线、被测介质和电磁流量转换器的输入电路构成的闭合回路处在一交变的磁场中,所以,即使被测介质不流动,处于该交变磁场中的闭合回路也会产生感生电势e1和感生电流,显然,这是一干扰电势。根据电磁感应原理,该干扰电动势与磁场对时间的变化率的负值成正比。即

  

  

这就是正交干扰信号电势,它具有以下几个特点。

  

1)与流量无关,即使流体静止不动,这样的信号依然存在;

  

2)在相位上比流量信号滞后90°,故也称90°干扰;

  

3)励磁电流频率越高,正交干扰也越严重,实际应用中,正交干扰信号可以远大于流量信号。

  

所以如何克服正交干扰电势的影响是工频正弦波励磁技术的主要课题。

  

其次是同相干扰,是指同时出现在传感器两个电极上,频率和相位都和流量信号一致的干扰信号。一般认为是静电感应、绝缘电阻分压以及传感器管道上的杂散电流所引起。如图7-4所示,传感器的励磁线圈对电极A和B不仅存在着绝缘电阻Rm,同时还存在着分布电容Cf。设两电极之间的内阻为Rs,则励磁电压U通过绝缘电阻和分布电容与传感器内阻分压,在两电极上同时产生压降。

  

  

设励磁电压为U=Umsinwt,则在Cf上产生的容抗为Rc和Rm并联,如果Rm>>Rc,则得总阻抗R约为Rc。这样,R和内阻Rs/2对励磁电压U进行分压,在电极上将得到由分布电容Cf串进的干扰电压e2为

  

  

由于同相干扰信号的频率和相位与流量信号完全一致,叠加在流量信号中难以消除,以至电磁流量计零点不稳定。

  

第三是工频正弦波供电电源存在电源电压和频率的波动,由式(7-5)可知,电压和频率分别影响Bm和ω,从而造成对测量的影响。

  

实际应用中,虽然已采取相敏整流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、电源补偿、自动正交抑制系统等技术措施以消除与流量信号频率一致的工频干扰电压,但由于正交干扰信号电势往往有较大幅值,自动正交抑制系统等抗干扰措施不可能完全消除干扰信号,从而导致电磁流量计零点的不稳定,测量精度难以提高。这就是工频正弦波励磁方式对电磁流量计的限制,使得电磁流量计的性能很难进一步提高。

  

3.3 低频矩形波励磁技术

  

低频矩形波励磁技术是结合了直流励磁和交流励磁技术的优点,同时避免了它们缺点的一种励磁技术。20世纪70年代以来,随着集成电路技术和同步采样技术的发展和实用化,低频矩形波励磁技术应运而生,在电磁流量计中得到广泛使用。它的励磁磁场波形如图7-3c)和d)所示,其频率通常为工频的偶数分之一(一般为1/2- /132)。70年代前期以单极性低频矩形波励磁技术为主,后期以双极性低频矩形波励磁技术为主而开始其工业应用。

  

从图7-3中可以看到,在半个周期内,磁场是一恒稳的直流磁场,它具有直流励磁技术受电磁干扰影响小,不产生涡流效应、正交干扰和同相干扰小等特点;从整个时间过程看,矩形波信号又是一个交变信号,具有正弦波励磁技术基本不产生极化现象,便于放大和处理信号,避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的优点。所以低频矩形波励磁技术具有良好的抗干扰性能,在电磁流量计中已得到广泛应用。

  

  

在低频矩形波励磁中,由于励磁电流矩形波存在上升沿和下降沿,根据式(7-的,在上升沿和下降沿处,必然也存在正交干扰(微分干扰)。其沿越陡,微分干扰电势越大,但很快就会消失,形成一很窄的尖峰脉冲;上升沿和下降沿变化越缓慢,则微分于扰越小,但经历时间越长。

  

如何消除上升沿和下降沿处的微分干扰,是低频矩形波励磁技术要解决的主要问题之一。由于一般电磁流量传感器励磁绕组中电感和电阻的比值L/R往往较小。随着励磁电流进入稳态,微分干扰也很快能自动消失。所以,为了排除微分干扰对流量信号的影响,通常在励碰电流进入稳态的恒定阶段(即矩形波的平顶部分)后,再对流量信号电压进行同步采样,如图7-5所示。这样,微分干扰信号不能进入同步采样,因此也不影响流量信号输出。此外,同步采样脉冲相对工频来说是一宽脉冲,并选择为工频周期或工频周期的整数倍,如图7-5e所示,这样,即使流量信号中混有工频干扰信号,因其采样时间为完整的工频周期,其平均值为零,工频干扰电压不起作用。另一方面,由于励磁频率低,涡电流很小,静电耦合分布电容的影响小,所以,由于静电感应而产生的同相干扰也大大减小。综上所述,低频矩形波励磁方式有以下几个优点。

  

1)能避免正弦波交流磁场的正交干扰;

  

2)基本消除由分布电容引起的工频干扰;

  

3)能抑制交流磁场在管壁和流体内引起的涡电流;

  

4)能消除直流磁场的极化现象。

  

低频矩形波励磁技术的采用,解决了长期困扰电磁流量计的电磁干扰问题,大大提高了电磁流量计的零点稳定性和测量精度,缩小传感器的体积,降低励磁功率,使转换器和传感器一体化,提高电磁流量计的整体性能,拓宽了电磁流量计的工业应用领域。

  

3.4 励磁技术的新发展

  

1.三值低频矩形波励磁技术

  

三值低频矩形波励磁技术是人们在总结低频矩形波励磁技术的基础上,为了使仪表零点更稳定而提出的一种励磁技术,磁场波形如图7-3e所示。其最大的特点是实现在零态时动态校正零点,因而具有更优良的零点稳定性。

  

三值低频矩形波励磁方式的励磁电流一般采用工频的1/8频率,以+B,0,-B三值进行励磁,通过对正-零-负-零-正变化规律的三种状态进行采样和处理,如图7-6所示。其首要的特点是能在零态时动态校正零点,有效地消除了流量信号的零位噪声,从而大大提高了仪表零位的稳定性;其次,它与低频矩形波励磁技术一样,可以采用同步采样技术来消除上升沿和下降沿处的微分干扰;采用宽脉冲采样以消除混在流量信号中的工频干扰信号;第三,它可以通过一个周期内的四次采样值,近似认为极化电势恒定,利用微处理机的数值运算功能得以消除极化电势的影响。

  

  

所以,采用三值低频矩形波励磁技术的电磁流量计零点稳定,抗工频能力强,测量精度进一步提高,传感器单位流速的流量信号电压可降低到工频励磁方式时的1/4,从而可进一步降低励磁功耗,实现电磁流量计的小型轻量一体化,在电磁流量计中已得到广泛应用。

  

2.双频矩形波励磁技术

  

三值低频矩形波励磁方式具有优良的零点稳定性,但在测量泥浆、纸浆等含纤维和固体颗粒的流体介质和低电导率流体流量时,出现固体颗粒擦过电极表面而产生低频尖峰噪声和流体流动噪声,这样往往导致励磁频率较低的三值励磁电磁流量计输出摆动不稳。

  

三值低频矩形波励磁零点稳定,但无法抑制低频噪声;较高频率的矩形波磁场能消除低频噪声,但一般其零点稳定性欠佳。人们在分析各种励磁技术的基础上,提出了双频矩形波励磁技术,其磁场波形如图7-3f所示。高频部分是75Hz的矩形波,外包络线是1/8工频的低频矩形波。采用这种励磁方式,可用高频波采样来消除含纤维和固体颗粒流体介质的低频噪声,同时又保持了低频矩形波励磁零点稳定的优点,取得了很好的应用效果。

     
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