【正文】 斯 Williams . 等對電磁流量計的工作原理進行了數(shù)學解析，分析了被測液體的流速在測量管橫斷面上各個點分布的不均勻性，以及液體的電導率對感應電勢的影響，同時也揭示了在電磁流量計中可能產(chǎn)生干擾的一些原因。 1941 年 Thuelemann 和 1954 年Shercliff 研究了電磁流量計的性能，建立了均勻磁場和點電極理論的標準模型[21]，發(fā)現(xiàn)只要流速分布為徑向?qū)ΨQ，那么測量電壓與管道中的流速分布就無關。1972年開發(fā)出第一臺采用方波磁場的電磁流量計。國內(nèi)首臺由上海光華儀表廠于 1960年向社會提供產(chǎn)品， 1994年產(chǎn)量估計在 8500到 10000臺之間。 直流勵磁技術 電磁流量計最初采用的是直流勵磁技術，它是利用永磁體或者直流電源給電磁流量傳感器勵磁繞組供電，以形成恒定的直流磁場。 2． 直流勵磁在電磁間產(chǎn)生不均衡的電化學干擾電勢疊加在直流流量信號中，無法消除，并隨著時間的變化、流體體質(zhì)特性以及流動狀態(tài)而變化。 2． 流量信號仍然是工頻正弦波信號，易于放大處理，能避免直流放大所東北大學碩士學位論文 第 1 章 引言 178。 干擾），一般認為正交干擾是由“變壓器效 應”造成的。 ，故也稱 90。一般認為是靜電感應、絕緣電阻分壓以及傳感器管道上的雜散電流所引起。這就是工頻正弦波勵磁方式對電磁流量計的限制，使得電磁流量計的性能很難進一步提高。 20世紀 70年代以來，隨著集 成電路技術和同步采樣技術的發(fā)展和實用化，低頻矩形波勵磁技術應運而生，在電磁流量計中得到廣泛使用。所以低頻矩波勵磁技術具有良好的抗干擾性能，在電磁流量計中已得到廣泛應用。由于一般 電磁流量傳感器勵磁繞組中電感和電阻的比值 L/R 往往較小。此外，同步采樣脈沖相對工頻來說是一寬脈沖，并選擇為工頻周期或工頻周期的整數(shù)倍，這樣，即使流量信號中混有工頻干擾信號，因其采樣時間為完整的工頻周期，其平均值為零，工頻干擾電壓不起作用。 2． 基本消除由分布電容引起的工頻干擾； 3． 能抑制交流磁場在管壁和流體內(nèi)引起的渦電流； 4． 能消除直流磁場的極化現(xiàn)象。 其首要的特點是能在過零時動態(tài)校正零點，有效地消除了流量信號的零位噪聲，從而大大提高了儀表零位的穩(wěn)定性； 其次它與低頻矩形波勵磁技術相 同，可以采用同步采樣技術消除混在流量信號中的工頻干擾信號； 第三，它可以通過一個周期內(nèi)的四次采樣值，近似認為極化電勢恒定，利用微處理器的數(shù)值運算功能得以消除極化電勢的影響。 而產(chǎn)生低頻尖峰噪聲和流體流動噪聲，這樣往往導致勵磁頻率較低的三值勵磁電磁流量計輸出擺動不穩(wěn)。采用這種勵磁方式，可用高頻波采樣來消除含纖維和固體顆粒流體介質(zhì)的低頻噪聲，同時又保持了低頻矩形波勵磁零點穩(wěn)定的優(yōu)點，取得了很好的應用效果。 3%～ 5%降低到177。 日立制作所于 1992年首先提供可測量電導率不小于 10－ 8s/cm 的電容電極信 號檢出的電磁流量計。 液。傳統(tǒng)分體型電磁流量計中流量傳感器和轉(zhuǎn)換器 間，分別有兩根勵磁電流線和流量信號線分開傳送，稱作四線制。近 78 年世界著名電磁流量計制造廠（如 Baily Fischer amp。 Krohne公司 2022生產(chǎn)出第一臺二線制電磁流量計，適應于各種應用，最優(yōu)化智能供電，極佳 的信噪比。二維電磁流速記又稱向量流速計，使電磁流量儀表族可以進入水文試驗應用領域。 東北大學碩士學位論文 第 1 章 引言 178。并與模擬信號處理器、微處理器相結合，實現(xiàn)了抑制交流勵磁傳感器在復雜電磁環(huán)境下的正交干擾。硬件系統(tǒng)的運行取得了預期的效果，通過在實驗裝置上的比對實驗，證明其對于含固體顆粒流體的測量具有良好的應用效果，相對誤差小于 2%，同時還具備較快的系統(tǒng)響應速度，部分性能指標優(yōu)于目前市場上的同類產(chǎn)品。在電磁流量計實際應用中，導體就是導電液體，當導電液體流過電磁流量計時 ,導體中會產(chǎn)生感應電動勢 ,其感應電動勢與導電液體的流速、磁感應強度、導體寬度 (流量計內(nèi)徑 ) 成正比 [22]。根據(jù)該假設有： ? ?BVEj ???? （ 21 ） 式中， j 為電流密度； ? 為電導率， E 為電場強度； B 為磁場強度； V 為流體東北大學碩士學位論文 第 2 章 電磁流量計 信號轉(zhuǎn)換器 整體設計 178。 流體中的位移電流可以忽略。反之，對于 ?≈ 0 的油類， ω 較高，所以位移電流占主要地位。 13 178。 管路的坐標是：在半徑為 a的圓管截面上象 圖 xy 坐標軸。電極面積小到可以忽略。 ?????? ?? ddvBWaddvBWaaUaUUUezvDzxDBA???? ???????22),0(),0( （ 214 ） 式中： ???????????????????2222224222222242222)()(22)()(2)(??????????????aaaWaaaaW （ 215 ） ∫∫ Ddξ dη 為在區(qū)域 D的積分，是在管路截面積上的面積分。 因為 ξ =rcosθ ,η =rsinθ 故 ????????????????? ??422200)(2c o s)(212c o s)(1),()()0,(2arararrWdrrdrvBrWae a??????? （ 216 ） 令 （ r/a） 2=R，利用 1+2Rcos2θ +R2=(1+ R2iθ )(1+ Re2iθ )的關系對 Wη 展開成分數(shù)，再展開成無窮級數(shù)。 東北大學碩士學位論文 第 2 章 電磁流量計 信號轉(zhuǎn)換器 整體設計 178。也有的電磁流量計將轉(zhuǎn)換器和傳感器裝在一起，組成一體型電磁流量計，可就地顯示和遠傳顯示和控制。 測量管組件測量管位于傳感器中心，兩端帶有連接法蘭或其它形式的聯(lián)結裝置，被測流體通過測量管。 襯里材料應根據(jù)被測介質(zhì)，選擇有耐腐蝕，耐磨損，耐高溫等性能的材料，如聚四氟乙烯、耐酸橡膠等。 電磁流量計不能用于電導率更低的液體是因為傳感器與變送器阻抗的匹配問題。 對于電磁流量計來說，變送器產(chǎn)生的感應電動勢只有幾 mV，能否進行準確的測量，還要取決于轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，通常要求轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗應遠遠大于變送器內(nèi)阻，才可以保證儀表的測量精度。故 使用時還取決于傳感器和轉(zhuǎn)換器間流量信號線長度及其分布電容。石油制品和有機溶劑電導率過低就不能使用。 2. 被測介質(zhì) 粘度影響 通常認為電磁流量計流量測量值不受液體粘度影響。這樣介質(zhì)的電導率就會隨介質(zhì)溫度的變化而變化。被測介質(zhì)電導率愈低，變送器的內(nèi)阻就越大。而為了保證測量精度，在這種情況下，就要求電磁流量轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗必須大于變送器內(nèi)阻許多倍，才能保證在介質(zhì)電導率在一定 范圍內(nèi)變動時，對測量精度不至于造成很大的影響。且只要流速分布相對測量管中心軸為對稱時，則在電極上產(chǎn)生的感應電動勢大小與各點的流速分布狀態(tài) (層流或者紊流狀態(tài) )無關，而只與被測液體的平均流速成正比，見式 （ 223） 。這樣就會出現(xiàn)所謂的磁場邊緣效應，即磁場軸向長度對感應電動勢幅值的影響和激磁線圈兩端的磁感應強度不均勻測量的影響。刮刀式電極可在傳感器外定期手動刮出沉垢。 21 178。通常，在液體的平均流速為 1m/s時，變送器產(chǎn)生的流量信號為 1mV左右，作大流量也只有幾 mV，而干擾信號的幅值嚴重時，能達到即使 mV，在這種情況下電磁流量計如果不具備相應的抑制干擾能力 [16]，就無法精確的完成測量，因此，怎樣抑制和排除這些干擾信號，提高信噪比就成了研制和使用電磁流量計的一個重要的技術關鍵，通過多年的實踐和科學實驗證明 [22]，盡管這些干擾信號的 成分復雜，產(chǎn)生的原因和來源也很多，但是干擾信號基本上可以歸納為兩大類：一類是 90176。 的干擾信號，其幅值與被測介質(zhì)的流量大小無關，而只與磁場的變化速度有關。干擾 在電磁流量變送器中，由于兩電極的引線處于交變磁場中，如圖 31 所示，從電極 A→ 引出線 → 輸入電路（ rsr） → 另一引出線 → 電極 B→ 被測介質(zhì) → 電極 A,形成一個閉合回 路。 22 178。干擾 el與流量信號 e 的相位相差 90176。同時由（ 225 ）式可以看到， el與電源的頻率有關，而與流量大小和變送器的口徑無關。 2． 渦電流造成的 90176。由于測量管處于交變磁場中，因此，管壁的金屬材料中也會感應產(chǎn)生渦電流。 干擾。 干擾 el也越強；降 低勵磁電流的頻率，可以減少這種 90176。由于閉合回路與磁通交鏈的方向不同， 90176。 干擾電動勢，可用楞次定律表示如下： )2s i n(c os tBtBdtdBe mml ????? ??????? （ 225 ） 式中負號表示楞次定律感應電動勢的方向與磁場變化的方向相反，即抵制dB/dt變化的方向而加。這個次級繞組不可能與變送器的磁場產(chǎn)生的磁力線完全平行，總會有一部分交變的磁力線穿過這個閉合回路所組成的平面，這就形成了“變壓器效應”。 干擾信號主要來源以下兩種。 1. EMF 信號轉(zhuǎn)換器正交干擾分析 90176。 采用非接觸型電磁流量計附著非導電膜層，儀表仍能工作，但若為高導電層則同樣不能工作。也有暫時斷開測量電路，在電極簡短時間內(nèi)流過低壓大電流，焚燒清除附著油脂類附著層。也就是說，為了減小磁場邊緣效應的影響，激磁線圈的長度應為測量管內(nèi)徑的 — 倍?？墒牵@種假定條件對所有實際的流量計都是難于做得到的，因而也是不現(xiàn)實的。 2. 被測介質(zhì)的流動狀態(tài) 由流體力學可知，液體在管道內(nèi)流動時，在管道橫截面上各點的流速是不等的。 20 178。按照這種關系，如果介質(zhì)溫度上升 200C時，電導率就要提高一倍左右。根據(jù)荷蘭應用科學研究組織 (TNO)和 DSM Research 對 8 家制造廠 20臺 EMF歷時 、粘度、溫度和環(huán)境溫度影響的試驗，與常溫水粘度流量相比較，平均變化在 %— %之間。因為制造廠儀表規(guī) 范規(guī)定的下限值是在各種使用條件較好狀態(tài)下測量的最低值。10 8s/cm的液體。假 設電極直徑為 1cm，那么根據(jù)上式可得被測介質(zhì)最低電導率為 (～ 1)179。 19 178。電導率低于閾值會產(chǎn)生測量誤差直至不能使用，超過閾值即使變化也可以測量，示值誤差變化不大，通用型 EMF的閾值在 （ 104～ 5179。 18 178。為了使傳感器穩(wěn)定可靠地工作，準確地感受流量信號，傳感器應滿足如下要求。 并可得通過管道的體積流量： Bedvdqv ??? 44 2 ?? （ 222 ） 公式 （ 221 ）是對直流磁場的描述，對于交流磁場而言，如果 tBB m ?sin?? ，可得： dvtBavtBe mm ?????? ?? s i ns i n2 （ 223 ） 電磁流量計整體設計 一般電磁流量計的構成 實際的 EMF 由流量傳感器和信號轉(zhuǎn)換器兩大部分組成。 16 178。 Wξ 、 Wη 是加權函數(shù)，它表示對電極電動勢的貢獻大小。故可歸結為二維問題 xvByvBU zyzx ??????? 2 （ 212 ） 討論的問題為線性問題，電位可以重合，所以若將式 （ 212 ）的格林函數(shù)取為 G(x， y， ξ ， η )，則電位 U為： ? ? ?????? ddvBvByxGU zyzxD ?????? ?????? ?? , （ 213 ） 按照邊界條件，在管壁 r=a時， ?U/?r=0 或流速 =vz=0時， 式中， r=(x2+y2)1/2 若取電極 A、 B的電位差為 e，則對式 （ 213 )部分積分得 東北大學碩士學位論文 第 2 章 電磁流量計 信號轉(zhuǎn)換器 整體設計 178。 14 178。在適當?shù)倪吔鐥l件下，根據(jù)給定的 V 和 B 間的空間分布，就可求得流速矢量 V 和電位 U 的相對應關系。 式 （ 22 ）右邊的 ?B/?t，如果是交流磁場，可用相位差來判別，如果是恒定磁場，則可忽略。 1，位移電流可以忽略。 速度（以上均為矢量）。 圖 基本原理 Fig. Basic principle 在推導表述電磁流量計的原理和特征的基本方程式時，先作以下幾個 基本假設： 1. 均流體的磁導率 μ 均勻，且同真空中是一樣的。 11 178。 4． 采用傳統(tǒng)差動運算放大器和可編程放大結合方法實現(xiàn)毫伏級信號的轉(zhuǎn)換以及同相干擾的克服，擴大了對流體電阻率的限制。 本文主要研究內(nèi)容 1． 對電磁流量計領域的國內(nèi)外發(fā)展狀況進