引　言

隨著流量測(cè)量方法與技術(shù)研究工作的不斷發(fā)展與進(jìn)步，預(yù)計(jì)未來５年中電磁流量計(jì)的使用規(guī)模將再增加３０％［１］。由于儀表使用范圍廣，傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)一直以來就是研究的熱點(diǎn)問題之一。學(xué)者們針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的電磁流量計(jì)給出了研究成果，并推動(dòng)了電磁流量計(jì)的技術(shù)發(fā)展。Ｋｏｌｌáｒ?。痰龋郏玻菅芯苛艘环N利用多電極磁流量計(jì)邊界周圍的電勢(shì)分布進(jìn)行速度重建析方法。Ｓｈｉ　Ｙ．和ＷａｎｇＭ．［３－４］提出了一種基隨著流量測(cè)量方法與技術(shù)研究工作的不斷發(fā)展與進(jìn)步，預(yù)計(jì)未來５年中電磁流量計(jì)的使用規(guī)模將再增加３０％［１］。由于儀表使用范圍廣，傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)一直以來就是研究的熱點(diǎn)問題之一。學(xué)者們針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的電磁流量計(jì)給出了研究成果，并推動(dòng)了電磁流量計(jì)的技術(shù)發(fā)展。Ｋｏｌｌáｒ?。痰龋郏玻菅芯苛艘环N利用多電極磁流量計(jì)邊界周圍的電勢(shì)分布進(jìn)行速度重建析方法。ＳｈｉＹ．和Ｗａｎｇ?。停郏常矗萏岢隽艘环N基于感應(yīng)技術(shù)的圓弧形電極測(cè)量?jī)上嗔髦械母袘?yīng)電勢(shì)和導(dǎo)電相的速度。Ｌｅｅｕｎｇｃｕｌｓａｔｉｅｎ和Ｌｕｃａｓ［５－６］設(shè)計(jì)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(jì)。Ｈｅ?。獭。眩郏罚福萏岢鲆环N用于非滿管測(cè)量的電磁流量計(jì)傳感器，其中由并聯(lián)多電極構(gòu)成的平行陣列作為測(cè)流量計(jì)傳感器。Ｒｅｉｓ　Ｅ．等人［９－１０］比較了不同幾何結(jié)構(gòu)的電極特征，總結(jié)出雙環(huán)型電極是用于測(cè)量?jī)上嗫諝猓黧w積濃度的***佳結(jié)構(gòu)。Ｗａｔｒａｌ　Ｚ．［１１－１２］等人設(shè)計(jì)了一種適用于矩形截面管道的電磁流量計(jì)，用以測(cè)量明渠中攜帶污染物和軸向速度不對(duì)稱的液體。對(duì)導(dǎo)體管壁電磁流量計(jì)的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少［１３－１５］，而這類傳感器在核工業(yè)等場(chǎng)合有非常重要的應(yīng)用。

 

１　理論背景

電磁流量計(jì)的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律。導(dǎo)電流體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流體流速成正比。通過測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)來實(shí)現(xiàn)利用電磁流量計(jì)對(duì)流體流速的測(cè)量。目前電磁流量計(jì)的測(cè)量管襯里為絕緣材料，將流體與測(cè)量管隔開，且兩個(gè)測(cè)量電極在測(cè)量管周向軸對(duì)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(jì)使用范圍（工作溫度低于５００℃）；電磁流量計(jì)在流量測(cè)量過程中，絕緣襯里很容易與測(cè)量管道內(nèi)壁脫離、剝落、拉破等，從而導(dǎo)致對(duì)流量信號(hào)造成干擾，影響測(cè)量精度。去掉無絕緣襯里，采用導(dǎo)體材料作為測(cè)量管的電磁流量計(jì)可以解決因傳統(tǒng)內(nèi)襯給測(cè)量帶來的問題。但是由于測(cè)量管道為非絕緣材料，而導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)下降。針對(duì)以上問題，研究了一種測(cè)量單元來動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)由于無絕緣襯里帶來的測(cè)量信號(hào)衰弱，同時(shí)給予微弱真實(shí)信號(hào)補(bǔ)償，來保證流量計(jì)測(cè)量的精度。

 

當(dāng)傳感器為傳統(tǒng)電磁流量傳感器時(shí)，即其電極為點(diǎn)電極，管道為絕緣圓形直管，流體為滿管對(duì)稱流，流量計(jì)電極兩端輸出的電壓Ｕ為：

 

對(duì)于導(dǎo)體管壁電磁流量計(jì)，導(dǎo)電流體以一定速度流過測(cè)量管道，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)不會(huì)完全由電極輸出。這是由于去掉絕緣襯里的導(dǎo)電管壁對(duì)流體感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生短路效應(yīng)。

 

導(dǎo)體管壁電磁流量計(jì)電極輸電壓為：

 

可知，導(dǎo)體管壁流量計(jì)的電極間輸出信號(hào)是有衰減的，衰減率為ｋ。為了提高導(dǎo)體管壁流量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，考慮通過系數(shù)ｋ對(duì)測(cè)量電極間輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。

 

２　信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電極結(jié)構(gòu)如圖１所示。ＣＥ為感應(yīng)電流電極，ＦＥ為反饋電極，ＧＥ為接地電極，ＳＥ為信號(hào)電極，ＰＥ為電壓電極。

如圖２所示，導(dǎo)體管壁電磁流量計(jì)輸出信號(hào)由伺服放大模塊對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控并補(bǔ)償，即伺服放大模塊將傳感器輸出信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較并放大，當(dāng)輸出信號(hào)與反饋信號(hào)平衡時(shí)，伺服放大模塊停止工作。信號(hào)經(jīng)由采樣保持模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。信號(hào)再由差分放大器及信號(hào)輸出放大器進(jìn)行放大，使得對(duì)傳感器輸出微弱信號(hào)進(jìn)行更的放大。

３　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室中，利用所設(shè)計(jì)的補(bǔ)充信號(hào)系統(tǒng)，對(duì)導(dǎo)體電磁流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用恒幅電流和低頻矩形波（５０／１６Ｈｚ）產(chǎn)生勵(lì)磁。要保證放大器級(jí)的輸入阻抗必須足夠高，否則會(huì)產(chǎn)生誤差，補(bǔ)償效果不理想。被測(cè)導(dǎo)電液體的電導(dǎo)率為５～１０μＳ／ｃｍ，實(shí)驗(yàn)中采用的水電導(dǎo)率為１６３μＳ／ｃｍ。測(cè)量管道外徑為３０ｍｍ，內(nèi)徑為２７ｍｍ。電極之間的阻抗約為在５００～１?。埃埃埃?Omega;。

 

平均流量和流量計(jì)輸出電壓的關(guān)系如圖３所示。實(shí)驗(yàn)室溫度是１８℃，磁場(chǎng)強(qiáng)度為８１ｅ－４?。?。通過圖３實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，沒有應(yīng)用補(bǔ)充信號(hào)系統(tǒng)的輸出信號(hào)與理論值比降低約６０％。而應(yīng)用了信號(hào)補(bǔ)充系統(tǒng)的輸出信號(hào)與理論值基本一致。

通過水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)基于導(dǎo)體管壁的電磁流量計(jì)信號(hào)補(bǔ)充系統(tǒng)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室水循環(huán)系統(tǒng)示意圖如圖４所示。

導(dǎo)體管壁電磁流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)同時(shí)工作測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，測(cè)量管道外徑為３０ｍｍ，內(nèi)徑為２７ｍｍ，與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比值如表１所示。

表１可知，測(cè)量的１５組數(shù)據(jù)中，測(cè)量的重復(fù)率高于９５％，誤差低于１５％，且系統(tǒng)擬合度０．９５。通過兩方面的實(shí)驗(yàn)證明了理論分析的正確性，同時(shí)也證明了信號(hào)補(bǔ)充系統(tǒng)大大提升了導(dǎo)體管壁電磁流量計(jì)測(cè)量可靠性及精度。

電磁流量計(jì)：基于法拉第電磁感應(yīng)定律來測(cè)量流量

              U=B*L*v

              U-感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)       B-磁場(chǎng)強(qiáng)度     L-導(dǎo)體長(zhǎng)度      v-導(dǎo)體速度

      銅線繞成的線圈產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)B.。受控電流保證在整個(gè)測(cè)量過程中磁場(chǎng)強(qiáng)度保持恒定。導(dǎo)體的長(zhǎng)度L（在測(cè)量管內(nèi)徑的兩個(gè)測(cè)量電極的距離 ) 是一個(gè)常數(shù)。方程中的變量是流體的流速v。儀表能夠直接測(cè)得電極間的感應(yīng)電壓， 感應(yīng)電壓線性的正比于流體分流速U~v。進(jìn)而求出流速，電磁流量計(jì)測(cè)量的不是體積而是流速.  

 流速轉(zhuǎn)化為體積流量：

              Q=v*A

              Q-體積流量      v-液體流速      A-流量計(jì)截面積

由此計(jì)算出管道內(nèi)液體的體積流量。

 

４　結(jié)　論

針對(duì)一類導(dǎo)體管壁電磁流量計(jì)在測(cè)量時(shí)信號(hào)大幅衰減的問題，為了更加地對(duì)導(dǎo)電流體進(jìn)行測(cè)量，在理論分析輸出信號(hào)衰減率的基礎(chǔ)上，提出了一種信號(hào)補(bǔ)充系統(tǒng)來對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)充處理。通過實(shí)驗(yàn)證明，該方法有效提高了導(dǎo)體管壁電磁流量計(jì)測(cè)量精度，具有可行性。