非(fei)滿管電磁流(liú)量計測量方(fang)法 發布時間(jian):2025-12-15
電磁流量計(jì) 由于具有衆(zhong)多的優點廣(guang)泛應用于工(gong)業各種場合(he),近年來已經(jing)🎯逐步向民用(yòng)領域擴展。傳(chuan)統的電磁流(liu)量計僅能⁉️用(yong)于滿管的流(liu)量測量,對于(yú)非滿管流體(tǐ)或者流體在(zai)滿🏃♀️管與非滿(man)管之間變化(hua)的流動時的(de)流量測量研(yán)究較少。非滿(man)管流體流動(dòng)時,由于管内(nei)的流體截面(mian)♈積是變化的(de)☂️,或者流體流(liú)動一直處于(yú)🤟非滿管狀态(tai)😍,非滿管流量(liang)的測🐪量需要(yào)測量流體平(píng)均流速和液(yè)位這兩個參(can)數。非滿管狀(zhuàng)态下,測量管(guan)内流體流速(su)分布不對稱(chēng),導緻權重函(han)數的分布和(hé)☔液位有關💯,同(tóng)時電極上的(de)感應信号是(shi)兩電極橫斷(duan)💚面内所有質(zhi)點電位的集(ji)合,即電勢一(yī)定要處于電(dian)極可測量範(fan)圍之内,所以(yǐ)⛱️進行非滿管(guan)的流量測量(liàng)🙇🏻電極必須浸(jìn)入流體内,否(fǒu)則電極得不(bú)到感應信号(hao)[17-19] 。 1 非滿管電磁(ci)流量計 的結(jié)構設計 1.1 非滿(mǎn)管電磁流量(liang)計的測量原(yuán)理 管道式電(dian)磁流量計 在(zai)工作的過程(chéng)中,可能會出(chū)現管道中流(liú)體未充滿或(huo)者在流體流(liú)動過程中,流(liu)體流動處于(yu)滿管向非滿(mǎn)管😍道的轉換(huan)狀态中。使管(guǎn)中流體流動(dong)有兩種流動(dong)狀态。對流體(ti)未充滿管道(dao)式 1,如圖 3-1 所示(shì),此時如果💛仍(réng)按傳統流量(liang)計的🈲測量原(yuán)理🌂,則: 實際值(zhi)=測量值-上部(bù)空氣部分 由(you)權重函數的(de)理論可知,感(gǎn)應信号電壓(ya)是兩電極橫(héng)斷面内所有(you)質點電位的(de)集合,不論流(liú)體在管道中(zhōng)橫截面如何(he)變化,流動流(liu)體的質點都(dou)會有感應電(diàn)勢,但是這些(xie)電勢一定要(yao)處于電極🐆的(de)集合範圍内(nèi),如果電極暴(bào)露在空氣中(zhong),電極得不到(dào)信号[19],流體♊未(wei)充滿管道式(shi) 2 就是這種情(qing)況。當流體未(wei)充滿管道時(shí),管中流體💛的(de)實際流量值(zhi)Q實👉=A實?`V,而管中(zhōng)流體的截面(mian)積爲: 式中 h 爲(wèi)液面高度, D 爲(wei)測量管内徑(jìng)。而不再是由(you)此可知,非滿(man)管電磁流量(liàng)計的流量測(cè)量必須同時(shi)💁測量平💃🏻均✂️流(liu)速和液位高(gao)度這兩個物(wù)理量。 1.2 非滿管(guǎn)電磁流量傳(chuan)感器流速測(cè)量機構 根據(jù)電磁流量計(ji)的基本原理(li),當流體充滿(mǎn)管道時👣,管中(zhong)流體💃的🈲平均(jun1)流速和兩電(diàn)極之間的感(gǎn)應電勢之間(jian)的關🌈系如☀️式(shì)(2-1)所示。當管中(zhōng)流體未充滿(man)時,如前面所(suǒ)述,測得的信(xin)号不準确或(huo)者根本得不(bú)到感應電勢(shì)信号。在傳統(tǒng)電✊磁流量計(ji)的基礎上,将(jiāng)流速檢🔞測電(dian)極在高度方(fāng)向上設計在(zài)距測量管底(dǐ)端 10%D處,其🚶中 D 爲(wèi)測量管直🔴徑(jìng)。這樣能保證(zheng)管中流體液(yè)位🌐高于 10%D 時,根(gen)據傳統電磁(cí)流量計基本(běn)原理,傳感器(qi)能準确測得(dé)流體的平均(jun)流💔速。其結構(gou)如圖 3-3 所🤞示。 此時,兩極間(jiān)的感應電動(dòng)勢 E 與兩電極(jí)間的距離 d 之(zhī)間的關系爲(wèi):
E =k Bd`V (3-2) 1.3 非滿管電磁(cí)流量傳感器(qi)液位測量機(ji)構 基于電容(róng)式傳感器的(de)基本原理,就(jiù)是将液位的(de)變化轉換成(chéng)電容值的變(biàn)化。在測量的(de)過程中測量(liàng)電🏃♀️壓、頻率、脈(mò)寬等容易測(cè)量的物理量(liang),從而實現電(dian)容值的測量(liàng)。結合電容式(shì)傳感器和電(dian)磁流量計的(de)基本原理,流(liú)體在管中流(liú)動的過程中(zhōng),利用流量計(ji)襯裏和管内(nei)流體作爲介(jiè)質,同時在流(liu)量計襯裏與(yǔ)管壁之間采(cai)用兩片圓弧(hu)形電極片,電(dian)極片與襯裏(lǐ)和管中流體(ti)形成一電容(róng)器,根據電容(rong)式傳感器的(de)基本原理,液(ye)體作爲一種(zhong)介質,是電容(róng)器的一個組(zǔ)成部分,液體(tǐ)液位的高低(di),直接影😄響電(diàn)容器的電容(rong)值,即電容器(qì)的電容量是(shi)液位高度的(de)單值🔅函數。其(qí)相應結構如(rú)圖 3-4 所示。 爲了(le)降低信号之(zhi)間的幹擾和(he)便于控制,非(fei)滿管電磁流(liú)量計采用流(liu)速機構和液(yè)位機構分體(ti),但是同時同(tong)🚶♀️步測量,再将(jiang)兩信号進行(hang)整合,得出流(liú)量信号。 2 非(fei)滿管電磁流(liú)量計原理 2.1 非(fei)滿管電磁流(liú)量計測量原(yuán)理 流體在管(guǎn)道内沿與磁(ci)感應線垂直(zhi)的方向流動(dong)時,根據法拉(lā)第電磁感應(yīng)定律,會産生(sheng)感應電動勢(shì),通過感應電(dian)動勢值即可(kě)得到流體的(de)平均流速。在(zài)兩電極片間(jiān)有激勵電壓(ya)的作用下,兩(liǎng)電極片、襯裏(li)和流體一起(qi)構成電容器(qi),根據電🏃🏻♂️容式(shì)傳感✉️器基本(ben)原理,此傳感(gan)器的等效電(diàn)路如圖 3-5 所示(shi),電🐉極片、襯裏(li)和流體一起(qi)構成了一變(bian)介電常🏃♂️數型(xing)電容器,兩極(jí)片間電容爲(wei)🛀上下兩部分(fèn)電容并聯而(ér)成,其中 C1和 C3、C2和(he) C4之間爲串聯(lián),其總電容🈲的(de)計算如式(3-3)。 如(ru)圖 3-6 所示,管中(zhong)液體将測量(liang)管分爲上下(xia)兩部分,其中(zhong)空氣🤞的介電(dian)常數爲0ε,流體(ti)的介電常數(shù)爲1ε,襯裏的✏️介(jiè)電常數爲2ε,根(gēn)據電容式傳(chuan)感器模拟計(ji)算方法可計(jì)算其電容值(zhí)[20],1C 和2C 由于極闆(pǎn)間㊙️間距沒有(yǒu)改變,而且兩(liang)極闆之🧑🏽🤝🧑🏻間是(shi)單一介質,其(qi)電容值可近(jìn)似作爲平行(hang)闆電容器來(lai)計算[21],如下所(suo)示: 式中, a 爲襯(chèn)裏内半徑, m ; h 爲(wèi)液位高度,?? m ; b 爲(wei)電極内徑,?? m ; l 爲(wèi)電極片軸向(xiang)長度, m ; 2.2 非滿管(guǎn)電磁流量計(jì)工作原理 非(fēi)滿管電磁流(liu)量計采用勵(li)磁激勵和電(diàn)壓激勵雙激(ji)勵機制,在🌐勵(lì)磁激勵的作(zuò)用下,通過勵(li)磁電路産🌏生(shēng)相應的磁感(gan)🐕應強度,從而(er)在電極上得(de)到與流速對(dui)應的電勢信(xìn)号,經過計算(suàn)得‼️到流體的(de)平均流速🤟值(zhi)。在激勵電極(jí)的作用下,向(xiàng)激勵電極通(tōng)入高頻電壓(yā),使兩圓弧形(xíng)電極片與💘其(qí)之間的介質(zhì)形成電容式(shì)傳感器,通過(guo)電容量的測(ce)量,經過控制(zhì)系統處理後(hou)得到與電容(róng)對應的液位(wei)高度信号。兩(liang)個過程互不(bú)幹涉,然後經(jing)過控♈制系統(tǒng)分析處理後(hou)得到管中🧡流(liu)體流量🔅值。整(zhěng)個系統框圖(tú)如圖 3-7 所示。 3 信(xin)号轉換電路(lù)的構成 傳統(tong)的電磁流量(liàng)計的信号轉(zhuan)換電路包含(han)勵磁電💯路和(he)信号處理電(diàn)路兩部分組(zǔ)成。非滿管電(diàn)磁流量計除(chú)🚩了這😄兩部分(fèn)以🏃🏻外還♌有激(ji)勵電壓電路(lu)。 3.1 勵磁電路參(cān)數确定 勵磁(ci)系統是電磁(ci)流量計的一(yi)個關鍵部分(fèn),其好壞直🤟接(jiē)影響到測量(liàng)結果的精确(que)程度高低。勵(lì)磁系統🔞的參(cān)🙇♀️數主要是勵(lì)磁💚方式和勵(li)磁頻率。常用(yong)的勵磁♌方式(shì)有以下幾種(zhǒng)[8]。 1.直流勵磁 直(zhí)流勵磁方式(shì)是用直流電(diàn)或永久磁鐵(tie)産生一個恒(héng)定的均勻磁(ci)場。直流勵磁(cí)可以忽略流(liu)體中的自感(gǎn)現象,同時受(shou)交流影響很(hen)小,但是由于(yu)管中流體🔞電(diàn)解質的電離(li),直流勵磁易(yì)産生極化現(xian)象。極化電壓(yā)和流量信号(hao)混雜在一起(qi),不容易區分(fen)。所以,一般在(zài)測量非電解(jie)質流體的情(qíng)況下才采用(yòng)這種方式。 2. 交(jiao)流勵磁 交流(liú)勵磁方式是(shì)上世紀 50 年代(dài)工業電磁流(liu)量計主要采(cǎi)用的勵☎️磁方(fang)式,它的磁場(chang)是由正弦交(jiao)變電流産生(shēng)🌈一個交變磁(cí)場: 交變磁場(chǎng)能消除極化(huà)幹擾,同時産(chǎn)生的交變信(xin)号,經✌️過放大(dà)和轉換要比(bǐ)直流信号容(rong)易。但是交變(bian)磁🍉場易🌈産生(sheng)正交(微分)幹(gàn)擾🥰: 和同相幹(gan)擾: 這些幹擾(rǎo)降低電磁流(liu)量計的信噪(zào)比,這些幹擾(rao)信号‼️與流量(liàng)信号e=emsinωt 混雜在(zai)一起,難以區(qu)分。 3.低頻矩形(xíng)波勵磁 上世(shì)紀70-80 年代出現(xiàn)了低頻矩形(xing)波勵磁,這種(zhong)勵磁方式兼(jian)有直流🔞勵磁(cí)和交流勵磁(cí)的優點,同時(shí)很好的避免(mian)了它們的缺(quē)點❌。如圖 3-10 所示(shi)。在半個周期(qī)内,磁場是直(zhi)流磁場,低頻(pin)矩形🐇波勵磁(ci)有直流勵磁(ci)的特點,但從(cong)整個過程來(lái)看磁場又是(shì)🏒處于周期性(xìng)變化的過程(cheng)中,低頻矩形(xíng)波又是一個(ge)交變信🛀号,便(biàn)于放大和處(chu)理。所以🧡低頻(pin)方波勵磁現(xiàn)階段應用非(fēi)常廣泛📞的勵(lì)磁方式。 綜合(hé)上面所述,非(fei)滿管電磁流(liú)量計選擇低(di)頻矩形波作(zuo)爲☁️勵⛷️磁🌈方式(shì)。 電磁流量計(ji)采用較高的(de)勵磁頻率可(kě)以有效降低(dī)信号源内👨❤️👨阻(zǔ),當頻率提高(gao)到100Hz 時,信号源(yuan)内阻約爲幾(jǐ)🍉百兆❌。繼續提(tí)高勵磁⭕頻率(lǜ),可以進一步(bù)降低信号源(yuán)内阻和流動(dong)噪聲。但是随(suí)着勵磁頻率(lü)♍的提高,由式(shì)(3-7)和式(3-8)可知,正(zheng)交幹擾和同(tóng)相幹👅擾會變(biàn)得更嚴重,電(diàn)極上的渦電(diàn)流也随之增(zeng)大。根據日本(ben)專家 Nakatani 的研究(jiū)成果,流動噪(zào)🌍聲🔴和微分幹(gan)擾強度随勵(li)磁頻率變化(hua)🈲規律如圖3-11所(suǒ)示,從中可以(yi)看出,使流動(dòng)噪聲和正交(jiao)幹🐪擾到達最(zui)小的最🔅佳勵(lì)磁頻率應該(gai)在 100-400Hz 範圍内 [22]。 3.2 信(xin)号處理電路(lu) 信号處理電(diàn)路的主要作(zuò)用是将傳感(gan)器得到是帶(dài)有很多幹擾(rǎo)而且信号非(fēi)常微弱的電(diàn)壓信号轉換(huàn)成AD 采樣器可(ke)以接受的直(zhí)流信号,從傳(chuan)感器得到的(de)信号如下式(shì)所😄示[23]: ec 是共模(mó)幹擾電壓、ed 是(shi)串模幹擾電(diàn)壓、ez 是直流極(ji)化電壓。其中(zhong)😄正♋交🙇♀️幹擾和(hé)同相幹擾是(shì)由于磁場的(de)突變引起的(de)主要幹擾源(yuán),共模和串模(mó)幹擾是由于(yu)電磁幹擾和(he)靜電幹擾産(chan)生的次要幹(gàn)擾源,可以通(tong)過靜電屏蔽(bì)和接地加以(yǐ)抑止,極化電(diàn)壓是直流極(ji)化現象産生(sheng)的,可通過提(ti)高勵磁頻率(lǜ)消除[24]。電磁流(liú)量計👉采用低(dī)頻矩🏃🏻♂️形波勵(lì)磁能很好消(xiao)除直流極化(huà)現象,在低頻(pín)矩形波的上(shang)升沿和下降(jiàng)沿,當勵磁電(diàn)流進入穩态(tài)的時候再進(jin)行信号采樣(yang),能消除♍部分(fèn)正交幹擾電(dian)壓⭕? [25] ,但是信号(hào)處理的時間(jian)較長。 由于傳(chuán)感器得到的(de)信号非常微(wei)弱并且帶有(yǒu)很多幹擾,所(suo)🛀🏻以信👌号處理(li)電路必須有(you)放大以及抑(yi)制噪🛀🏻聲和幹(gan)擾的功能,圖(tú) 3-15 表示信号處(chù)理電路的組(zǔ)成部🌏分。 電磁(ci)流量傳感器(qì)的内阻很大(dà),傳感器和轉(zhuan)換器的等效(xiào)電路如圖 3-13 所(suo)示, 圖中 e 是傳(chuán)感器産生的(de)流量電勢信(xin)号,r 是傳感器(qì)内阻,RL是轉換(huàn)器的輸入阻(zǔ)抗,eX是轉換器(qì)得到的流量(liang)電✨勢信号,根(gen)據歐姆定🈲律(lü)可🚩知: 從上式(shi)可以得知RL》r ,所(suǒ)以要使信号(hào)足夠精确,轉(zhuǎn)換器必👅須🐆有(you)💃🏻很高的輸入(rù)阻抗[2]。 從傳感(gǎn)器出來是非(fēi)常微弱且帶(dài)有幹擾的信(xin)号,信☎️号預🥵處(chù)理是✔️首先去(qù)除信号中的(de)高頻信号,然(ran)後再用放大(dà)器将信号放(fang)大,同時放大(da)器能很好地(dì)抑制共模幹(gan)🌈擾,經過前面(mian)的處理之後(hou),信号中還會(huì)有部💔分幹擾(rao)噪聲,無法直(zhi)接檢測得到(dào),濾波器的主(zhǔ)要作用是去(qù)除剩餘部分(fen)的幹擾和噪(zào)聲,得到模數(shu)轉換能直接(jie)識别的信号(hào),然後傳輸給(gěi)單片機控制(zhi)。 3.3 激勵電壓電(diàn)路 非滿管電(dian)磁流量計以(yi)電容式傳感(gǎn)器爲基本原(yuán)理,向激勵⁉️電(dian)🐆極通入高頻(pín)電壓以形成(cheng)電容式傳感(gǎn)器,激勵電壓(yā)電路框圖如(rú)圖 3-14 所示。 由于(yu)激勵電極安(ān)裝在測量管(guǎn)和襯裏之間(jiān),激勵電💋壓🌍電(dian)路在工⭐作的(de)過程中需要(yao)一定大小的(de)高頻電壓用(yòng)以擊穿襯裏(lǐ)材料,所以采(cǎi)用變壓器以(yǐ)得到不同大(da)小的擊穿電(dian)壓值,工控闆(pan)用來控制整(zheng)個激勵電路(lu)。 4小結 非滿管(guan)電磁流量計(ji)重點介紹了(le)一種新的非(fēi)滿管電磁流(liu)量計的結構(gòu),該結構是以(yi)電容式傳感(gǎn)器爲基本原(yuán)理,利用電容(róng)🛀🏻和液位的高(gao)度關系來進(jìn)行測量。同時(shí)㊙️分析了非滿(man)管電磁流量(liàng)計基本的工(gong)作原理、簡要(yào)介紹了流量(liàng)信号的處理(li)方法,爲後面(miàn)實驗方案及(jí)裝置的設計(jì)打下⭐了基礎(chǔ)。
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