摘要：電磁流量計(jì)測(cè)量管壁為絕緣材料或者內(nèi)壁附有絕緣層，但該結(jié)構(gòu)限制了電磁流量計(jì)應(yīng)用范圍，同時(shí)絕緣層破損造成了測(cè)量誤差。因此有一類電磁流量計(jì)去掉了絕緣層，但這種設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)輸出信號(hào)下降而影響測(cè)量。針對(duì)導(dǎo)體管壁電磁流量計(jì)輸出信號(hào)減弱的特點(diǎn)，提出了信號(hào)補(bǔ)償法，利用此方法對(duì)輸出信號(hào)衰減程度進(jìn)行判斷，再此基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償。
0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(lái)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(lái)就是研究的熱點(diǎn)問(wèn)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。KOLLáRL等［2］研究了一種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(lái)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(lái)就是研究的熱點(diǎn)問(wèn)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。KOLLáRL等［2］研究了一種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WanGM．［3－４］提出了一種基于感應(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)。HELQ．［7－8］提出一種用于非滿管測(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。REiSE．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積濃度的最佳結(jié)構(gòu)。WatRaLZ．［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(guò)測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)來(lái)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(kāi)，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(guò)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(wú)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(lái)的問(wèn)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(wèn)題，研究了一種測(cè)量單元來(lái)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)由于無(wú)絕緣襯里帶來(lái)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(lái)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：
U=2R1B`n????????? (1)
式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；Ri為管道內(nèi)半徑；`n為導(dǎo)電流體平均流速。
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(guò)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：
式中：Rｏ為管道外半徑；σW為管道電導(dǎo)率；σｆ為導(dǎo)電流體電導(dǎo)率；τ為流體與管道的接觸電阻。對(duì)比式（1）與（2）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(guò)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)行更精確的放大。
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。要保證放大器第一級(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500～1000KΩ。
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