流體在管道內(nèi)的流動(dòng)工況**存在于能源、動(dòng)力、石油、冶金以及化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域。速度參數(shù)的測(cè)量作為工業(yè)應(yīng)用中一個(gè)重要的流動(dòng)參數(shù),對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化、流量的測(cè)量以及控制都具有重要的實(shí)際意義。電磁流量計(jì)作為一種基于法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電流體速度的感應(yīng)式儀表,其測(cè)量結(jié)果與被測(cè)流體的工作壓力、溫度、密度以及黏度等物理參數(shù)無(wú)關(guān),而且測(cè)量部分沒(méi)有活動(dòng)部件和阻礙流體流動(dòng)的擾動(dòng)件,具有工作可靠、精度高、壓力損失小以及反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了**的應(yīng)用。在單相流體參數(shù)檢測(cè)中,電磁流量計(jì)一般采用點(diǎn)狀電極形式,適用于管道流體速度分布呈軸對(duì)稱情況,否則會(huì)引起測(cè)量誤差。為降低流速分布對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,可采用弧狀電極形式的電磁流量計(jì)。為實(shí)現(xiàn)管道流體速度參數(shù)的檢測(cè),并降低流體速度分布對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,筆者設(shè)計(jì)了基于弧狀電極電磁流量計(jì)的流體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。
1.測(cè)量方程
圖1所示為用于管道流體速度參數(shù)測(cè)量的弧狀電極電磁流量計(jì)。流體沿絕緣管道軸線流動(dòng);非導(dǎo)磁材料制成的弧狀電極內(nèi)嵌于管道內(nèi)壁與流體接觸;產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈附于管道外壁。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知,當(dāng)導(dǎo)電流體沿管道內(nèi)部軸線流動(dòng)并做切割磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí),流體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。此時(shí)歐姆定律可表示為
式中,J為電流密度;為流體電導(dǎo)率;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;為流體運(yùn)動(dòng)速度;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。
由式(1)可知,被測(cè)流體的離子不僅受到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)νxB的作用,同時(shí)受到與流體接觸面上表面電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)E的作用因激磁電流角頻率很小,則位移電流可以忽略,只考慮傳導(dǎo)電流,此時(shí)電流密度散度等于0,即
設(shè)產(chǎn)生電場(chǎng)E的電勢(shì)為U,則根據(jù)電場(chǎng)與電位的關(guān)系有
聯(lián)立式(1)~式(3),可得電磁流量計(jì)測(cè)量方程的微分形式為
將式(4)轉(zhuǎn)換為測(cè)量方程積分形式,可得
式中,△U為弧狀電極之間感應(yīng)電壓;W為權(quán)重函數(shù)矢量,僅與管道和電極形狀有關(guān),當(dāng)管道和電極形狀固定時(shí),權(quán)重函數(shù)分布為定值;T為流體所在空間。由式(5)可以看出,通過(guò)測(cè)量弧狀電極之間的感應(yīng)電壓,可以得到流體的速度參數(shù)。
.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
弧狀電極電磁流量計(jì)流體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要包括感應(yīng)電壓檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊以及PⅪI模塊3個(gè)部分,如圖2所示。
2.1感應(yīng)電壓檢測(cè)模塊
電磁流量計(jì)感應(yīng)電壓檢測(cè)模塊主要由勵(lì)磁電路和弧狀電極傳感器組成,其中勵(lì)磁電路用來(lái)在流體測(cè)量區(qū)域產(chǎn)生盡量均勻的磁場(chǎng)分布,而內(nèi)嵌在管道內(nèi)壁與流體接觸的弧狀電極傳感器則負(fù)責(zé)拾取帶有流體速度參數(shù)的感應(yīng)電壓信號(hào)。為在流體測(cè)量區(qū)域產(chǎn)生盡可能均勻的磁場(chǎng),勵(lì)磁線圈采用馬鞍形線圈。在勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,鐵芯可以提供磁通路徑,從而改變磁場(chǎng)分布,并加強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度。同時(shí),為降低鐵芯渦流損耗以及增加磁路導(dǎo)磁系數(shù)鐵芯采用表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊加而成。在鐵芯上套上馬鞍形線圈即組成勵(lì)磁系統(tǒng)。直流勵(lì)磁使得弧狀電極拾取的感應(yīng)電壓中存在極化電壓信號(hào),而交流勵(lì)磁則會(huì)引起的正交干擾和同相干擾。因此,為克服直流勵(lì)磁和交流勵(lì)磁存在的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)采用在線圈中施加頻率∫=6.25Hz的低頻矩形波勵(lì)磁方式。勵(lì)磁電路主要包括AD620和AD711組成的壓控電流源電路和三極管9013和9012組成的互補(bǔ)對(duì)稱推挽型功率放大電路,如圖3所示,模擬電壓信號(hào)由PXI模塊的模擬信號(hào)輸出端給出。
2.2信號(hào)處理模塊
電極之間的感應(yīng)電壓是非常微弱的交變信號(hào),而且包含各種噪聲干擾信號(hào),因此為有效采集感應(yīng)電壓信號(hào),檢測(cè)信號(hào)必須進(jìn)行信號(hào)處理。信號(hào)處理模塊主要包括等電位屏蔽電路、前置放大電路、濾波電路、可編程放大電路以及釆樣保持電路幾個(gè)部分。為保證外部電磁場(chǎng)不對(duì)傳輸信號(hào)的信號(hào)線產(chǎn)生干擾,采用屏蔽電纜輸出電極上的微弱信號(hào)。然而在屏蔽電纜屏蔽層和信號(hào)線之間存在著分布電容和分布電阻,其中分布電容一般高于放大器輸入電容,分布電阻幾乎等于放大器輸人電阻,這給信號(hào)的檢測(cè)帶來(lái)很大的影響。采用等電位驅(qū)動(dòng)屏蔽電纜電路可以避免屏蔽電纜分布電容和分布電阻影響,如圖4所示
此時(shí),屏蔽電纜信號(hào)線電壓等于屏蔽層電壓,即屏蔽電纜分布電容和分布電阻上電流為0,不會(huì)影響屏蔽電纜信號(hào)線上的電極輸出信號(hào)。前置放大電路將電極之間的微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理。當(dāng)管道流體電導(dǎo)率在10~10°S/m變化時(shí),檢測(cè)信號(hào)內(nèi)阻范圍為十幾9到十幾Mg,因此為提高測(cè)量精度,前置放大電路的輸入阻抗必須遠(yuǎn)大于檢測(cè)信號(hào)輸出阻抗,即必須具有高輸人阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移和非線性度小等特點(diǎn)。按照微弱信號(hào)放大器設(shè)計(jì)原則,前置放大增益不宜設(shè)置得太高,否則不利于后級(jí)電路對(duì)噪聲干擾處理。采用低功耗高精度AD620實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的前置放大設(shè)計(jì),如圖5所示
通過(guò)調(diào)整電阻R1完成即可設(shè)置增益范圍為1-10000倍的調(diào)整。經(jīng)前置放大電路后,電極之間的電動(dòng)勢(shì)由差動(dòng)信號(hào)變?yōu)閱味诵盘?hào)。因測(cè)量電路存在噪聲干擾,前置放大電路輸出信號(hào)中存在直流偏置和基線漂移,同時(shí)還存在高頻尖峰噪聲,因此需采用濾波電路對(duì)雜散信號(hào)進(jìn)行抑制。設(shè)計(jì)采用具有低輸入失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、高開(kāi)環(huán)增益和高共模抑制比的OP07組成二階壓控電壓源型高通濾波(截止頻率0.034Hz)和低通濾波(截止頻率72Hz)級(jí)聯(lián)電路。濾波電路輸出信號(hào)幅度較小,因此需經(jīng)次級(jí)放大電路提高增益。設(shè)計(jì)采用可編程儀表放大器PGA202與PGA203組成的級(jí)聯(lián)放大電路,如圖6所示。
通過(guò)控制引腳D3、D2、D1、D0可實(shí)現(xiàn)信號(hào)1~8000放大倍數(shù)的調(diào)節(jié),TTL控制電平D3、D2、D1、D0由PXI模塊的數(shù)字邏輯輸出端給出采樣保持電路實(shí)際是一種模擬信號(hào)存儲(chǔ)器,其開(kāi)關(guān)通斷通過(guò)數(shù)字指令控制,從而完成輸人信號(hào)瞬時(shí)值的采樣及存儲(chǔ)。
圖7所示為集成芯片LF398組成的采樣保持電路,該電路具有采樣速度快、保持下降速度慢、抗干擾能力強(qiáng)和不易受溫度影響等特點(diǎn),其邏輯電
平輸入與TL相連。當(dāng)TIL為高電平時(shí),對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣;當(dāng)TTL為低電平時(shí),對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行保持。
2.3 PXI模塊
在弧狀電極電磁流量計(jì)流體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,信號(hào)的采集與控制采用PXI模塊實(shí)現(xiàn)。PXI是由N公司發(fā)布的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái),結(jié)合了PCI的電氣總線特性、 CompactPCI的模塊化和堅(jiān)固性及 Eurocard機(jī)械封裝特性,從而成為自動(dòng)化和測(cè)量系統(tǒng)的高性能低成本運(yùn)載平臺(tái)。PXI模塊通常包括機(jī)箱、系統(tǒng)控制器和外設(shè)等部分。設(shè)計(jì)中采用PXI1042Q作為主控機(jī)箱,PXI8106雙核嵌入式控制器作為系統(tǒng)控制器,高速多功能數(shù)據(jù)采集卡PX6251作為外設(shè)模塊。其中,PⅪI46251可以輸出2路16位模擬信號(hào),更新速度為28MS/s;具有24路數(shù)字TTL輸入/輸出控制;可進(jìn)行16路16位的模擬信號(hào)采集,單通道采集頻率為1.25MS/s。設(shè)計(jì)中采用圖形化語(yǔ)言LabVIEW8.5進(jìn)行PⅪI模塊的設(shè)計(jì),主要是輸出1路低頻方波電壓信號(hào)、1路數(shù)字脈沖信號(hào)、多路數(shù)字TTL電平信號(hào)并完成信號(hào)的采集和保存等。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
弧狀電極電磁流量計(jì)單相流測(cè)試實(shí)驗(yàn)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行。考慮到管道流體流速范圍較低,因此采用靜態(tài)質(zhì)量法(稱重法)以提高測(cè)量精度。由于稱重器的量程影響稱重時(shí)間的長(zhǎng)短,為保證稱重精度,實(shí)驗(yàn)
中使稱重器工作在滿量程的60%以上,并且*短稱量時(shí)間應(yīng)大于30s。單相流實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖8所示。
流體流經(jīng)穩(wěn)壓罐后在實(shí)驗(yàn)管道獲得穩(wěn)定流量,改變流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度可以調(diào)節(jié)流量大小。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)將換向器置于使流體流入旁通路方向,同時(shí)確定稱重容器起始質(zhì)量M。待流量穩(wěn)定后,啟動(dòng)換向器使流體流入稱重器并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器,達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí),換向器自動(dòng)轉(zhuǎn)換,流體再次換向到旁通路。設(shè)稱重器中收集到的流體質(zhì)量為M,計(jì)時(shí)器顯示的測(cè)量時(shí)間為t,則稱量容器中實(shí)際的流體質(zhì)量:
式中,a為空氣浮力修正系數(shù)。將質(zhì)量M,換算為體積:
式中,pn為水的密度。水相真實(shí)速度計(jì)算公式為
式中,A為管道截面積。
當(dāng)管道中水相流速在02~2m/s變化時(shí),采用弧狀電極電磁流量計(jì)流體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的感應(yīng)電壓與水相速度之間的關(guān)系如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:感應(yīng)電壓△U與水相速度之間存在很好的線性關(guān)系,在流體測(cè)試中可以通過(guò)測(cè)量電磁流量計(jì)弧狀電極之間的電壓實(shí)現(xiàn)流體流速的測(cè)量。
4.結(jié)束語(yǔ)
為研究管道中流體速度參數(shù),設(shè)計(jì)了弧狀電極電磁流量計(jì)流體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括感應(yīng)電壓檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊以及PXI模塊3個(gè)部分。其中,感應(yīng)電壓檢測(cè)模塊提供了勵(lì)磁磁場(chǎng),當(dāng)流體在管道流過(guò)時(shí)在弧狀電極上得到感應(yīng)電壓;信號(hào)處理模塊包含了感應(yīng)電壓信號(hào)的等電位屏蔽放大濾波以及采樣保持等處理;PX模塊輸出1路低頻方波電壓信號(hào)、一路數(shù)字脈沖信號(hào)、多路數(shù)字TTL電平信號(hào)并完成信號(hào)的采集和保存。通過(guò)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行的單相流測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明,弧狀電極電磁流量計(jì)的感應(yīng)電壓與流體速度之間存在很好的線性關(guān)系,從而可以通過(guò)測(cè)量電極之間的感應(yīng)電壓對(duì)流體速度進(jìn)行計(jì)算。
上一條：
管道式電磁流量計(jì)在供水行業(yè)中的應(yīng)用
下一條：
電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)
