1 引言
在化工及其它工程技术中,常用电磁流量计测量管道液体的流量。其中的交流磁场法电磁流量计会产生较大的变压器交流干扰电压;直流磁场法电磁流量计虽然能够消除上述变压器交流干扰电压,但却会产生较大的电化学直流干扰电压。这些交直流干扰电压使电磁流量计的测量精度难于提高。本文介绍了一种既能够有效地消除交流干扰电压又能有效地减小电化学直流干扰电压及其变化的影响的方法——方波磁场和内插法。作者用此方法研制出一种用微处理器8052AH-BASIC控制的智能化电磁流量计,其测量精度达到0.5%,测量显示范围0.01～5.00m/s(流速),测量头管径50mm.
2 电磁流量计的测量原理
电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律。通过外加磁场与管道中流动的导电液体的相互作用,在导电液体中产生感应电压,感应电压的大小与液体的流速成正比,即与液体的流量成正比(因测量头管径一定)。
图1为电磁流量计的测量原理示意图。如图所示,测量头(传感器)中的导电液体在内壁绝缘的管道中以流速v垂直于磁场(Bm)方向流动,在与磁场及液流方向垂直的管径两端的内壁上装有两个电极,并从两个电极引出两根外部绝缘的导线,以收集流动的导电液体中的感应电压U.
感应电压与流速或流量的关系式的推导可以从马克斯维尔方程及物质(本构)方程出发:
这个偏微分方程没有一般解。然而,对于所考虑的回路横截面,引入点电极边界条件,借助于格林函数可以进行一个变换,从而给出所考虑区域的特解——作为两个电极之间电位差的电极电压:
上式中的有价矢量W只依赖于测量头的几何学关系,对于一个给定的测量头,W是确定的。对于旋转对称的流动截面和无限长的均匀磁场,方程(3)可以简化为:
式中U——两电极收集的感应电压
K1——仪器常数
Bm——磁感应强度
D——测量头管道直径
v-——平均流速
从公式(4)和(6)可知,两电极之间的感应电压U与平均流速v-或流量Q成正比,而与被测导电液体介质的密度、粘度、浓度、温度、压力和导电率等特性无关。
当外加磁场为正弦交流磁场时,两电极收集到的感应电压为正弦交流电压,测量电压U为其有效值;当外加恒定直流磁场时,两电极收集到并测量出的感应电压亦为恒定直流电压。
3 方波磁场和内插法
当电磁流量计用正弦交流磁场来激励时,从两电极收集到的电压中会含有较大的变压器交流干扰电压;当电磁流量计用恒定直流磁场来激励时,从两极收集到的电压中会含有较大的电化学直流干扰电压。这些交直流干扰电压,会给电磁流量计带来较大的测量误差。作者在所研制的电磁流量计中,采用了开关直流磁场(即方波磁场)来激励,并用线性内插法进行信号处理,不但消除了交流磁场法产生的变压器交流干扰电压,而且把直流磁场法产生的电化学直流干扰电压及其变化的影响减小到了最小程度。
图2描述了所用方波磁场和线性内插法的信号时间过程及减小电化学直流干扰电压及其变化的影响的方法原理。
由于电磁流量计测量头(传感器)的磁场线圈的时间常数很大,一个方波磁场周期中所施加的磁场线圈电流达到额定值(即磁场达到额定磁感应强度)需要一定的时间。由此,必须用较低的磁场通断频率(作者采用即一个方波磁场周期为300ms)。实验和理论分析均表明,为了精确测量磁感应强度达到额定值后两电极收集到的与流速或流量成正比的有用感应电压Us,不但应当考虑电化学直流干扰电压Uce的影响,而且还必须考虑从接通磁场电流到磁感应强度达到额定值后的时间间隔内电化学直流干扰电压的变化的影响。
电化学直流干扰电压变化的时间常数一般为几秒到几分钟,它相当于一个方波磁场周期来说是很大的。由此,在一个方波磁场周期中,电化学直流干扰电压的变化可以高度近似为与时间成正比的线性变化。所以可以用线性内插法进行测量信号处理,把电化学直流干扰电压及其变化所引起的测量误差减小到最小程度。如图2b所示,在磁场断开时,测出只含电化学直流干扰电压Uec的第一个两电极电压值(A),然后接通磁场电流,在磁感应强度达到额定值后,测出第2个值——变化了的电化学直流干扰电压与有用电压Us的总和值(B)。当磁场电流重新断开后,测出继续变化了的电化学直流干扰电压作为第3个测量值(C)。每两次测量之间的时间间隔是相同的。对3个测量值按线性内插法运算,便可以得到与流速或流量成正比的两电极之间的有用电压:
用上述的方波磁场和线性内插法,也可以把从测量装置外部侵入的交流干扰和测量装置内部元件的漂移对测量误差的影响减小到最小,还可以明显地减小由于液体导电率不均匀和电极污染等因素对零点稳定性的影响。
在作者所研制的高精度电磁流量计中,还对多个测量周期得到的有用电压信号进行了去极值和求平均值处理,进一步减小了偶然误差对测量结果的影响。
参考文献
1 Bonfig K W, Hofmann F. Die TechNIk der magnetisch-induktivenDurchflussmessung, Teil 2, Magnetisch - induktiven Durch-flussmessung mit geschaltetem Gleichfeld. ATW - Blatt, 1975;1249(17): 113-116.
2 Kiene W. Der Magnetisch-induktive Durchflussmesser mit au-tomatischem Nullpunkt und geringerem Energieverbrauch, gwf-wasser/abwasser,1976; 117(7):308-312
本文作者：
李忠诚(北京工业大学应用物理系)
邦菲克KW(德国济根大学测量技术研究所)
