基于电磁感应原理的多电极流量测量方法

　　1　引言

　　流量是过程控制中最常见的控制参数之一,流体的流量变化作为干扰量直接影响控制对象的输出。流量更多地作为调节参数在控制系统中发挥作用;同时它也是成本核算、质量考核的一个重要指标。因此,准确地检测流量是保证控制系统控制质量、提高生产效益的关键。大量的应用实践证明,对于导电流体,电磁流量计是一种比较理想的流量测量仪表。和其它流量测量仪表相比,电磁流量计具有一些明显的优点:例如,它无可动部件,电极与管道几乎平齐,对流体的流动几乎没有干扰,也不会产生明显的压力损失;其次是它的长期稳定性好,测量结果与被测流体的工作力、温度、粘度等物理参数无关。目前,电磁流量计的应用领域越来越广[1]。

　　传统的两电极电磁流量计是一种典型的速度式流量仪表,当流体在管内的流速分布为轴对称时,在一定的流速范围内两电极间获得的感应电势与流体的平均流速成正比。但是,当流速分布不能保证轴对称时,由此引起的测量误差将难以估计。此外,即使流体是轴对称的,在流速较低(一般在0·25 m/s以下)时上述比例关系也会发生变化。为了确保流速分布的轴对称,要求流量计在安装时应留出足够长的直管段,这就给实际使用带来不少难度。当管径大于600 mm时,直管段长度的问题显得更加突出。

　　一般认为,要解决上述问题,采用多电极可能是一个比较好的方法。基于这个思想,O’sullivan[2]在1983年首先提出了医用的6电极血液电磁流量计,通过理论分析和实验验证相结合的方法,证明了在非对称流下的流量测量精度和流量计的信噪比等方面,多电极电磁流量计要明显优于传统的两电极流量计。Horner等人[3]对多电极电磁流量计用于非轴对称流的流量测量进行了更深入的研究,得出了平均流速的计算公式。他们研制了一个内含16个检测电极和两对感应磁场线圈的多电极电磁流量测量装置。

　　实验结果表明,当流速分布偏离轴对称较大时,两电极电磁流量计的测量误差大得无法接受,而他们设计的多电极测量装置的测量精度仍然能基本满足工程要求。但是,该测量装置过于复杂,要推广应用有较大难度。

　　本文在前人已有研究成果的基础上,针对工业应用的特点,研制了一个8电极的电磁流量计,并在消除磁场与电极分布的不均匀、提高低流速测量精度以及平均流速的获取等方面作了大量新的理论和实验研究。

　　2　8电极电磁流量计结构

　　图1是8电极电磁流量计的原理图。传感器由一对励磁线圈和8个沿管壁均匀分布的检测电极组成。励磁电流采用正负双向恒值的低频方波,频率为6·25 Hz。以电极0作为参考电极,则电极1至电极7与参考电极0之间的感应电势分别送到7组性能相同的信号放大电路,然后再进入采样电路,使信号变成直流电压。励磁电路一方面为线圈提供励磁电流,另一方面为采样电路提供正、负信号的采样开关信号。两个采样开关的频率都为3·125 Hz,但在相位上正好错开半个周期,以保证它们分别对信号的正半周和负半周进行采样。嵌入式PC104微处理器用作信号的采集、运算、数据的储存,并通过小屏幕LCD显示测量数据和运算的结果。PC104微处理器还可以通过A/D模块输出与流速成正比的电流信号。