弧狀電極電磁流量計流體參數測量系統設計
發布日期:2018-08-28 09:06
流體在管道內的流動工況廣泛存在于能源、動力、石油、冶金以及化工等眾多工業領域。速度參數的測量作為工業應用中一個重要的流動參數,對生產過程的優化、流量的測量以及控制都具有重要的實際意義。電磁流量計作為一種基于法拉第電磁感應定律測量導電流體速度的感應式儀表,其測量結果與被測流體的工作壓力、溫度、密度以及黏度等物理參數無關,而且測量部分沒有活動部件和阻礙流體流動的擾動件,具有工作可靠、精度高、壓力損失小以及反應靈敏等特點因此在工業生產中得到了廣泛的應用。在單相流體參數檢測中,電磁流量計一般采用點狀電極形式,適用于管道流體速度分布呈軸對稱情況,否則會引起測量誤差。為降低流速分布對測量結果的影響,可采用弧狀電極形式的電磁流量計。為實現管道流體速度參數的檢測,并降低流體速度分布對測量結果的影響,筆者設計了基于弧狀電極電磁流量計的流體參數測量系統。
1.測量方程
圖1所示為用于管道流體速度參數測量的弧狀電極電磁流量計。流體沿絕緣管道軸線流動;非導磁材料制成的弧狀電極內嵌于管道內壁與流體接觸;產生均勻磁場的勵磁線圈附于管道外壁。由法拉第電磁感應定律可知,當導電流體沿管道內部軸線流動并做切割磁場運動時,流體內部產生感應電動勢信號。此時歐姆定律可表示為
式中,J為電流密度;為流體電導率;E為電場強度;為流體運動速度;B為磁感應強度。
由式(1)可知,被測流體的離子不僅受到感應電動勢νxB的作用,同時受到與流體接觸面上表面電荷產生的電場E的作用因激磁電流角頻率很小,則位移電流可以忽略,只考慮傳導電流,此時電流密度散度等于0,即
設產生電場E的電勢為U,則根據電場與電位的關系有
聯立式(1)~式(3),可得電磁流量計測量方程的微分形式為
將式(4)轉換為測量方程積分形式,可得
式中,△U為弧狀電極之間感應電壓;W為權重函數矢量,僅與管道和電極形狀有關,當管道和電極形狀固定時,權重函數分布為定值;T為流體所在空間。由式(5)可以看出,通過測量弧狀電極之間的感應電壓,可以得到流體的速度參數。
.2系統結構
弧狀電極電磁流量計流體參數測量系統主要包括感應電壓檢測模塊、信號處理模塊以及PⅪI模塊3個部分,如圖2所示。
2.1感應電壓檢測模塊
電磁流量計感應電壓檢測模塊主要由勵磁電路和弧狀電極傳感器組成,其中勵磁電路用來在流體測量區域產生盡量均勻的磁場分布,而內嵌在管道內壁與流體接觸的弧狀電極傳感器則負責拾取帶有流體速度參數的感應電壓信號。為在流體測量區域產生盡可能均勻的磁場,勵磁線圈采用馬鞍形線圈。在勵磁系統設計中,鐵芯可以提供磁通路徑,從而改變磁場分布,并加強磁感應強度。同時,為降低鐵芯渦流損耗以及增加磁路導磁系數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磁系統。直流勵磁使得弧狀電極拾取的感應電壓中存在極化電壓信號,而交流勵磁則會引起的正交干擾和同相干擾。因此,為克服直流勵磁和交流勵磁存在的缺點,設計采用在線圈中施加頻率∫=6.25Hz的低頻矩形波勵磁方式。勵磁電路主要包括AD620和AD711組成的壓控電流源電路和三極管9013和9012組成的互補對稱推挽型功率放大電路,如圖3所示,模擬電壓信號由PXI模塊的模擬信號輸出端給出。
2.2信號處理模塊
電極之間的感應電壓是非常微弱的交變信號,而且包含各種噪聲干擾信號,因此為有效采集感應電壓信號,檢測信號必須進行信號處理。信號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部分。為保證外部電磁場不對傳輸信號的信號線產生干擾,采用屏蔽電纜輸出電極上的微弱信號。然而在屏蔽電纜屏蔽層和信號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,這給信號的檢測帶來很大的影響。采用等電位驅動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,屏蔽電纜信號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,不會影響屏蔽電纜信號線上的電極輸出信號。前置放大電路將電極之間的微弱信號進行放大處理。當管道流體電導率在10~10°S/m變化時,檢測信號內阻范圍為十幾9到十幾Mg,因此為提高測量精度,前置放大電路的輸入阻抗必須遠大于檢測信號輸出阻抗,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。按照微弱信號放大器設計原則,前置放大增益不宜設置得太高,否則不利于后級電路對噪聲干擾處理。采用低功耗高精度AD620實現微弱信號的前置放大設計,如圖5所示

通過調整電阻R1完成即可設置增益范圍為1-10000倍的調整。經前置放大電路后,電極之間的電動勢由差動信號變為單端信號。因測量電路存在噪聲干擾,前置放大電路輸出信號中存在直流偏置和基線漂移,同時還存在高頻尖峰噪聲,因此需采用濾波電路對雜散信號進行抑制。設計采用具有低輸入失調電壓、低輸入偏置電流、高開環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)級聯電路。濾波電路輸出信號幅度較小,因此需經次級放大電路提高增益。設計采用可編程儀表放大器PGA202與PGA203組成的級聯放大電路,如圖6所示。

通過控制引腳D3、D2、D1、D0可實現信號1~8000放大倍數的調節,TTL控制電平D3、D2、D1、D0由PXI模塊的數字邏輯輸出端給出采樣保持電路實際是一種模擬信號存儲器,其開關通斷通過數字指令控制,從而完成輸人信號瞬時值的采樣及存儲。

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、抗干擾能力強和不易受溫度影響等特點,其邏輯電
平輸入與TL相連。當TIL為高電平時,對輸入信號進行采樣;當TTL為低電平時,對輸入信號進行保持。
 
2.3 PXI模塊
弧狀電極電磁流量計流體參數測量系統設計中,信號的采集與控制采用PXI模塊實現。PXI是由N公司發布的基于PC的測量和自動化平臺,結合了PCI的電氣總線特性、 CompactPCI的模塊化和堅固性及 Eurocard機械封裝特性,從而成為自動化和測量系統的高性能低成本運載平臺。PXI模塊通常包括機箱、系統控制器和外設等部分。設計中采用PXI1042Q作為主控機箱,PXI8106雙核嵌入式控制器作為系統控制器,高速多功能數據采集卡PX6251作為外設模塊。其中,PⅪI46251可以輸出2路16位模擬信號,更新速度為28MS/s;具有24路數字TTL輸入/輸出控制;可進行16路16位的模擬信號采集,單通道采集頻率為1.25MS/s。設計中采用圖形化語言LabVIEW8.5進行PⅪI模塊的設計,主要是輸出1路低頻方波電壓信號、1路數字脈沖信號、多路數字TTL電平信號并完成信號的采集和保存等。
3.實驗結果
弧狀電極電磁流量計單相流測試實驗在水流量標準裝置進行??紤]到管道流體流速范圍較低,因此采用靜態質量法(稱重法)以提高測量精度。由于稱重器的量程影響稱重時間的長短,為保證稱重精度,實驗
中使稱重器工作在滿量程的60%以上,并且最短稱量時間應大于30s。單相流實驗測試平臺如圖8所示。
流體流經穩壓罐后在實驗管道獲得穩定流量,改變流量調節閥開度可以調節流量大小。開始實驗時將換向器置于使流體流入旁通路方向,同時確定稱重容器起始質量M。待流量穩定后,啟動換向器使流體流入稱重器并啟動計時器,達到預定時間時,換向器自動轉換,流體再次換向到旁通路。設稱重器中收集到的流體質量為M,計時器顯示的測量時間為t,則稱量容器中實際的流體質量:
式中,a為空氣浮力修正系數。將質量M,換算為體積:
式中,pn為水的密度。水相真實速度計算公式為
式中,A為管道截面積。
當管道中水相流速在02~2m/s變化時,采用弧狀電極電磁流量計流體參數測量系統測得的感應電壓與水相速度之間的關系如圖9所示。實驗結果表明:感應電壓△U與水相速度之間存在很好的線性關系,在流體測試中可以通過測量電磁流量計弧狀電極之間的電壓實現流體流速的測量。
4.結束語
為研究管道中流體速度參數,設計了弧狀電極電磁流量計流體參數測量系統。系統主要包括感應電壓檢測模塊、信號處理模塊以及PXI模塊3個部分。其中,感應電壓檢測模塊提供了勵磁磁場,當流體在管道流過時在弧狀電極上得到感應電壓;信號處理模塊包含了感應電壓信號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、一路數字脈沖信號、多路數字TTL電平信號并完成信號的采集和保存。通過在水流量標準裝置上進行的單相流測試實驗表明,弧狀電極電磁流量計的感應電壓與流體速度之間存在很好的線性關系,從而可以通過測量電極之間的感應電壓對流體速度進行計算。

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