恒磁式電磁流量計的極化電壓控制方法研究
發布日期:2018-10-30 15:03
一、電磁流量計現有基礎技術概述
現有的電磁流量計都是靠通電線圈產生交變磁場,因為電化學及其他因素會在恒定磁場勵磁的電磁流量計測量電極上產生嚴重的極化現象,由此使得隨機變化的極化電壓全部淹沒反映流速的感應電動勢,因此,極化電壓一直是電磁流量計測量的主要障礙,恒磁式勵磁的技術始終是電磁流量計研究的主要難點之一。目前,恒磁勵磁的方法僅僅適用于液態金屬的測量,研究在恒磁式電磁流量計中如何控制極化電壓就顯得尤為突出和重要電磁流量計勵磁技術隨著電磁流量計的發展,其勵磁技術主要包括低頻勵磁、雙頻勵磁和直流勵磁三種方式。就恒磁式電磁流量計目前的研究而言,主要難點集中體現在以下幾點:
(1)極化電壓與電極材料、液體性質有關,且影響感應電動勢
(2)直流極化電壓隨機性大,且遠遠大于反應流速的感應電動勢
(3)實際測量過程中,兩電極上疊加了一系列的干擾信號
(4)盡管磁感應強度增大了很多,但與極化電壓相比,反應流速的感應電動勢仍然非常微弱。
以上眾多問題使得從一個較大的無規律隨機變化的極化電壓中提取出有用的微弱感應電動勢十分困難,也是目前電磁流量計研究的難點之一。本文從用永磁體測量流速,從極化電壓的角度出發,在參考和借鑒電極結構、極化現象產生機理和雙電層理論的基礎上,提出了一種有效的動態跟蹤極化電壓的方法以抑制極化電壓,提取出感應電動勢,定性反應流速。用本文設計的電磁流量傳感器測量極化電壓,在滿管無流速的情況下,示波器采集的傳感器兩電極上的極化電壓信號。該電壓為極化電壓,它在200mV左右,測量時間相差40min,它們的變化不穩定且有隨機性。用不同的傳感器測量,極化電壓的幅值和變化情況也全不相同。一般來說,反應流速的感應電動勢非常微弱(一般為0.mV/(1m/s))9,它是微伏級的電壓。而直流極化電壓遠遠大于反應流速的感應電動勢,從圖1中可以看出,其數值能達到200mV。電磁流量計實際測量過程中,受實驗環境的影響,兩個電極上疊加了一系列的干擾信號,極化電壓也影響感應電動勢。以上種種因素使得直接從較大的隨機變化的極化電壓中提取出微弱的感應電動勢十分困難。
盡管恒磁式電磁流量計得到的反映流速的感應電動勢較通電線圈勵磁的電磁流量計大很多,但是,極化電壓仍然至少比感應電動勢大一個數量級以上,因此,要從大的極化電壓中提取出較小的感應電動勢,極化電壓
是有待解決的首要問題。

二、傳感器的設計
借鑒現有的線圈勵磁的電磁流量計,首先設計采集信號的傳感器。線圈勵磁是通過給線圈通以恒定的電流,恒定的電流產生恒定的磁場,從而得到電磁流量計測量所需要的磁感應強度,其傳感器結構如圖2所示,本課
題設計的傳感器是在與電極垂直的方向安裝兩塊大磁鋼10,從理論上講,磁鋼產生的磁感應強度是均勻恒定的調整加磁鋼和不加磁鋼兩組電路,保證靜態無流速時,加磁鋼和不加磁鋼兩組電路的輸出電壓盡可能相等,
從理論分析可知,有流速時,加磁鋼的電極上采集的信號應該包括極化電壓和反應流速的感應電動勢。不加磁鋼的電極上采集的信號僅僅包括極化電壓,所以,兩組信號經過差分后,得到的僅僅是反應流速的感應電動勢。差分對比消除極化原理圖如圖所示。
三、繼電器電容反饋抑制極化的實驗
對極化電壓的隨機不相關性,設想一種反饋控制思想,保證一個周期內既有測量時間又有控制時間。測量時間內,采集電極上的極化電壓;控制時間內,將已采集的極化電壓反饋給測量電極,以實現正負抵消該電壓。

四、動態反饋控制極化電壓方法的探索
借鑒差分對比消除極化和繼電器電容反饋抑制極化兩個實驗的思想,繼續改進繼電器電容反饋的設計方案既然利用電容的充電和放電現象可以控制極化電壓到個較小的范圍,那么引入一個記錄極化電壓的機制,并
將其極性取反,然后反饋給提取信號的測量電極,也即借鑒自動控制原理的負反饋思想,記錄極化電壓的機制相當于每次都提供一個設定值,而電極上測量的信號作為實際值,兩者進行比較,然后對其偏差信號進行控制,終的目的就是盡量將該偏差控制到零,從而控制極化電壓。動態反饋控制極化的工作原理:先對傳感器采集的信號進行適當的調理,然后判斷極化電壓的大小和方向,每個控制時序內,都要根據極化電壓的幅值和極性采取相應的反饋量,終將該極化電壓抑制到重復穩定的數值,消除其對感應電動勢的影響,并讓反應流速的感應電動勢得到體現。從實驗結果可以初步看出,初始靜態零點完全在100mV以內,流速變化通過直流電壓的形式反映出來,直流電壓信號幅值隨著流速的增大而增大,其變化范圍可以達到100mV,粗略定性地反應流速變化的效果非常明顯。
 
上文討論了恒磁式電磁流量計設計中,極化電壓的設計與實現方法。各項實驗結果都證明了采用這種極化電壓勵磁的電磁流量計基本符合設計要求,恒磁式電磁流量計的研究將為電磁流量計開拓新的研究空間,有助于實現該技術的實際應用。

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