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基于恒磁勵磁傳感技術的水流量測量干擾的分析

放大字體  縮小字體    發布日期:2009-09-01  來源:寧波水表股份有限公司  作者:admin  瀏覽次數:276
核心提示:   (寧波水表股份有限公司,姚靈)    摘要文章描述了采用恒磁勵磁傳感技術的水流量測量傳感器在電子水表或流量計應用中存在的極化干擾電勢影響等問題,分析了產生干擾的原因和機理,提出了解決極化干擾電勢的幾種主要方法和技術。
 
 
 (寧波水表股份有限公司,姚 靈
 
    摘要 文章描述了采用恒磁勵磁傳感技術的水流量測量傳感器在電子水表或流量計應用中存在的極化干擾電勢影響等問題,分析了產生干擾的原因和機理,提出了解決極化干擾電勢的幾種主要方法和技術。文章的結論是恒磁勵磁傳感技術在水流量計量儀表方面的應用會隨著技術進步而逐步擴大,其性能會逐步改善。
 
    關鍵詞 恒磁勵磁  流量傳感器  極化電勢  電磁流量計  射流流量計  渦街流量計
 
    中圖分類號:  TH814                    文獻標志碼:  A
 
    一.概述
 
    恒磁勵磁流量傳感技術由于它結構簡單可靠、勵磁不用電源、磁感應強度高、對管道振動不敏感等特點,因此可廣泛應用于渦街流量計、射流流量計等以頻率量為被測量的流量測量儀器,也可用于以電壓量為被測量的電磁流量計等產品。其基本工作原理是:當導電液體介質(如飲用水)流過非導磁體測量管或計量腔切割由恒定磁場產生的磁力線時,根據電磁感應定律導電液體介質就會產生感應電動勢,通過放置在與磁力線和測量管相互垂直的一對電極可將感應電動勢引出;由于感應電動勢E與恒定磁場B的強度、介質的平均流速v成正比,因此可從感應電動勢的強弱來測定被測介質的流速,見下式
 
E = k B D v           (1)
 
    式中:E — 感應電動勢,V;   k — 調整系數;  
    B — 磁感應強度,T;   D — 測量管內徑,m;
    v — 測量管內導電液體介質平均流速,m/s。
    而流量傳感器輸出的體積流量則為,
 
qv = ( π D/4 k )·(E /B)           (2)
 
    其工作原理見下圖,

圖1
 
    基于恒磁勵磁的渦街流量檢測方法是根據被測流體在測量管內受到阻流體作用后形成周期性旋渦切割磁力線而產生有一定頻率的感應電動勢這一原理工作的。由于被測流速與旋渦頻率成比例,因此可以通過一組電極檢測出有一定幅值E的頻率量f作為被測量;射流流量電磁檢測法與渦街流量檢測法在原理上是基本相同的,即被測流體在射流(計量)腔中由于附壁效應產生反饋振蕩而切割磁力線,在其電極上輸出一定幅值的頻率量。兩種傳感方式都可以做成單端信號輸出形式或差動信號輸出形式。
   
    由于恒磁勵磁傳感器無需電源勵磁,因此非常適合用于電池供電的微功耗流量計和電子水表。而阻礙恒磁勵磁傳感技術推廣應用的極化干擾電勢以及其它不利影響,目前已可采用某些新的設計方法和技術對其作出處理,削弱其影響,達到實際應用之目的。
 
    當今供排水行業已有采用恒磁勵磁傳感技術的渦街、射流流量計產品的應用實例,采用恒磁勵磁的電磁流量計也在研制和改善中。本文將對該傳感技術應用于導電液體介質的流量(或總量)測量時由于傳感原理而造成的各種干擾和誤差作出簡要分析和探討。
 
    二.由傳感原理產生的噪聲及干擾
 
    1.極化電勢引入的干擾
 
    水是一種由有極分子組成的導電液體電介質,在電場力的作用下(假設由恒磁勵磁傳感器的兩電極產生),介質分子中的正負電荷中心發生相對位移,在其邊界與外電場垂直的兩表面上就會出現極化電荷,形成極化電勢。極化電勢的大小與外電場的大小成比例,但極化電勢反過來又會影響外電場。由于極化電勢是流量和溫度等變量的函數,因此在電極上就會形成變化規律很復雜的極化干擾電勢,同時也較難從被測流量信號中分離出去。同時,直流電動勢的存在會導致介質中的正負離子向不同極性的電極移動,使電極間的內阻增大,也會影響傳感器的正常工作。
 
    2.原電池效應引入的干擾
 
    在導電液體中的兩電極,當其電極材料成分有微小變化時,就會產生原電池效應,即在電極回路上會產生微弱電流,并通過信號處理的輸入回路產生感應電動勢。由于導電液體流動狀態的不確定性,因此在電極上也會形成某種隨機干擾。
 
    3.流動噪聲引入的干擾
 
    當被測流體在測量管(或計量腔)內流動時,使極化電荷隨之移動,流量傳感器電極上就會感應出所謂的“流動噪聲”。它的量值和變化狀態不但與被測流體的介電常數、電導率、運動粘度、以及流體流動速度等有關,還與勵磁方式有關。在相同條件下,恒磁勵磁時的流動噪聲對測量結果的影響是比較嚴重的。
 
    4.直流放大器漂移引入的干擾
 
    恒磁勵磁傳感方式使某些被測流量信號是以直流電勢的大小來衡量流量信號的強弱(如恒磁勵磁的電磁流量計),因此前級信號處理必須使用直流放大器。但直流放大器的零漂和噪聲等誤差會直接疊加到流量信號上,影響測量的準確性;特別是在微小流量測量時,其影響程度就更為嚴重。
 
    5.電極材料差異引入的干擾
 
    當電極材料的材質或成分有差異,即金屬電極的材料標準電位不一致時,兩電極間就會形成一固定的電位差。該電位差的存在(可以達到數百毫伏),一方面會加劇極化干擾影響的程度,同時也會使前級放大器產生堵塞,影響測量線性度。
 
    由于上述極化電勢等干擾的存在,使得在低電導率流體測量時被測小流量信號會被干擾電勢所覆蓋,這也使恒磁勵磁傳感技術在流量儀表中的應用受到了普遍的質疑和排斥。為此必須尋找適合的方法及途徑來解決這一問題,實現新的突破。
 
    三.消除噪聲和干擾的主要途徑及方法
 
    1.極化與干擾電勢的抵償
 
    方法一:在非采樣期內,用中頻交變方波電場接通恒磁勵磁傳感器的兩電極,以消除勵磁時產生的極化電勢的干擾;而在采樣期內,由微處理器將兩電極自動切換到測量前置放大器的輸入端,對流量信號進行檢測,見圖2。

圖2
 
    方法二:用開關電路周期性地使傳感器兩電極接地或采集測量信號,以定期地抵消形成在測量電極上的摩擦電荷與其他雜散電荷。
 
    方法三:所謂的“動態反饋控制法”。其方法是:對兩個電極進行周期性地測量時段和控制時段的交替工作方式,并使每個控制時段的電極電勢等于負的測量時段的電極電勢測量值,以消除電極電勢信號中的極化,從而直接從兩電極信號的差值求得流體流速值。其工作原理見圖3。

圖3
 
    2.電極電解拋光
 
    通過對傳感器兩電極的電解拋光處理(施加正的直流電壓或交流電壓),使其表面形成極其光滑并且有光澤的界面,并在5納米內的深度里具有鉻元素密度高于鐵元素密度的特性,見圖4。拋光處理后的電極在被測流體中浸泡一段時間,就能較大幅度降低“流動噪聲”對測量信號的影響。

圖4
 
    3.流場調整
 
    采用流場調整裝置對被測流體流動分布狀態進行控制和調整,提高流體雷諾數,使射流水表或渦街水表測量限下移,測量穩定性提高。因此間接提高了傳感器的信噪比,降低了噪聲對有用信號的干擾。如射流水表在采用了流場調整裝置后,被測流量的雷諾數下限可以降低到102數量級,大大提高了測量小流量的計量特性。
 
    4.信號差動檢測
 
    流量傳感器采用差動電極技術和差動放大器檢測方法,可以使有用信號幅度增加一倍,明顯提高了流量儀表的信噪比;同時也可以抵消由外界溫度、振動等因數引起的各種干擾,提高儀表綜合性能,特別是小流量測量靈敏度。
 
    5.電極材料的選配與加工
 
    選擇材料成分一致性好、標準電位相同、耐腐蝕的電極材料制作傳感器電極,同時采用拋光等方法提高電極加工后的表面粗糙度(要求Ra≤0.05µm),使電極在使用中具有較強的抗腐蝕性能。
 
    6.對直流被測信號進行特殊處理
 
    采用“調制”技術對被測直流信號進行調制,使直流信號“交流化”,這樣可以使用高性能的交流放大器進行信號放大處理,再經解調處理后還原成原有信號;同時還可使用模擬或數字濾波技術,以及采用相關或頻譜分析技術對被測信號與干擾信號進行分離,達到最大限度地提高信噪比之目的。
 
    四.結語
 
    隨著信號處理技術的不斷發展和完善,恒磁勵磁流量傳感技術所固有的極化干擾電勢等影響正在逐步削弱和消除,而其所擁有的各種優勢和特點也在同步顯現中。因此我們有充分理由相信,應用恒磁勵磁傳感技術的水流量測量儀表一定會有其更廣闊的應用范圍,其各項性能指標也將得到進一步的完善和提高。
 
主要參考文獻
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[4] 劉昌可等.永磁式電磁流量傳感器及其信號處理.《微納電子技術》,2007年第7/8期
[5] 周 麗等.電磁流量計信號調理和激磁方法研究.《自動化技術與應用》2007年第07期
[6] 傅新.一種用于電磁流量計的永磁勵磁方法[P].中國,發明專利,200410067171.2.,2006年11月29日
[7] 安松彰夫.電磁流量計及其制造方法[P].中國,發明專利,200510070979.0.,2008年4月23日
[8] T.J.斯卡帕.電磁流量計[P].中國,發明專利,98807091.X.,2000年8月23日
 
The Polarization Disturbance Analysis For Water Flow Measurement On Permanent Magnetic Field Encourage Transducer Technology
yaoling
(Ningbo Water Meter Co.,Ltd , ZhejiangNingbo , 315032)
abstract  This paper describes the polarization disturbance voltage influence problem for water flow  measurement transducer at electronic water meter or flowmeter on permanent magnetic field encourage transducer technology ,analysing the season of producing disturbance, advancing the several method and technique for eliminating polarization disturbance voltage influence.
keywords Permanent magnetic field encourage  Flow-rate transducer  Polarization voltage   Electromagnetic flowmeter   Fluidic flowmeter   Vortex-shedding flowmeter 
 
注:本文曾發表于2009年第8期《儀表技術》雜志
 
 
作者簡介:寧波水表股份有限公司技術總監,教授級高級工程師,寧波大學兼職教授
          主要研究方向:幾何量精密測量及水流量測量技術
通信方式:寧波市 江北區 北海路 268弄 99號, 寧波水表股份有限公司  姚 靈
郵編:315032;電話:0574-88195868;郵箱地址:yaoling@nbip.net
 
 
 
 
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