電磁流量計(jì)作為一種高性能液體流量計(jì)量?jī)x表,具有測(cè)量精度高、量程寬、無壓損和適合于大口徑計(jì)量等**優(yōu)勢(shì),其測(cè)量不受流體的密度、粘度、溫度、壓力以及一定范圍內(nèi)的電導(dǎo)率變化的影響,測(cè)量介質(zhì)可以是粘性介質(zhì)、漿液、懸浮液甚至多相流。經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,目前電磁流量計(jì)產(chǎn)品的計(jì)量精度已達(dá)到±05%甚至更高,口徑范圍由3mm到4000mm2,其中直徑1m以上的大口徑電磁流量計(jì)產(chǎn)品通常是高性能大口徑液體流量計(jì)產(chǎn)品的佳選。在水利工程、市政建設(shè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中,這樣的大口徑電磁流量計(jì)具有很**的應(yīng)用。
目前,電磁流量計(jì)普遍采用實(shí)流標(biāo)定,標(biāo)定精度一般為±0.2%。該標(biāo)定方法的ZUI大優(yōu)點(diǎn)為可通過調(diào)整儀表內(nèi)部設(shè)定系數(shù)來修正由于制造一致性差而引入的誤差,從而降低對(duì)產(chǎn)品制造一致性的要求,因此被絕大多數(shù)電磁流量計(jì)廠家采用。但實(shí)流標(biāo)定存在兩個(gè)缺陷:①大口徑流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定裝置制造價(jià)格昂貴,標(biāo)定成本高。如:實(shí)流標(biāo)定1.2m口徑的儀表,需要250kW的水泵連續(xù)提供約15ts的流量,標(biāo)定時(shí)間約2~4h,標(biāo)定裝置造價(jià)約300萬英鎊3。②實(shí)流標(biāo)定裝置所產(chǎn)生的流場(chǎng)通常為理想流場(chǎng),而多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜,流量計(jì)上、下游直管段長(zhǎng)度往往難以達(dá)到要求,從而使流量計(jì)的實(shí)際使用誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)流標(biāo)定裝置上所測(cè)出的誤差。正因如此,許多科學(xué)家熱衷于研究權(quán)重磁場(chǎng)分布的電磁流量計(jì),以期實(shí)現(xiàn)流速分布對(duì)測(cè)量精度的影響為零。此外,現(xiàn)有實(shí)流標(biāo)定裝置的測(cè)量介質(zhì)大多為水,因此很難利用現(xiàn)有的實(shí)流標(biāo)定裝置對(duì)多相流、漿液、粘性介質(zhì)等非常規(guī)介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定,在這類實(shí)流標(biāo)定裝置上進(jìn)行模擬各種現(xiàn)場(chǎng)工況的流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性研究也十分困難基于以上原因,流量計(jì)干標(biāo)定技術(shù)作為一種無需實(shí)際流體便可實(shí)現(xiàn)流量計(jì)標(biāo)定的技術(shù),一直被業(yè)界所推崇。超聲波流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)因其測(cè)量原理可追溯性好,被認(rèn)為是四種*適合干標(biāo)定的流量計(jì)。但因干標(biāo)定技術(shù)對(duì)相應(yīng)流量計(jì)產(chǎn)品的一致性要求較高,只有少數(shù)發(fā)達(dá)工業(yè)國家開展了相應(yīng)研究。目前,某國已成功實(shí)現(xiàn)渦街流量計(jì)干標(biāo)定技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用,并建立了相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《渦流流量計(jì)**量測(cè)定方法》。在電磁流量計(jì)領(lǐng)域,英國、俄羅斯兩國的產(chǎn)品一致性較好,因此其干標(biāo)定方法研究也較為**,其中俄羅斯已成功實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)干標(biāo)定技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。我國在渦街流量計(jì)干標(biāo)定技術(shù)上做過探索重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所于1990年發(fā)布了《渦街流量計(jì)干標(biāo)定研究工作報(bào)告》向,是我國在此領(lǐng)域取得的寶貴成果。改革開放以來,我國的電磁流量計(jì)產(chǎn)業(yè)得到了很好的發(fā)展,電磁流量計(jì)廠家已從20世紀(jì)80年代的4家發(fā)展到目前的30多家2,電磁流量計(jì)技術(shù)水平已接近發(fā)達(dá)國家,制造水平的提高使不少廠家的產(chǎn)品一致性得到了本質(zhì)性的改善。因此,開展電磁流量計(jì)干標(biāo)定技術(shù)推廣與應(yīng)用的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。
本文通過分析電磁流量計(jì)的測(cè)量原理,闡明電磁流量計(jì)干標(biāo)定的原理及困擾其實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),分析解決這一關(guān)鍵技術(shù)的有效途徑及基于這一思想的兩種實(shí)現(xiàn)方法。
1.電磁流量計(jì)干標(biāo)定原理及關(guān)鍵技術(shù)
1.1電磁流量計(jì)測(cè)量原理
電磁流量計(jì)測(cè)量原理如圖1所示,管道內(nèi)流動(dòng)的導(dǎo)電液體切割磁力線,將在兩端電極間產(chǎn)生電勢(shì)差ΔU,ΔU與磁通量密度B、液體流速ν符合弗來明右手定則。只要管道內(nèi)部流場(chǎng)理想、磁場(chǎng)穩(wěn)定,△U的大小與管道內(nèi)介質(zhì)平均流速成嚴(yán)格的線性關(guān)系,從而通過測(cè)量ΔU的大小可確定管道內(nèi)介質(zhì)流量。
電磁流量計(jì)由一次傳感器及二次儀表組成,二次儀表為一次傳感器提供勵(lì)磁電流,以通過一次傳感器內(nèi)的勵(lì)磁線圈建立測(cè)量所需的磁場(chǎng)。一次傳感器將介質(zhì)實(shí)際流量轉(zhuǎn)換為電極間電勢(shì)差,由二次儀表將電極間電勢(shì)差轉(zhuǎn)換為顯示流量。
2.干標(biāo)定有效途徑及兩種實(shí)現(xiàn)方法
為了準(zhǔn)確地獲取有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)磁場(chǎng)信息,逐點(diǎn)測(cè)量的方式顯然行不通。目前解決此關(guān)鍵技術(shù)的有效方法為:利用電磁流量計(jì)磁場(chǎng)的交變特性,通過測(cè)量電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的其他物理量間接獲取電磁流量計(jì)有效區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)信息。這樣,無需直接測(cè)取電磁流量計(jì)內(nèi)部磁場(chǎng),甚至無需求解體權(quán)重函數(shù)W便可實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)的干標(biāo)定。英國HEMP,提出的渦電場(chǎng)測(cè)量法與俄羅斯VELT71提出的面權(quán)重函數(shù)法正是基于這種思想:前者通過檢測(cè)由磁場(chǎng)交變產(chǎn)生的渦電場(chǎng)強(qiáng)度獲取磁場(chǎng)信息,實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)一次傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)的測(cè)量,無需測(cè)量有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)磁通量密度B與體權(quán)重函數(shù)W;后者利用按面權(quán)重函數(shù)等值線繞制的感應(yīng)線圈與電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈的互感效應(yīng)獲取磁場(chǎng)信息,實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)一次傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)的測(cè)量,無需測(cè)量有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)磁通量密度。
2.1渦電場(chǎng)測(cè)量法
2.1.1測(cè)量原理
渦電場(chǎng)法的理論基礎(chǔ)為:電磁流量計(jì)測(cè)量過程中,交變的磁場(chǎng)將伴隨產(chǎn)生渦電場(chǎng),該電場(chǎng)不受流速分布的影響,通過測(cè)量電磁流量計(jì)電極所在位置渦電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)取一次傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)。當(dāng)一次傳感器管段內(nèi)速度分布平坦時(shí),對(duì)于正弦信號(hào)勵(lì)磁磁場(chǎng)的一次傳感器,有效區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的速度v、電勢(shì)U以及渦電場(chǎng)強(qiáng)度在管段軸向方向的分量Ez具有如式，所示關(guān)系,對(duì)于矩形脈沖信號(hào)勵(lì)磁磁場(chǎng)則如式所示向
由于目前電磁流量計(jì)普遍采用矩形脈沖信號(hào)勵(lì)磁,本文只針對(duì)矩形脈沖信號(hào)勵(lì)磁磁場(chǎng)展開討論?；谝陨侠碚?若將電磁流量計(jì)一次傳感器如圖2所示豎立放置,管段內(nèi)充滿被測(cè)介質(zhì)(例如水),磁場(chǎng)交變時(shí)水中也將產(chǎn)生一個(gè)渦電場(chǎng)
若在流量計(jì)兩電極處各放入一個(gè)傳感器,每個(gè)傳感器由絕緣襯底及一對(duì)電極組成,每對(duì)電極間距離為δ,則傳感器電極間將產(chǎn)生電勢(shì)差E1、E2,如式)、(8)所示1 aUE1=E6=-6E2=EnsaU，式中U1,U2傳感器所在位置,即流量計(jì)電極所在位置的電勢(shì)Ez1,E2傳感器所在位置,即流量計(jì)電極所在位置的渦電場(chǎng)強(qiáng)度磁通量密度B、流量計(jì)電極間電勢(shì)差△U及渦電場(chǎng)傳感器電極間電壓E1、E2的信號(hào)示意圖如圖3所示
為了去除低頻噪聲信號(hào)的影響,二次儀表常測(cè)取(△U1-△U2)(△U2△U3)轉(zhuǎn)換為顯示流量,而非簡(jiǎn)單地測(cè)取(△U1-△U2)或△U1,因此一次傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)Kp如式所示
kn=(△U1-△U2)-(△U2-△U3)(9)D-y
式中△Uh1正半周期上測(cè)量時(shí)刻為t1時(shí),流量計(jì)電極間電勢(shì)差
△U2負(fù)半周期上測(cè)量時(shí)刻為t2時(shí),流量計(jì)電極間電勢(shì)差
△U3正半周期上測(cè)量時(shí)刻為t3時(shí),流量計(jì)電極間電勢(shì)差
ν—介質(zhì)平坦流速
D—測(cè)量管段內(nèi)徑
（10）
聯(lián)立式(7)~(9)便可得到由渦電場(chǎng)傳感器電極間輸出電壓E1、E2獲得的電磁流量計(jì)一次傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)Kp1的計(jì)算式,如式(10)
從式(10)不難發(fā)現(xiàn),只要測(cè)取測(cè)量管段內(nèi)徑并對(duì)傳感器引出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分便可得到一次傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù),從而實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)一次傳感器的干標(biāo)定。
2.1.2技術(shù)特點(diǎn)
渦電場(chǎng)檢測(cè)法可在無需求解復(fù)雜的體權(quán)重函數(shù),且無需逐點(diǎn)檢測(cè)有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)磁通量密度的情況下,實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)一次傳感器的干標(biāo)定。需測(cè)量參數(shù)相對(duì)較少,主要誤差源為:①由于傳感器電極間距離δ無法做到無窮小,而渦電場(chǎng)強(qiáng)度在管段軸方面的分量Ez沿著管段軸方向并非處處相等,因此將引入誤差。②傳感器電極本身的軸向?qū)挾葘⒃黾与姌O間距離δ的不確定性,加大δ所引入的誤差。③傳感器厚度引入的誤差。④傳感器電極及引線等構(gòu)成回路引入噪聲磁通而帶來的誤差。根據(jù)HEMP的理論計(jì)算,對(duì)以上誤差源進(jìn)行理論修正后,此方法的基本誤差可做到小于±0,2%,符合干標(biāo)定的精度要求。
此方法理論模型基于一次傳感器管段內(nèi)速度分布平坦的假設(shè),而無法對(duì)非理想流場(chǎng)情況下的一次傳感器精度進(jìn)行檢測(cè)。但在實(shí)流標(biāo)定裝置中,由于有上、下游直管段的保證,一次傳感器管段內(nèi)的流場(chǎng)為完全發(fā)展,速度分布趨于平坦,大口徑電磁流量計(jì)在理想狀態(tài)下的速度分布更是如此。因此此方法可避免實(shí)流標(biāo)定裝置的高成本,降低大口徑電磁流量計(jì)的標(biāo)定成本,但無法克服實(shí)流標(biāo)定的第二個(gè)缺點(diǎn)。此外,在標(biāo)定對(duì)象為小口徑電磁流量計(jì)時(shí),由于傳感器及其電極尺寸的限制,測(cè)量精度將難以保證,因此此方法只適用于較大口徑電磁流量計(jì)。
2.2面權(quán)重函數(shù)法
2.2.1測(cè)量原理
面權(quán)重函數(shù)法的理論基礎(chǔ)是:按照電磁流量計(jì)一次傳感器有效區(qū)域內(nèi)的某一表面磁場(chǎng)的分布特性來恢復(fù)整個(gè)有效區(qū)域內(nèi)空間磁場(chǎng)的特性因電磁流量計(jì)的測(cè)量通道內(nèi)除勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)外沒有其他外界磁場(chǎng)源,因此磁場(chǎng)可由標(biāo)量磁勢(shì)來描述,可用通道表面上的標(biāo)量磁位勢(shì)單值地確定整個(gè)有效區(qū)域內(nèi)的標(biāo)量磁位勢(shì)。在半徑為r的通道內(nèi)定義圓柱坐標(biāo)系如下:一次傳感器通道中心軸為z坐標(biāo),半徑方向?yàn)閜坐標(biāo),以電極所在位置為起點(diǎn)逆時(shí)針方向?yàn)?坐標(biāo),電極所在位置坐標(biāo)為(z=0;p=r;0=±丌)相應(yīng)地,電極間電勢(shì)差△U可用式來表示
式中Ln—Bee函數(shù)
L -Bessel函數(shù)導(dǎo)數(shù)
G—Gren函數(shù)
v2—流速ν在z坐標(biāo)方向上的分量
流速ν在p坐標(biāo)方向上的分量
ve—流速ν在θ坐標(biāo)方向上的分量
從式(12)不難看出,面權(quán)重函數(shù)W(z,0)除了與體權(quán)重函數(shù)一樣由幾何位置、管道結(jié)構(gòu)、電極距離與尺寸決定外,還包含了各點(diǎn)的流速分布信息。我國從俄羅斯引進(jìn)的“ POTOK”裝置中,Wn(z,O)被用于按其等值線繞制線圈作為一次傳感器干標(biāo)定所用的MFC傳感器。按照其操作手冊(cè),測(cè)量時(shí)以電極所在位置為參考點(diǎn),將MFC傳感器對(duì)稱地放入通道中,如圖4所示。
由于流量計(jì)勵(lì)磁線圈與MFC傳感器中線圈的互感作用,流量計(jì)磁場(chǎng)交變時(shí),MFC傳感器將有電壓信號(hào)輸出,如圖5所示
圖5中MFC傳感器輸出信號(hào)Uou與一次傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)存在如下關(guān)系
式中K—修正系數(shù)，式(14)中的積分運(yùn)算由輔助電路完成,修正系數(shù)K可通過干濕標(biāo)定對(duì)比試驗(yàn)獲得,即以N(具體數(shù)值由產(chǎn)品一致性決定)臺(tái)已經(jīng)過實(shí)流標(biāo)定的一次傳感器為樣本進(jìn)行干標(biāo)定,通過實(shí)流標(biāo)定數(shù)據(jù)與干標(biāo)定數(shù)據(jù)的對(duì)比,獲取干標(biāo)定所需K的確切值。經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)修正后的干標(biāo)定裝置可用于對(duì)與樣本同口徑的其他一次傳感器進(jìn)行干標(biāo)定。
3.結(jié)論
相對(duì)于目前普遍應(yīng)用的實(shí)流標(biāo)定技術(shù),干標(biāo)定技術(shù)在降低成本、模擬不同流場(chǎng)和介質(zhì)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),工業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。如何準(zhǔn)確地獲取有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)磁場(chǎng)信息是干標(biāo)定技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵所在。利用電磁流量計(jì)磁場(chǎng)的交變特性,測(cè)量電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的其他物理量間接獲取電磁流量計(jì)有效區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)信息,是實(shí)現(xiàn)干標(biāo)定的有效方法,在此基礎(chǔ)上,分析了基于這一方法的渦電場(chǎng)測(cè)量法與面權(quán)重函數(shù)法的測(cè)量原理、特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法。分析表明,渦電場(chǎng)測(cè)量法無需求解復(fù)雜的體權(quán)重函數(shù)和逐點(diǎn)檢測(cè)有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的磁通量密度,但它只能模擬速度分布平坦的流場(chǎng)情況,無法對(duì)非理想流場(chǎng)情況下的電磁流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定;面權(quán)重函數(shù)法可避免逐點(diǎn)檢測(cè)有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的磁通量密度,能實(shí)現(xiàn)各種流場(chǎng)環(huán)境的模擬,克服了實(shí)流標(biāo)定的兩大缺點(diǎn),但需要用干濕標(biāo)定對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行修正,對(duì)比試驗(yàn)工作量較大。
上一條：
淺析針對(duì)非滿管污水流量計(jì)的研究及應(yīng)用前景
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弧狀電極電磁流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
