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恒磁式电磁流量计几种基本实验方法的探索

  恒磁式电磁流量计几种基本实验方法的探索   从文献和相关的资料可知,前人对极化电压的研究都是从定性的角度提出了一些粗略的概念,定量深入的研究内容很少,而且缺少理论分析和相关的详细实验先容。对此,本文的研究首先需要用实验对极化电压进行详细的分析和验证。要从较大的极化电压中提取出较小的感应电动势,可以设想两种方法: 第一,研究极化电压,分析两个电极上极化电压的相关性。如果它们之间存在某种特定的关系,可以利用该关系,将极化电压作为感应在两个电极上的共模信号或者共同的干扰信号来对待,利用相关原理设法消除同时存在于两个电极上的极化电压: 

   第二,避开极化电压,设法将它调整到和感应电动势同一量级的稳定值,而且保证感应电动势不被控制,它仍然随着流速变化而稳定地变化。这样,就相当于从同一量级的稳定信号中提取出变化的有用信号。借鉴以上两种思路,大家前期按以下方法进行过初步的实验、探索和分析。

   2.3.1差分对比消除极化的实验

   由于测量电极与被流体接触时会产生电极的极化,即在两电极之间产生与流量无关的具有缓慢变化及随机性的一种极化电压。通电线圈励磁的电磁流量计采用正反向交替变化的励磁方式消除极化电压,分别在励磁信号的正半周期和负半周期采集信号,由于极化电压与磁场无关,两次得到的流量信号经过差分变换即可去除极化干扰,从而得到流量信掣131。

   1983年,日本的专利【2明(专利申请号:JP58216916)中也提到过类似的研究方法。借鉴该思路,按照图2.3所示的原理图设计实验,在测量管道上相邻的地方安装两组电极(A1,B1和A2,B2),用两组测量电路采集信号,其中一路测量电路采集在磁场作用下电极(A2,B2)上的信号,另一路测量电路采集没有磁场作用下电极(A1,B1)上的信号。因为极化电压与磁场无关,在保证电极材料和测量流体完全相同的情况下, 两路信号经过差分变换,理论上可以消除两组电极上采集的共同的极化电压,从而反应流速信号。图2.3差分对比消除极化原理图调整加磁钢和不加磁钢两组电路,保证静态无流速时,加磁钢和不加磁钢两组电路的输出电压尽可能相等,从理论分析可知,有流速时,加磁钢的电极上采集的信号应该包括极化电压和反应流速的感应电动势。不加磁钢的电极上采集的信号仅仅包括极化电压,所以,两组信号经过差分后,得到的仅仅是反应流速的感应电动势。

   但是,屡次实验都没有得到理论分析的结果,差分后的信号始终是一个固定的电压,而不会随着流速的变化而变化,分析可能存在的原因如下:其一,极化是一个缓慢变化的过程,极化电压有很大的随机性,以上方法理论上认为两个传感器电极上测量的极化电压等同或相关,但是实际上两组电极上测量的极化电压并不完全一致,它们之间没有相关性,流体分别流经两个传感器时,极化电压发生了变化。其二,反应流速的感应电动势和极化电压相互影响。有磁场和无磁场作用下得到的极化电压完全不同。

   从实验结果可以看出,虽然电极材料和测量流体完全相同,测量结果并不能反映流速的变化,说明在同一管道上非常靠近的两对电极上产生的极化电压没有任何的相关性,不能通过该差分对比消除极化的方法反映感应电动势,由此也进一步验证了极化电压随机变化且不具有任何相关性。

   所以,多次实验结果都验证了以上内容后,基于极化电压不相关且随机变化的角度,大家探索并提出了下文的反馈方法。

  2.3.2继电器电容反馈抑制极化的实验

   对极化电压的随机不相关性,设想一种反馈控制思想,保证一个周期内既有测量时间又有控制时间。测量时间内,采集电极上的极化电压;控制时间内,将已采集的极化电压反馈给测量电极,以实现正负抵消该电压。前期,大家设计以下方法进行探索和实验,先将电极采集的信号给电容充电, 然后交叉反馈给测量电极,将电容已存储的电荷放电,理论上可以破坏已经建立起来的极化电压,从而控制极化现象,抑制极化电压,使其不能重新建立起来。图2.4双继电器工作系统原理图

   该方法的工作原理如图2.4所示,两个继电器反向接输入信号(b2、b4和“、b2相连),el、e2和n、岔分别接控制信号,c、D接差分放大器,两个继电器的控制信号是反向连接的,在控制信号的作用下,继电器由常闭接点a1、a3、b1、b3分别转到常开接点a2、a4、b2、b4,再回到a1、a3、bl、b3。继电器1接通a2、a4时,继电器2接通bl、b3,电极A上的输出电压给电容cl充电,电极B上的输出电压给电容c2充电。控制信号电压反向时,继电器1接通al、a3,继电器2接通b2、b4,电容c1反向给电极B放电,电容c2 反向给电极A放电。在继电器控制信号的一个周期内,电极给电容充电,电容交叉反相给电极放电,如此反复地充电一放电一充电。已经建立起来的极化电压在电容的充电放电作用下,逐步被抑制并最终控制在一定的范围。因而,从理论上讲,C、D输入差分放大器的电压将不再包含直流极化电压, 而仅仅包括反应流速变化的感应电动势。实验测得无流量和有流量时的信号波形分别如图2.5的(a)和(b)所示,两幅图片中上下两个波形分别是示波器采集电极A、B和c、D上的波形。图片中靠下的波形均为反应流量的信号。(a)无流速时输出波形(b)有流速时输出波形图2.5继电器电容反馈法测量结果对比从实验的测量结果(图a和b中靠上的波形)可以看出,有无流速时,极化电压都被控制在很小的范围内(50mv以内),流速变化时,极化电压上叠加的感应电动势有比较明显的体现,输出波形相当于在无流速的波形上叠加了交流信号(图a和b中靠下的波形)。同时,实验结果还表明:电容充放电的过程不稳定,受外界干扰影响严重, 反应流速信号的波形极不稳定,近似于杂波信号。在一段较长的时间内重复多次实验,每次将极化电压控制的最终数值未必稳定相同,反映流速信号的波形也难以保证完全一致。

   但是,从测量控制时序和电容存在漏电现象的角度考虑,本方法难以从“量” 的角度准确地把握反馈控制极化电压的“度”,不能保证每次将同极化电压等量的反向电压反馈给测量电极。

   总之,该实验充分证明了继电器电容反馈抑制极化电压的方法可行,可完全抑制极化电压到较小的范围。但是该方法的测量电路和实验思想还不完善,测量结果的重复性和稳定性也不理想,目前的测量结果只有很粗略的反映。因此,在继续改进并充分完善本实验方法的基础上,本文设计了动态跟踪的反馈实验方法。

   2.3.3动态反馈控制极化电压方法的探索

   综合以上两种实验方法可知,抑制极化电压的实验思路可以行得通,如果对极化电压能实时跟踪反馈,以实现对不同大小的极化电压反馈不相等的控制量。那么对极化电压的控制更有针对性。在反馈系统稳定的基础上,如果极化电压能够稳定控制在和感应电动势同样甚至更小的数量级范围内时,那么有望较好地从极化电压中提取出反应流速的感应电动势。

   借鉴差分对比消除极化和继电器电容反馈抑制极化两个实验的思想,继续改进继电器电容反馈的设计方案。既然利用电容的充电和放电现象可以控制极化电压到一个较小的范围,那么引入一个记录极化电压的机制,并将其极性取反,然后反馈给提取信号的测量电极,也即借鉴自动控制原理的负反馈思想,记录极化电压的机制相当于每次都提供一个设定值,而电极上测量的信号作为实际值,两者进行比较,然后对其偏差信号进行控制,最终的目的就是尽量将该偏差控制到零,从而控制极化电压。H反馈动态控制极化原理图

   因为在每个周期的控制作用下,极化电压是逐步变化的,所以,记录极化电压的机制应该能自动地根据极化电压的大小提供一个设定值,以达到动态反馈跟踪的目的,而不是提供一个始终固定不变的数值。

   动态反馈控制极化的工作原理如2-6所示:先对传感器采集的信号进行适当的调理,然后判断极化电压的大小和方向,每个控制时序内,都要根据极化电压的幅值和极性采取相应的反馈量,最终将该极化电压抑制到重复稳定的数值,消除其对感应电动势的影响,并让反应流速的感应电动势得到体现。(a)静态无流速输出信号(b)流速较小时输出信号(c)流速较大时输出信号图2.7动态反馈控制极化电压法的测量结果对比经过多次实验,测量不同流速下的信号如图2.7的(a)、(b)和(c)所示, 图中靠上的直流电压为反应流速的信号,图(a)为静态无流速的信号,图(b) 为流速较小时的信号,图(c)为流速较大时的信号。

    从实验结果可以初步看出,初始静态零点完全在100mV以内,流速变化通过直流电压的形式反映出来,直流电压信号幅值随着流速的增大而增大,其变化范围可以达到lOOmV,粗略定性地反应流速变化的效果非常明显。

 


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