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现电磁流量计国内外研究现状分析

  在发现电磁感应定律的第二年(1832年),法拉第以横贯地球磁场的泰晤士河水作为连续导体,在滑铁卢桥的两岸悬垂金属电极,他试图以测量电极间所产生的电动势的方法来测量流速。然而,在当时的测量技术条件下,因为没有高输入阻抗的毫伏计【51,当然,也因信号太弱,极化电压太大等原因导致测量失败。后来,美国的柯林(A.Kolin)用交流磁场成功地测量了血液流动的情况。第二次世界大战后,电磁流量计就作为工业上的测量仪表而实用。随着可放大微弱信号的电子技术的发展,1960年,商用的频率交流励磁方式的技术差不多成熟了,它在过程计量测试中就成了基本的测量方法之一。制作的流量计口径也从2毫米到2米以上【51。

  与此同时,研究人员也研究了血液流量计,并开展了对测量原子反应堆的冷却物质(液态钠)所用的电磁流量计的研究。进入七十年代后,为了实现电磁流量转换器的小型化,而采用了不均匀的磁场。同时,为了改善信噪比应用了低频方波励磁的方式或具有电容祸合型电极的电磁流量计。

   1975年,制定了“用电磁流量计测量流量的方法”,这一规定虽然主要是以工业测量作为测量对象,但也意味着确立了以电磁流量计作为这一范围内的基本流量测量法【16】。

   另外,据世界最大的百科全书(r兀(www.answers.corn)先容,电极的电化学和其他作用使得测量感应电动势上下漂移,因而,测量感应电动势很困难。为此, 常常将磁场翻转,以消除静态电势差,这也阻碍了用永磁体励磁设计电磁流量计。目前,国内外对永磁式电磁流量计的研究报道十分有限,该方法的实际应用也仅局限于液体金属的测量。恒磁式电磁流量计的相关研究也仅在中国专利【181 (永磁式励磁电磁流量计)和日本的专利[19】(电磁流量计)中有所提及。

   1.3.1液体金属的测量

    国内外对恒磁式电磁流量计的研究较少,其应用范围也十分有限,已有的直流励磁方法也仅限于原子能工业中,用于测量导电率极高,而又不产生极化效应的液态金属(例如汞和钠)的流量[6】,其测量原理如图1-6所示。图I-6液态金属测量原理图由于除液态金属外的绝大多数导电流体的内阻都很大,测量过程中很容易产生极化电压,直流励磁的方法目前对其他导电液体的测量不适用。

   1.3.2恒磁式励磁电磁流量计

  一、浙江大学专利

  2004年浙江大学公布了一项永磁式励磁电磁流量计专利‘18】,其结构和原理如图1.7所示。~ 电图1.7永磁式励磁电磁流量计结构示意图两个电极分别相向对称安装在管道内壁上,两块永磁体对称安装在管道外, 永磁体产生的磁场方向、导电流量流速方向以及电极连线方向两两垂直。流量信号由电极采集,进入前置放大器部分完成阻抗匹配和差分放大,得到的信号送入信号处理部分,由信号处理部分完成信号调理,处理好的信号最终送入微处理器部分,由微处理器部分完成流量的计算,流量值送入显示部分完成流量的显示。微处理器控制切换器的输入输出电压方向和数值,微处理器给电极施加交变电场和从电极采集流量信号的时序如图1.8所示。非采样时问内,切换器使两个电极的引出线x,Y分别与微处理器部分输入端x1,Yl导通,从而在两个电极上施加由微处理器控制的交变电场;采样时间内,切换器使两个电极的引出线x, Y分别与前置放大部分的输入端x2,Y2导通,从而撤消在电极上施加的交变电场,并从电极上采集流量信号,然后经过微处理器进行后续处理。图1.8两个电极信号的控制时序注:P:在流体中加正向电场;S:采样流量信号;N:在流体中加负向电场非采样时间内快速变化的交变电场可以抑制传统直流励磁测量非金属流体时产生的严重的极化现象,采样时间内永磁式励磁可以避免交流电磁场的干扰, 从理论上分析,该方法设计的电磁流量计结构简单,可以在励磁模块零功耗的条件下有效地反应流量。

    但是,该方法是先施加固定的交变电场抑制电极极化,然后再采样流量信号。施加交变电场仅仅是相当于在极化电压的基础上施加了一个交流信号,并没有针对极化电压采取相应的抑制措施,没有充分考虑到电极上电势总体不平衡对流量信号的影响。

    而且,大家前期就该专利提出的方法做过类似的实验,但是实验结果表明该方法不能有效测量流速,该专利仅仅提出了一个类似于电导率仪的设计方法。电导率测量仪如果用直流供电会出现电解现象,产生极化f191。这样给测量带来误差,影响测量结果。所以,实际应用中,为了避免产生极化现象,电导率测量仪不用直流供电,而是用交流供电,且供电频率尽量高些(比如lkHz)。这样,由于两极电位交替改变,使得电极来不及电解或者至少能大大减弱电解作用。正反向间隔施加电场并不能有效地抑制极化现象,因为直流极化电压的随机性很大,施加交变电场仅仅相当于在已有的直流极化电压基础上叠加了一个交流电压,施加的电场正反方向幅值是恒定不变的,并不是定量有针对性地抑制极化, 没有考虑极化电压的大小和极性。因而,极化电压始终存在,并没有被抑制掉, 流量信号仍然被淹没在极化电压中,不能反应出流速。并不能真正实现测量。

   二、日本专利

    1997年,日本的HATAKE RIICHI申请了电磁流量计的专利‘191,其传感器结构示意图如图1-9的(a)和(b)所示。步进电机(a) (b) 图1-9永磁体励磁的传感器结构示意图为了减小系统的功耗,在测量管道的外壁放置一块永磁体(如图a),也可用两块旋转方向相反的永磁体(如图b),该永磁体可在驱动装置(如步进电机) 的作用下旋转,因而磁场方向是交替变化的。两个电极的空间直线连线方向、磁场方向和流速方向三者两两垂直,因为不会在电极表面产生极化现象,流速可以准确测量。另外,由于采用非常低功耗的步进电机,整个电磁流量计的功耗可大大降低。该方法的特点在于旋转永磁体,以得到相反方向的磁场。但是,从本质上讲,本专利的设计思想和采用通电线圈的正反励磁方式以消除极化的原理相同。没有实质性的变化。而且,用电机驱动永磁体旋转运动,电磁流量计的整体能量消耗很大,功耗并未大大减小。

 


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