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　　電磁流量計(jì)由于具有眾多的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)各種場(chǎng)合，近年來(lái)已經(jīng)逐步向民用領(lǐng)域擴(kuò)展。傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)僅能用于滿管的流量測(cè)量，對(duì)于非滿管流體或者流體在滿管與非滿管之間變化的流動(dòng)時(shí)的流量測(cè)量研究較少。非滿管流體流動(dòng)時(shí),由于管內(nèi)的流體截面積是變化的,或者流體流動(dòng)一直處于非滿管狀態(tài)，非滿管流量的測(cè)量需要測(cè)量流體平均流速和液位這兩個(gè)參數(shù)。非滿管狀態(tài)下,測(cè)量管內(nèi)流體流速分布不對(duì)稱,導(dǎo)致權(quán)重函數(shù)的分布和液位有關(guān)，同時(shí)電極上的感應(yīng)信號(hào)是兩電極橫斷面內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)電位的集合,即電勢(shì)一定要處于電極可測(cè)量范圍之內(nèi),所以進(jìn)行非滿管的流量測(cè)量電極必須浸入流體內(nèi),否則電極得不到感應(yīng)信號(hào)[17-19] 。
1 非滿管電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 非滿管電磁流量計(jì)的測(cè)量原理
　　管道式電磁流量計(jì)在工作的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)管道中流體未充滿或者在流體流動(dòng)過(guò)程中，流體流動(dòng)處于滿管向非滿管道的轉(zhuǎn)換狀態(tài)中。使管中流體流動(dòng)有兩種流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)流體未充滿管道式 1，如圖 3-1 所示，此時(shí)如果仍按傳統(tǒng)流量計(jì)的測(cè)量原理，則：
實(shí)際值=測(cè)量值-上部空氣部分

　　由權(quán)重函數(shù)的理論可知，感應(yīng)信號(hào)電壓是兩電極橫斷面內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)電位的集合，不論流體在管道中橫截面如何變化，流動(dòng)流體的質(zhì)點(diǎn)都會(huì)有感應(yīng)電勢(shì)，但是這些電勢(shì)一定要處于電極的集合范圍內(nèi)，如果電極暴露在空氣中，電極得不到信號(hào)[19]，流體未充滿管道式 2 就是這種情況。當(dāng)流體未充滿管道時(shí)，管中流體的實(shí)際流量值Q實(shí)=A實(shí)?`V，而管中流體的截面積為:

　　式中 h 為液面高度， D 為測(cè)量管內(nèi)徑。而不再是由此可知，非滿管電磁流量計(jì)的流量測(cè)量必須同時(shí)測(cè)量平均流速和液位高度這兩個(gè)物理量。
1.2 非滿管電磁流量傳感器流速測(cè)量機(jī)構(gòu)
　　根據(jù)電磁流量計(jì)的基本原理，當(dāng)流體充滿管道時(shí)，管中流體的平均流速和兩電極之間的感應(yīng)電勢(shì)之間的關(guān)系如式（2-1）所示。當(dāng)管中流體未充滿時(shí)，如前面所述，測(cè)得的信號(hào)不準(zhǔn)確或者根本得不到感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)。在傳統(tǒng)電磁流量計(jì)的基礎(chǔ)上，將流速檢測(cè)電極在高度方向上設(shè)計(jì)在距測(cè)量管底端 10%D處，其中 D 為測(cè)量管直徑。這樣能保證管中流體液位高于 10%D 時(shí)，根據(jù)傳統(tǒng)電磁流量計(jì)基本原理，傳感器能準(zhǔn)確測(cè)得流體的平均流速。其結(jié)構(gòu)如圖 3-3 所示。

此時(shí)，兩極間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 與兩電極間的距離 d 之間的關(guān)系為：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿管電磁流量傳感器液位測(cè)量機(jī)構(gòu)
　　基于電容式傳感器的基本原理，就是將液位的變化轉(zhuǎn)換成電容值的變化。在測(cè)量的過(guò)程中測(cè)量電壓、頻率、脈寬等容易測(cè)量的物理量，從而實(shí)現(xiàn)電容值的測(cè)量。結(jié)合電容式傳感器和電磁流量計(jì)的基本原理，流體在管中流動(dòng)的過(guò)程中，利用流量計(jì)襯里和管內(nèi)流體作為介質(zhì)，同時(shí)在流量計(jì)襯里與管壁之間采用兩片圓弧形電極片，電極片與襯里和管中流體形成一電容器，根據(jù)電容式傳感器的基本原理，液體作為一種介質(zhì)，是電容器的一個(gè)組成部分，液體液位的高低，直接影響電容器的電容值，即電容器的電容量是液位高度的單值函數(shù)。其相應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖 3-4 所示。
　　為了降低信號(hào)之間的干擾和便于控制，非滿管電磁流量計(jì)采用流速機(jī)構(gòu)和液位機(jī)構(gòu)分體，但是同時(shí)同步測(cè)量，再將兩信號(hào)進(jìn)行整合，得出流量信號(hào)。

2 非滿管電磁流量計(jì)原理
2.1 非滿管電磁流量計(jì)測(cè)量原理
　　流體在管道內(nèi)沿與磁感應(yīng)線垂直的方向流動(dòng)時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值即可得到流體的平均流速。在兩電極片間有激勵(lì)電壓的作用下，兩電極片、襯里和流體一起構(gòu)成電容器，根據(jù)電容式傳感器基本原理，此傳感器的等效電路如圖 3-5 所示，電極片、襯里和流體一起構(gòu)成了一變介電常數(shù)型電容器，兩極片間電容為上下兩部分電容并聯(lián)而成，其中 C1和 C3、C2和 C4之間為串聯(lián)，其總電容的計(jì)算如式（3-3）。

　　如圖 3-6 所示，管中液體將測(cè)量管分為上下兩部分，其中空氣的介電常數(shù)為0ε，流體的介電常數(shù)為1ε，襯里的介電常數(shù)為2ε，根據(jù)電容式傳感器模擬計(jì)算方法可計(jì)算其電容值[20],1C 和2C 由于極板間間距沒(méi)有改變，而且兩極板之間是單一介質(zhì)，其電容值可近似作為平行板電容器來(lái)計(jì)算[21]，如下所示：

式中，
a 為襯里內(nèi)半徑， m ；　
h 為液位高度，?? m ；　
b 為電極內(nèi)徑，?? m ；　
l 為電極片軸向長(zhǎng)度， m ；
2.2 非滿管電磁流量計(jì)工作原理
　　非滿管電磁流量計(jì)采用勵(lì)磁激勵(lì)和電壓激勵(lì)雙激勵(lì)機(jī)制，在勵(lì)磁激勵(lì)的作用下，通過(guò)勵(lì)磁電路產(chǎn)生相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而在電極上得到與流速對(duì)應(yīng)的電勢(shì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到流體的平均流速值。在激勵(lì)電極的作用下，向激勵(lì)電極通入高頻電壓，使兩圓弧形電極片與其之間的介質(zhì)形成電容式傳感器，通過(guò)電容量的測(cè)量，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)處理后得到與電容對(duì)應(yīng)的液位高度信號(hào)。兩個(gè)過(guò)程互不干涉，然后經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)分析處理后得到管中流體流量值。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖 3-7 所示。

3 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)成
　　傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路包含勵(lì)磁電路和信號(hào)處理電路兩部分組成。非滿管電磁流量計(jì)除了這兩部分以外還有激勵(lì)電壓電路。
3.1 勵(lì)磁電路參數(shù)確定
　　勵(lì)磁系統(tǒng)是電磁流量計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部分，其好壞直接影響到測(cè)量結(jié)果的精確程度高低。勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)主要是勵(lì)磁方式和勵(lì)磁頻率。常用的勵(lì)磁方式有以下幾種[8]。
1.直流勵(lì)磁
　　直流勵(lì)磁方式是用直流電或永久磁鐵產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場(chǎng)。直流勵(lì)磁可以忽略流體中的自感現(xiàn)象，同時(shí)受交流影響很小，但是由于管中流體電解質(zhì)的電離，直流勵(lì)磁易產(chǎn)生極化現(xiàn)象。極化電壓和流量信號(hào)混雜在一起，不容易區(qū)分。所以，一般在測(cè)量非電解質(zhì)流體的情況下才采用這種方式。

2. 交流勵(lì)磁
　　交流勵(lì)磁方式是上世紀(jì) 50 年代工業(yè)電磁流量計(jì)主要采用的勵(lì)磁方式，它的磁場(chǎng)是由正弦交變電流產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)：

　　交變磁場(chǎng)能消除極化干擾,同時(shí)產(chǎn)生的交變信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和轉(zhuǎn)換要比直流信號(hào)容易。但是交變磁場(chǎng)易產(chǎn)生正交（微分）干擾：

和同相干擾：

　　這些干擾降低電磁流量計(jì)的信噪比，這些干擾信號(hào)與流量信號(hào)e=emsinωt 混雜在一起，難以區(qū)分。

3.低頻矩形波勵(lì)磁
　　上世紀(jì)70-80 年代出現(xiàn)了低頻矩形波勵(lì)磁，這種勵(lì)磁方式兼有直流勵(lì)磁和交流勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)很好的避免了它們的缺點(diǎn)。如圖 3-10 所示。在半個(gè)周期內(nèi)，磁場(chǎng)是直流磁場(chǎng)，低頻矩形波勵(lì)磁有直流勵(lì)磁的特點(diǎn)，但從整個(gè)過(guò)程來(lái)看磁場(chǎng)又是處于周期性變化的過(guò)程中，低頻矩形波又是一個(gè)交變信號(hào)，便于放大和處理。所以低頻方波勵(lì)磁現(xiàn)階段應(yīng)用非常廣泛的勵(lì)磁方式。

綜合上面所述，非滿管電磁流量計(jì)選擇低頻矩形波作為勵(lì)磁方式。
　　電磁流量計(jì)采用較高的勵(lì)磁頻率可以有效降低信號(hào)源內(nèi)阻，當(dāng)頻率提高到100Hz 時(shí)，信號(hào)源內(nèi)阻約為幾百兆。繼續(xù)提高勵(lì)磁頻率，可以進(jìn)一步降低信號(hào)源內(nèi)阻和流動(dòng)噪聲。但是隨著勵(lì)磁頻率的提高，由式（3-7）和式（3-8）可知，正交干擾和同相干擾會(huì)變得更嚴(yán)重，電極上的渦電流也隨之增大。根據(jù)日本專(zhuān)家 Nakatani 的研究成果，流動(dòng)噪聲和微分干擾強(qiáng)度隨勵(lì)磁頻率變化規(guī)律如圖3-11所示，從中可以看出，使流動(dòng)噪聲和正交干擾到達(dá)最小的最佳勵(lì)磁頻率應(yīng)該在 100-400Hz 范圍內(nèi) [22]。

3.2 信號(hào)處理電路
　　信號(hào)處理電路的主要作用是將傳感器得到是帶有很多干擾而且信號(hào)非常微弱的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成AD 采樣器可以接受的直流信號(hào)，從傳感器得到的信號(hào)如下式所示[23]：

　　ec 是共模干擾電壓、ed 是串模干擾電壓、ez 是直流極化電壓。其中正交干擾和同相干擾是由于磁場(chǎng)的突變引起的主要干擾源，共模和串模干擾是由于電磁干擾和靜電干擾產(chǎn)生的次要干擾源，可以通過(guò)靜電屏蔽和接地加以抑止，極化電壓是直流極化現(xiàn)象產(chǎn)生的，可通過(guò)提高勵(lì)磁頻率消除[24]。電磁流量計(jì)采用低頻矩形波勵(lì)磁能很好消除直流極化現(xiàn)象，在低頻矩形波的上升沿和下降沿，當(dāng)勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)候再進(jìn)行信號(hào)采樣，能消除部分正交干擾電壓? [25] ，但是信號(hào)處理的時(shí)間較長(zhǎng)。
　　由于傳感器得到的信號(hào)非常微弱并且?guī)в泻芏喔蓴_，所以信號(hào)處理電路必須有放大以及抑制噪聲和干擾的功能，圖 3-15 表示信號(hào)處理電路的組成部分。

電磁流量傳感器的內(nèi)阻很大，傳感器和轉(zhuǎn)換器的等效電路如圖 3-13 所示，

　　圖中 e 是傳感器產(chǎn)生的流量電勢(shì)信號(hào)，r 是傳感器內(nèi)阻，RL是轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，eX是轉(zhuǎn)換器得到的流量電勢(shì)信號(hào)，根據(jù)歐姆定律可知：

　　從上式可以得知RL》r ，所以要使信號(hào)足夠精確，轉(zhuǎn)換器必須有很高的輸入阻抗[2]。
　　從傳感器出來(lái)是非常微弱且?guī)в懈蓴_的信號(hào)，信號(hào)預(yù)處理是首先去除信號(hào)中的高頻信號(hào)，然后再用放大器將信號(hào)放大，同時(shí)放大器能很好地抑制共模干擾，經(jīng)過(guò)前面的處理之后，信號(hào)中還會(huì)有部分干擾噪聲，無(wú)法直接檢測(cè)得到，濾波器的主要作用是去除剩余部分的干擾和噪聲，得到模數(shù)轉(zhuǎn)換能直接識(shí)別的信號(hào)，然后傳輸給單片機(jī)控制。
3.3 激勵(lì)電壓電路
　　非滿管電磁流量計(jì)以電容式傳感器為基本原理，向激勵(lì)電極通入高頻電壓以形成電容式傳感器，激勵(lì)電壓電路框圖如圖 3-14 所示。

　　由于激勵(lì)電極安裝在測(cè)量管和襯里之間，激勵(lì)電壓電路在工作的過(guò)程中需要一定大小的高頻電壓用以擊穿襯里材料，所以采用變壓器以得到不同大小的擊穿電壓值，工控板用來(lái)控制整個(gè)激勵(lì)電路。
4小結(jié)
　　　非滿管電磁流量計(jì)重點(diǎn)介紹了一種新的非滿管電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是以電容式傳感器為基本原理，利用電容和液位的高度關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)分析了非滿管電磁流量計(jì)基本的工作原理、簡(jiǎn)要介紹了流量信號(hào)的處理方法，為后面實(shí)驗(yàn)方案及裝置的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

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