流体在管道内的流动工况广泛存在于能源、动力、石油、冶金以及化工等众多工业领域。速度参数的测量作为工业应用中一个重要的流动参数,对生产过程的优化、流量的测量以及控制都具有重要的实际意义。bob半岛官网入口-bob半岛平台官方网站作为一种基于法拉第电磁感应定律测量导电流体速度的感应式仪表,其测量结果与被测流体的工作压力、温度、密度以及黏度等物理参数无关,而且测量部分没有活动部件和阻碍流体流动的扰动件,具有工作可靠、精度高、压力损失小以及反应灵敏等特点因此在工业生产中得到了广泛的应用。在单相流体参数检测中,电磁流量计一般采用点状电极形式,适用于管道流体速度分布呈轴对称情况,否则会引起测量误差。为降低流速分布对测量结果的影响,可采用弧状电极形式的电磁流量计。为实现管道流体速度参数的检测,并降低流体速度分布对测量结果的影响,笔者设计了基于弧状电极电磁流量计的流体参数测量系统。
图1所示为用于管道流体速度参数测量的弧状电极电磁流量计。流体沿绝缘管道轴线流动;非导磁材料制成的弧状电极内嵌于管道内壁与流体接触;产生均匀磁场的励磁线圈附于管道外壁。由法拉第电磁感应定律可知,当导电流体沿管道内部轴线流动并做切割磁场运动时,流体内部产生感应电动势信号。此时欧姆定律可表示为
式中,j为电流密度;为流体电导率;e为电场强度;为流体运动速度;b为磁感应强度。
由式(1)可知,被测流体的离子不仅受到感应电动势νxb的作用,同时受到与流体接触面上表面电荷产生的电场e的作用因激磁电流角频率很小,则位移电流可以忽略,只考虑传导电流,此时电流密度散度等于0,即
设产生电场e的电势为u,则根据电场与电位的关系有
联立式(1)~式(3),可得电磁流量计测量方程的微分形式为
将式(4)转换为测量方程积分形式,可得
式中,△u为弧状电极之间感应电压;w为权重函数矢量,仅与管道和电极形状有关,当管道和电极形状固定时,权重函数分布为定值;t为流体所在空间。由式(5)可以看出,通过测量弧状电极之间的感应电压,可以得到流体的速度参数。
.2系统结构
2.1感应电压检测模块
电磁流量计感应电压检测模块主要由励磁电路和弧状电极传感器组成,其中励磁电路用来在流体测量区域产生尽量均匀的磁场分布,而内嵌在管道内壁与流体接触的弧状电极传感器则负责拾取带有流体速度参数的感应电压信号。为在流体测量区域产生尽可能均匀的磁场,励磁线圈采用马鞍形线圈。在励磁系统设计中,铁芯可以提供磁通路径,从而改变磁场分布,并加强磁感应强度。同时,为降低铁芯涡流损耗以及增加磁路导磁系数铁芯采用表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠加而成。在铁芯上套上马鞍形线圈即组成励磁系统。直流励磁使得弧状电极拾取的感应电压中存在极化电压信号,而交流励磁则会引起的正交干扰和同相干扰。因此,为克服直流励磁和交流励磁存在的缺点,设计采用在线圈中施加频率∫=6.25hz的低频矩形波励磁方式。励磁电路主要包括ad620和ad711组成的压控电流源电路和三极管9013和9012组成的互补对称推挽型功率放大电路,如图3所示,模拟电压信号由pxi模块的模拟信号输出端给出。
2.2信号处理模块
电极之间的感应电压是非常微弱的交变信号,而且包含各种噪声干扰信号,因此为有效采集感应电压信号,检测信号必须进行信号处理。信号处理模块主要包括等电位屏蔽电路、前置放大电路、滤波电路、可编程放大电路以及釆样保持电路几个部分。为保证外部电磁场不对传输信号的信号线产生干扰,采用屏蔽电缆输出电极上的微弱信号。然而在屏蔽电缆屏蔽层和信号线之间存在着分布电容和分布电阻,其中分布电容一般高于放大器输入电容,分布电阻几乎等于放大器输人电阻,这给信号的检测带来很大的影响。采用等电位驱动屏蔽电缆电路可以避免屏蔽电缆分布电容和分布电阻影响,如图4所示
此时,屏蔽电缆信号线电压等于屏蔽层电压,即屏蔽电缆分布电容和分布电阻上电流为0,不会影响屏蔽电缆信号线上的电极输出信号。前置放大电路将电极之间的微弱信号进行放大处理。当管道流体电导率在10~10°s/m变化时,检测信号内阻范围为十几9到十几mg,因此为提高测量精度,前置放大电路的输入阻抗必须远大于检测信号输出阻抗,即必须具有高输人阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移和非线性度小等特点。按照微弱信号放大器设计原则,前置放大增益不宜设置得太高,否则不利于后级电路对噪声干扰处理。采用低功耗高精度ad620实现微弱信号的前置放大设计,如图5所示
通过调整电阻r1完成即可设置增益范围为1-10000倍的调整。经前置放大电路后,电极之间的电动势由差动信号变为单端信号。因测量电路存在噪声干扰,前置放大电路输出信号中存在直流偏置和基线漂移,同时还存在高频尖峰噪声,因此需采用滤波电路对杂散信号进行抑制。设计采用具有低输入失调电压、低输入偏置电流、高开环增益和高共模抑制比的op07组成二阶压控电压源型高通滤波(截止频率0.034hz)和低通滤波(截止频率72hz)级联电路。滤波电路输出信号幅度较小,因此需经次级放大电路提高增益。设计采用可编程仪表放大器pga202与pga203组成的级联放大电路,如图6所示。
通过控制引脚d3、d2、d1、d0可实现信号1~8000放大倍数的调节,ttl控制电平d3、d2、d1、d0由pxi模块的数字逻辑输出端给出采样保持电路实际是一种模拟信号存储器,其开关通断通过数字指令控制,从而完成输人信号瞬时值的采样及存储。
图7所示为集成芯片lf398组成的采样保持电路,该电路具有采样速度快、保持下降速度慢、抗干扰能力强和不易受温度影响等特点,其逻辑电
平输入与tl相连。当til为高电平时,对输入信号进行采样;当ttl为低电平时,对输入信号进行保持。
2.3 pxi模块
在bob半岛官网入口-bob半岛平台官方网站流体参数测量系统设计中,信号的采集与控制采用pxi模块实现。pxi是由n公司发布的基于pc的测量和自动化平台,结合了pci的电气总线特性、 compactpci的模块化和坚固性及 eurocard机械封装特性,从而成为自动化和测量系统的高性能低成本运载平台。pxi模块通常包括机箱、系统控制器和外设等部分。设计中采用pxi1042q作为主控机箱,pxi8106双核嵌入式控制器作为系统控制器,高速多功能数据采集卡px6251作为外设模块。其中,pⅺi46251可以输出2路16位模拟信号,更新速度为28ms/s;具有24路数字ttl输入/输出控制;可进行16路16位的模拟信号采集,单通道采集频率为1.25ms/s。设计中采用图形化语言labview8.5进行pⅺi模块的设计,主要是输出1路低频方波电压信号、1路数字脉冲信号、多路数字ttl电平信号并完成信号的采集和保存等。
3.实验结果
弧状电极电磁流量计单相流测试实验在水流量标准装置进行。考虑到管道流体流速范围较低,因此采用静态质量法(称重法)以提高测量精度。由于称重器的量程影响称重时间的长短,为保证称重精度,实验
中使称重器工作在满量程的60%以上,并且最短称量时间应大于30s。单相流实验测试平台如图8所示。
流体流经稳压罐后在实验管道获得稳定流量,改变流量调节阀开度可以调节流量大小。开始实验时将换向器置于使流体流入旁通路方向,同时确定称重容器起始质量m。待流量稳定后,启动换向器使流体流入称重器并启动计时器,达到预定时间时,换向器自动转换,流体再次换向到旁通路。设称重器中收集到的流体质量为m,计时器显示的测量时间为t,则称量容器中实际的流体质量:
式中,a为空气浮力修正系数。将质量m,换算为体积:
式中,pn为水的密度。水相真实速度计算公式为
式中,a为管道截面积。
当管道中水相流速在02~2m/s变化时,采用弧状电极电磁流量计流体参数测量系统测得的感应电压与水相速度之间的关系如图9所示。实验结果表明:感应电压△u与水相速度之间存在很好的线性关系,在流体测试中可以通过测量电磁流量计弧状电极之间的电压实现流体流速的测量。
4.结束语
为研究管道中流体速度参数,设计了bob半岛官网入口-bob半岛平台官方网站流体参数测量系统。系统主要包括感应电压检测模块、信号处理模块以及pxi模块3个部分。其中,感应电压检测模块提供了励磁磁场,当流体在管道流过时在弧状电极上得到感应电压;信号处理模块包含了感应电压信号的等电位屏蔽放大滤波以及采样保持等处理;px模块输出1路低频方波电压信号、一路数字脉冲信号、多路数字ttl电平信号并完成信号的采集和保存。通过在水流量标准装置上进行的单相流测试实验表明,弧状电极电磁流量计的感应电压与流体速度之间存在很好的线性关系,从而可以通过测量电极之间的感应电压对流体速度进行计算。
