现有的电磁流量计都是靠通电线圈产生交变磁场,因为电化学及其他因素会在恒定磁场励磁的电磁流量计测量电极上产生严重的极化现象,由此使得随机变化的极化电压全部淹没反映流速的感应电动势,因此,极化电压一直是电磁流量计测量的主要障碍,恒磁式励磁的技术始终是电磁流量计研究的主要难点之一。目前,恒磁励磁的方法仅仅适用于液态金属的测量,研究在恒磁式电磁流量计中如何控制极化电压就显得尤为突出和重要电磁流量计励磁技术随着电磁流量计的发展,其励磁技术主要包括低频励磁、双频励磁和直流励磁三种方式。就恒磁式电磁流量计目前的研究而言,主要难点集中体现在以下几点:
(1)极化电压与电极材料、液体性质有关,且影响感应电动势
(2)直流极化电压随机性大,且远远大于反应流速的感应电动势
(3)实际测量过程中,两电极上叠加了一系列的干扰信号
(4)尽管磁感应强度增大了很多,但与极化电压相比,反应流速的感应电动势仍然非常微弱。
以上众多问题使得从一个较大的无规律随机变化的极化电压中提取出有用的微弱感应电动势十分困难,也是目前电磁流量计研究的难点之一。本文从用永磁体测量流速,从极化电压的角度出发,在参考和借鉴电极结构、极化现象产生机理和双电层理论的基础上,提出了一种有效的动态跟踪极化电压的方法以抑制极化电压,提取出感应电动势,定性反应流速。用本文设计的电磁流量传感器测量极化电压,在满管无流速的情况下,示波器采集的传感器两电极上的极化电压信号。该电压为极化电压,它在200mv左右,测量时间相差40min,它们的变化不稳定且有随机性。用不同的传感器测量,极化电压的幅值和变化情况也全不相同。一般来说,反应流速的感应电动势非常微弱(一般为0.mv/(1m/s))9,它是微伏级的电压。而直流极化电压远远大于反应流速的感应电动势,从图1中可以看出,其数值能达到200mv。电磁流量计实际测量过程中,受实验环境的影响,两个电极上叠加了一系列的干扰信号,极化电压也影响感应电动势。以上种种因素使得直接从较大的随机变化的极化电压中提取出微弱的感应电动势十分困难。
尽管恒磁式电磁流量计得到的反映流速的感应电动势较通电线圈励磁的电磁流量计大很多,但是,极化电压仍然至少比感应电动势大一个数量级以上,因此,要从大的极化电压中提取出较小的感应电动势,极化电压
是有待解决的首要问题。
二、传感器的设计
借鉴现有的线圈励磁的电磁流量计,首先设计采集信号的传感器。线圈励磁是通过给线圈通以恒定的电流,恒定的电流产生恒定的磁场,从而得到电磁流量计测量所需要的磁感应强度,其传感器结构如图2所示,本课
题设计的传感器是在与电极垂直的方向安装两块大磁钢10,从理论上讲,磁钢产生的磁感应强度是均匀恒定的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。差分对比消除极化原理图如图所示。
三、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。
四、动态反馈控制极化电压方法的探索
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,终的目的就是尽量将该偏差控制到零,从而控制极化电压。动态反馈控制极化的工作原理: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,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。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100mv,粗略定性地反应流速变化的效果非常明显。
上文讨论了恒磁式电磁流量计设计中,极化电压的设计与实现方法。各项实验结果都证明了采用这种极化电压励磁的电磁流量计基本符合设计要求,恒磁式电磁流量计的研究将为电磁流量计开拓新的研究空间,有助于实现该技术的实际应用。
