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現在電磁流量計國內外研究發展
發布日期:2017-5-15 14:32:52
現在電磁流量計國內外研究發展
  在發現電磁感應定律的第二年(1832年),法拉第以橫貫地球磁場的泰晤士河水作為連續導體,在滑鐵盧橋的兩岸懸垂金屬電極,他試圖以測量電極間所產生的電動勢的方法來測量流速。然而,在當時的測量技術條件下,因為沒有高輸入阻抗的毫伏計【51,當然,也因信號太弱,極化電壓太大等原因導致測量失敗。后來,美國的柯林(A.Kolin)用交流磁場成功地測量了血液流動的情況。第二次世界大戰后,電磁流量計就作為工業上的測量儀表而實用。隨著可放大微弱信號的電子技術的發展,1960年,商用的頻率交流勵磁方式的技術差不多成熟了,它在過程計量測試中就成了基本的測量方法之一。制作的流量計口徑也從2毫米到2米以上【51。
  與此同時,研究人員也研究了血液流量計,并開展了對測量原子反應堆的冷卻物質(液態鈉)所用的電磁流量計的研究。進入七十年代后,為了實現電磁流量轉換器的小型化,而采用了不均勻的磁場。同時,為了改善信噪比應用了低頻方波勵磁的方式或具有電容禍合型電極的電磁流量計。
   1975年,制定了“用電磁流量計測量流量的方法”,這一規定雖然主要是以工業測量作為測量對象,但也意味著確立了以電磁流量計作為這一范圍內的基本流量測量法【16】。
   另外,據世界最大的百科全書(r兀(www.answers.corn)介紹,電極的電化學和其他作用使得測量感應電動勢上下漂移,因而,測量感應電動勢很困難。為此, 常常將磁場翻轉,以消除靜態電勢差,這也阻礙了用永磁體勵磁設計電磁流量計。目前,國內外對永磁式電磁流量計的研究報道十分有限,該方法的實際應用也僅局限于液體金屬的測量。恒磁式電磁流量計的相關研究也僅在中國專利【181 (永磁式勵磁電磁流量計)和日本的專利[19】(電磁流量計)中有所提及。
   1.3.1液體金屬的測量
    國內外對恒磁式電磁流量計的研究較少,其應用范圍也十分有限,已有的直流勵磁方法也僅限于原子能工業中,用于測量導電率極高,而又不產生極化效應的液態金屬(例如汞和鈉)的流量[6】,其測量原理如圖1-6所示。圖I-6液態金屬測量原理圖由于除液態金屬外的絕大多數導電流體的內阻都很大,測量過程中很容易產生極化電壓,直流勵磁的方法目前對其他導電液體的測量不適用。
   1.3.2恒磁式勵磁電磁流量計
  一、浙江大學專利
  2004年浙江大學公布了一項永磁式勵磁電磁流量計專利‘18】,其結構和原理如圖1.7所示?!?電圖1.7永磁式勵磁電磁流量計結構示意圖兩個電極分別相向對稱安裝在管道內壁上,兩塊永磁體對稱安裝在管道外, 永磁體產生的磁場方向、導電流量流速方向以及電極連線方向兩兩垂直。流量信號由電極采集,進入前置放大器部分完成阻抗匹配和差分放大,得到的信號送入信號處理部分,由信號處理部分完成信號調理,處理好的信號最終送入微處理器部分,由微處理器部分完成流量的計算,流量值送入顯示部分完成流量的顯示。微處理器控制切換器的輸入輸出電壓方向和數值,微處理器給電極施加交變電場和從電極采集流量信號的時序如圖1.8所示。非采樣時問內,切換器使兩個電極的引出線x,Y分別與微處理器部分輸入端x1,Yl導通,從而在兩個電極上施加由微處理器控制的交變電場;采樣時間內,切換器使兩個電極的引出線x, Y分別與前置放大部分的輸入端x2,Y2導通,從而撤消在電極上施加的交變電場,并從電極上采集流量信號,然后經過微處理器進行后續處理。圖1.8兩個電極信號的控制時序注:P:在流體中加正向電場;S:采樣流量信號;N:在流體中加負向電場非采樣時間內快速變化的交變電場可以抑制傳統直流勵磁測量非金屬流體時產生的嚴重的極化現象,采樣時間內永磁式勵磁可以避免交流電磁場的干擾, 從理論上分析,該方法設計的電磁流量計結構簡單,可以在勵磁模塊零功耗的條件下有效地反應流量。
    但是,該方法是先施加固定的交變電場抑制電極極化,然后再采樣流量信號。施加交變電場僅僅是相當于在極化電壓的基礎上施加了一個交流信號,并沒有針對極化電壓采取相應的抑制措施,沒有充分考慮到電極上電勢總體不平衡對流量信號的影響。
    而且,我們前期就該專利提出的方法做過類似的實驗,但是實驗結果表明該方法不能有效測量流速,該專利僅僅提出了一個類似于電導率儀的設計方法。電導率測量儀如果用直流供電會出現電解現象,產生極化f191。這樣給測量帶來誤差,影響測量結果。所以,實際應用中,為了避免產生極化現象,電導率測量儀不用直流供電,而是用交流供電,且供電頻率盡量高些(比如lkHz)。這樣,由于兩極電位交替改變,使得電極來不及電解或者至少能大大減弱電解作用。正反向間隔施加電場并不能有效地抑制極化現象,因為直流極化電壓的隨機性很大,施加交變電場僅僅相當于在已有的直流極化電壓基礎上疊加了一個交流電壓,施加的電場正反方向幅值是恒定不變的,并不是定量有針對性地抑制極化, 沒有考慮極化電壓的大小和極性。因而,極化電壓始終存在,并沒有被抑制掉, 流量信號仍然被淹沒在極化電壓中,不能反應出流速。并不能真正實現測量。
   二、日本專利
    1997年,日本的HATAKE RIICHI申請了電磁流量計的專利‘191,其傳感器結構示意圖如圖1-9的(a)和(b)所示。步進電機(a) (b) 圖1-9永磁體勵磁的傳感器結構示意圖為了減小系統的功耗,在測量管道的外壁放置一塊永磁體(如圖a),也可用兩塊旋轉方向相反的永磁體(如圖b),該永磁體可在驅動裝置(如步進電機) 的作用下旋轉,因而磁場方向是交替變化的。兩個電極的空間直線連線方向、磁場方向和流速方向三者兩兩垂直,因為不會在電極表面產生極化現象,流速可以準確測量。另外,由于采用非常低功耗的步進電機,整個電磁流量計的功耗可大大降低。該方法的特點在于旋轉永磁體,以得到相反方向的磁場。但是,從本質上講,本專利的設計思想和采用通電線圈的正反勵磁方式以消除極化的原理相同。沒有實質性的變化。而且,用電機驅動永磁體旋轉運動,電磁流量計的整體能量消耗很大,功耗并未大大減小。


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