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电磁流量计励磁方式及其特点


    在电磁流量计中,传感器的工作磁场是由励磁系统产生的。本节将讨论励磁系统的结构、各种励磁方式和它们的特点、系统的等效电路与磁路分析。
一、励磁方式及其特点
    励磁方式决定着电磁流量什的抗干扰能力大小和零点稳定性能的好坏。因此可以说,电磁流量计的发展历史与励磁方式的演变过程关系密切,不同的励磁方式代表着不同时代的特征和技术进步。从法拉第的时代开始利用地磁场测量泰晤士河水流速,到今天低频矩形波、双频、可编程脉宽等智能化控制励磁方式的出现,使电磁流量计不断成熟、不断完善,成为流量测量仪表中重要的品种之一。图3-3列出了各种励磁方式,本节将就这些励磁方式与特点分别讨论。

电磁流量计


1.直流励磁
   这里所说的直流励磁,包括用永磁铁的恒定磁场和由直流电流励磁的恒定磁场。按式(2一2)所示,这种流量计感应的流量信号是直流电压信号。用式(2一3)解释,直流电压信号的角频率ω=0几乎没有电磁感应的干扰产生.这是它们大的优点。
    但是,使用直流磁场所感应的是直流信号电压.它容易使流过管内的电解质液体极化,电极上得到的是极化电压与信号电压叠加在一起的合成信号。这种合成信号用转换放大器很难将流量信号从中分离。同时.极化电压又是温度的函数,信号随温度变化发生漂移,造成测量的不稳定。再者.直流电压的存在.如图3-4所示,会导致测量管内的电解质液体的正离子向负电极移动,负离子向正电极移动。随着时间的延长,电极处取集的离子层不断地加厚.阻碍了导电离子的继续移动.形成中间离子密度小的“空腔’,从而引起电极间的内阻增大,影晌仪表的正常工作。

电磁流量计


    因为液态金属的导电是电子导电,受到感应的直流电压形成的电场作用.液态金属中的电子向一个方向流动,不存在电解质液体的极化问题.不会有中间“空腔”的现象。相反,如果使用交流励磁,测量管内的液态金属会在交流磁场下产生强烈的感应涡电流,并引起“集肤效应”。这一效应不仅会使传感器的内阻增大,而且感应的涡电流产生较强的二次磁通。前面一章曾有过说明.二次磁通使工作磁场扭曲而发生畸变,影响正常的测量工作。使用直流磁场.涡电流几乎为零,上述交流磁场的祸电流感应问题就不存在了。这就是测量电导率很高而又不能电解的液体金属,例如常温的汞、高温的钠、铋等导电液体要使用直流磁场的电磁流量计的原因。
    直流磁场感应的电势是直流电压,需要使用直流放大器。由于受温度变化的影响大.放大转换直流电压信号要比放大交流电压信号更加困难。所以.直流磁场只是在特殊的液态金属测量的场合下使用很强的永磁磁场,感应较大的信号不用放大,可直接应用电位差计进行测量。
2. 交流励磁   
    交流励磁通常是指使用50Hz(或60Hz)正弦波的工频市电励磁的传感器。这种励磁方式重要的优点是能降低电解质液体对电极的极化作用.因而大大地降低漂移的直流干扰对测量的影响。其次,交流励磁电源简单,直接使用市电供电产生工作磁场。一般传感器的磁感应强度可以设计得较高,因而有较大的信号电动势产生(如lmV每1m/s).具有较高的信噪比,可以得到较高的测量准确度。同时,励磁频率高,测量反应迅速,适于测量浆液和脉动流。因此,20世纪50一80年代,商品化的电磁流量计是以这种励磁方式为主体。
    交流励磁大的缺点是由于电磁感应造成的正交干扰、同相干扰,如图3一5所示。它们影响着流量计测量线性度和零点的稳定性。对于这些干扰产生的原因,后面将要详细地讨论。其次,由于交流励磁的电磁感应,磁路、测量管和流体将产生涡流损失和滋滞损失,增大仪表的功率损耗。

电磁流量计


    尽管如此.即使20世纪80年代以后低频矩形波励磁逐步取代交流励磁方式已成为主流,在测量固、液双相的浆液流体时,由于交流励磁的频率较高,固体擦过电极表面所产生的浆液噪声(一种直流极化电压)较小.,输出信号的摆动幅度低。因此,新型的交流励磁方式电磁流量计仍出现在市场上。
3.低频矩形波励磁
    这种励磁方式是目前电磁流量计的主流。图3一6表示低频矩形波励磁的信号与干扰的波形。式(2-3)的表达式可以看出,使用交流励磁的电磁流量传感器产生的正交干扰的大小与频率成正比,而影响零点的同相干扰与频率的平方成正比。显然,低频磁场有利于降低正交干扰和同相干扰。又因为矩形波的dφ/dt仅发生在波形转换过渡过程期间,如果转换过程时间比较短(这段时间的感应电势称为微分干扰),磁感应强度在两个不同极性的大部分时间幅度是稳定的。因此,如图3一6所示,应用不同的时序。由矩形波的后沿向前采样的时间为流量信号为50Hz的一个周期。这段时间处于波形的稳定时段,因而很容易把由波形前沿产生的微分干扰切除掉。没有了正交干扰也就没有同相干扰,零点也就稳定了。同时,50Hz的一个周期的采样时间内,电极信号中混人的50Hz串模干扰在采样时间内的正负面积相等,干扰平均值为零,采样的串模干扰得以抵消。所以,低频矩形波励磁具有能够克服直流励磁存在极化电压大的优点,又有避免交流励磁存在电磁感应干扰引起正交干扰和同相干扰的优点,是兼顾直流励磁和交流励磁两者优点的一种励磁方式。

电磁流量计


    在低频矩形波励磁方式中,还有一个被称作“三值波励磁”的方法。其波形如图3一7所示。从图中可以看到,在这种励磁方法的一个周期中有两部分时间的磁场处于零状态。这样比较利于经常对信号的零点进行检查和自校。当然,相对于“两值波”励磁,三值波的励磁电路是要复杂一些。因此,目前世界上仍然是以两值波励磁方式为多数。

电磁流量计


    在流量测量中,流量计对流量脉动变化的响应快慢,是反应其灵敏度的一个重要特性,它对于脉动流量的测量和短时间内总量计量非常重要。比如在食品工业中饮料、酒类定量灌装,要求反应速度要快于0.2s。流量计的反应速度取决于短的阻尼时间。一般阻尼时间是一个RC积分环节。从数学上我们知道,一要满足0.1%以上的测量精度,工作频率应该比仪表反应的速度高一个数量级。譬如反应速度0.2s,工作周期应该为0.02s,即磁场的工作频率应为50Hz。显然,低频矩形波励磁零点稳定性变好了,但是牺牲了电磁流量计测量的响应速度快的特点,成为低频矩形波励磁的一个缺点。
    实践表明,低频矩形波励磁电磁流量计在浆液性流体测量时,会有一种波动较大的干扰产生。我们称为“浆液噪声”或“尖状干扰”。这种干扰使得测量的输出大福度波动,影响读数。理论与实践证明这种干扰与励磁频率成反比例关系。有关这样问题我们将在两相流测量和信号特征部分进行讨论。这里说的是,低频矩形波励磁中出现的“浆液噪声”是低频矩形波励磁电磁流量计的一个新的研究课题。
4.高频矩形波励磁与可编程脉宽矩形波励磁
    的电磁流量计制造企业,针对浆液流体测量和高速响应性,应用的半导体元器件和单片计算机技术,研制各种相对于低频(1/8一1/32工频)的高频矩形波励磁(通常在100Hz左右,医学上测量人体的血液流量计高达400Hz)和可编程脉宽励磁的电磁流量计,并利用单片计算机的存贮和运算功能,从数据采集与软件上做尖状干扰处理,以改善浆液测量和高速响应性的性能。
    高频矩形波励磁和可编程脉宽励磁电磁流计可能失掉一些低频矩形波励磁零点稳定的特性,只能是一种适合特定场合应用的流量计。同时,由于高频励磁可能引起传感器磁路的涡流损失和磁滞损失增加,磁路结构与应用的磁性材料比低频矩形波励磁要求高一些。
5. 双频励磁
    图3一8所示的双频励磁方式是日本横河电机公司研究开发的一种高、低频矩形波调制波的励磁方式。所采用的励磁频率为:低频是6.25Hz,它有助于提高零点的稳定性;高频是75Hz,高频励磁大幅度降低了浆液对电极产生的极化电压,减弱了测量输出的抖动。提高了测量的响应速度。因此,双频励磁既有稳定零点和高精度的测量的优点,又有很强的抗“浆液噪声”能力,反应速度快等优点,是低频矩形波励磁和高频励磁的结合。

电磁流量计


    除此以外,还有一种是两个高低频率脉冲串的双频励磁方式。与单独的低频矩形波励磁相比,双频励磁传感器的设计与制造要与高频励磁一样注意高频磁路的涡流损失和磁滞损失问题。双频励磁传感器存在一个低频系数和一个高频系数两个仪表系数,因此转换器调整时,求得两个系数相对于一个仪表系数要麻烦一些。
    从上面叙述可以看到,励磁方式的研究对于电磁流量计的应用与发展显得非常重要。随着技术的进步,也许不久的将来还会有更、更完美的励磁方式出现。

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