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适于两相流流量测量的传感器

适于两相流流量测量的传感器
    由于电磁流量传感器内无活动部件和阻碍物,非常适合测量固液两相的矿浆、带有纤维状的纸浆、化学纤维浆液以及泥浆等。但是,必须注意测量两相流介质,不仅带来对电磁流量传感器衬里耐磨性的高要求,更重要的是给电极产生的信号带来一些新的问题。

电磁流量计


    1.有铁磁性物质测量
    测量铁矿浆时.随着矿砂浓度不同,会出现不同的测量误差。图3一43是用LD一80A电磁流量计测量铁磁性矿浆流量时的偏差曲线。从图中可以看出,用一般电磁流量计来测量含有铁磁性矿浆流量时,指示值要比实际值高,即产生正偏差。并且,产生的偏差与矿浆的浓度有关,也就是说,与铁磁性的含量有关。当矿浆质量浓度为28%时,最大偏差达+9.8%。下面我们从原理上分析造成测量误差的原因。在讨论电磁流量计的工作原理时,曾经提出过况体,流体介质的磁导率 ц均匀.同真空的磁导率是一样的假定条件,指出流体的磁导率应为ц=ц0=1.257 x 10 -6H/m。这是因为磁导率ц影响着磁路的磁阻,进而影响磁感应强度的大小,其关系如下式:

电磁流量计


    显然磁路介质的磁导率p愈大,磁阻愈低,磁路的磁通愈高,磁感应强度B也愈大。因而同样流速条件下感应的电动势也愈大,这就是含有铁磁性物质流体测量出现正偏差的原因。
   

电磁流量计


    显然磁路介质的磁导率ц愈大,磁阻愈低,磁路的磁通愈高,磁感应强度B也愈大。因而同样流速条件下感应的电动势也愈大,这就是含有铁磁性物质流体测量出现正偏差的原因。
    如图3一43所示,测量误差随铁磁性物质含量的增大而变大。事实上很难用实际测量流体介质来进行流量计的实流标定,也很难用插人系数的方法进行误差的修正。那么,只能从磁感应强度B随磁性物质含量的改变这一规律找方法。利用测量原理的公式(2一5)做除法运算,对磁感应强度B的变化进行补偿,来消除铁磁性物质测量的影响量误差,是一个可行的办法。应用公式(2一5)做除法运算是在传感器除了测量感应流速信号外,同时还增加一个采集磁感应强度的采样信号提供给转换器。这两个信号的比值总是与流速成正比例,这样侧量的流量受铁磁性含量的影响就较小。
    对工作磁场的磁感应强度的采样,有电阻采样、电流互感器采样、电压采样和探测线圈采样等方法。由于涡电流、磁滞以及线圈电感等原因,前面几种方法的采样信号与实际磁感应强度的相位或波形存在一些差别,这些差别不是一个定值,也很难通过调整或修正将相位或波形调回到磁感应强度的实际状况上。因此,不能较好地解决问题。
    如同电压互感器,用少的次级线匝(称探测线圈)可测量交变磁场。探测线圈感应的磁场基准电压包含着磁场频率、幅度、波形的全部信息,只是相位上与磁场固定相差90°(或者说感应线圈得到的是磁感应强度的微分波形)。因此,在转换器运算时,只需要用积分器将磁场基准电压的相位(波形)移90°就恢复过来。所以,作为含有铁磁性物质的矿浆测量,通常采用探测线圈的采样方法较好。
    探测线圈安装在传感器主磁通位置内。在实流标定时,通过分压使同规格各台传感器的磁场基准电压与感应电压的比值在流速为1m/s时保持一个常数,这样能实现传感器与转换器互换配套。探测线圈补偿法的缺点是在传感器与转换器之间多一条传输电缆,转换器多一个积分恢复电路。由于实现互换方便,闭环测量精度高,在交流励磁时代应用探测线圈方案的例子比较多,不仅用于含有铁磁性矿浆,也适用于一般流体测量。

电磁流量计


    2.浆状流体嗓声
电磁流量计测量两相流流体时,常常出现如图3-44那样的输出抖动现象,这就是所谓存在“浆状流体噪声”。应用低频矩形波励磁方式与交流励磁方式比较,最重要的进步在于减小了电磁感应的干扰,增强流量计的零点稳定性,一定程度上改善了直流极化电压的影响。但是,实践表明金属材料的极化电压形成的干扰,如图3一45所示,幅度大小与电极上的信号频率成反比。所以。励磁频率愈低,电极上的直流极化电压也愈高。通常,两电极上的这种极化电压对流体呈共模形式进入转换器,可以被差动放大器所抑制,表现不出来。如果直流极化电压幅度不相等(事实上,直流极化电压是随着温度、流体介质离子分布、流速大小以及电极表面状况而缓慢地漂移、变动),这样共模电压会转化成差模电压,被差动放大器所放大,因而极化电压的输出将影响测量信号。 

电磁流量计

  
    流体中的固体颗粒或纤维摩擦电极会形成一种波形呈尖状的干扰,习惯称作“尖状干扰”,图3一46可以说明这种干扰的形成。金属在电解质中腐蚀的现象告诉我们,电极为了抗拒电解质的腐蚀.往往在与流体开始接触时,其表面先形成一种薄的氧化膜。在形成氧化膜的过程中,金属与电解质之间产生极高的极化电压。如果两电极的材质和表面状态完全相同,金属与电解质之间的极化电压成为极性相同、幅度相等的共模干扰电压。当流体中的固体颗粒或纤维摩擦或撞击电极表而,把电极表面薄层氧化膜拉破或生成划痕.伤破的氧化膜需要重新形成。在重新形成氧化膜的过程中.电极对流体间的极化电压将发生突变。如果两个电极材质、结构、表面状态存在差异,所产生的极化共模干扰变为差模干扰。于是,就出现了流最计测量输出的大幅度波动(摆动)。

           电磁流量计           
图3一46浆液噪声的成因


    从以上分析说明,固液两相流测量问题的解决,需要从励磁频率的选择上去解决。这就是在浆液测量中,除了保留工频50Hz或60Hz励磁频率外,现在还用高频矩形波励磁或双频励磁的原因。
    对于现代的电磁流量计,转换器是智能型的。因此,还可以对通过测量信号中成分的判断,采用粗大误差处理方法.限定“尖状干扰”的幅度,并进行数字滤波来处理,使输出平滑,这种技术称为变化率限制(Ratelinut)技术。图3一47(a)为变化率限制技术软件处理框图:图3-47b))为经变化率限制技术处理后,施加阶跃输人的输出变化;图3一47(c)为经处理的浆液干扰的输出变化。

电磁流量计

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