电磁流量计的干标定原理及实现方法
发布日期:2019-03-12 14:04
电磁流量计作为一种高性能液体流量计量仪表,具有测量精度高、量程宽、无压损和适合于大口径计量等独有优势,其测量不受流体的密度、粘度、温度、压力以及一定范围内的电导率变化的影响,测量介质可以是粘性介质、浆液、悬浮液甚至多相流。经过近一个世纪的发展,目前电磁流量计产品的计量精度已达到±05%甚至更高,口径范围由3mm到4000mm2,其中直径1m以上的大口径电磁流量计产品通常是高性能大口径液体流量计产品的佳选。在水利工程、市政建设和环境保护等领域中,这样的大口径电磁流量计具有很广泛的应用。
目前,电磁流量计普遍采用实流标定,标定精度一般为±0.2%。该标定方法的ZUI大优点为可通过调整仪表内部设定系数来修正由于制造一致性差而引入的误差,从而降低对产品制造一致性的要求,因此被绝大多数电磁流量计厂家采用。但实流标定存在两个缺陷:①大口径流量计实流标定装置制造价格昂贵,标定成本高。如:实流标定1.2m口径的仪表,需要250kW的水泵连续提供约15ts的流量,标定时间约2~4h,标定装置造价约300万英镑3。②实流标定装置所产生的流场通常为理想流场,而多数工业现场工况复杂,流量计上、下游直管段长度往往难以达到要求,从而使流量计的实际使用误差远远大于实流标定装置上所测出的误差。正因如此,许多科学家热衷于研究权重磁场分布的电磁流量计,以期实现流速分布对测量精度的影响为零。此外,现有实流标定装置的测量介质大多为水,因此很难利用现有的实流标定装置对多相流、浆液、粘性介质等非常规介质进行标定,在这类实流标定装置上进行模拟各种现场工况的流体运动学和动力学特性研究也十分困难基于以上原因,流量计干标定技术作为一种无需实际流体便可实现流量计标定的技术,一直被业界所推崇。超声波流量计、差压式流量计、涡街流量计、电磁流量计因其测量原理可追溯性好,被认为是四种最适合干标定的流量计。但因干标定技术对相应流量计产品的一致性要求较高,只有少数发达工业国家开展了相应研究。目前,某国已成功实现涡街流量计干标定技术的工业化应用,并建立了相应的工业标准《涡流流量计一流量测定方法》。在电磁流量计领域,英国、俄罗斯两国的产品一致性较好,因此其干标定方法研究也较为先进,其中俄罗斯已成功实现电磁流量计干标定技术的工业化应用。我国在涡街流量计干标定技术上做过探索重庆工业自动化仪表研究所于1990年发布了《涡街流量计干标定研究工作报告》向,是我国在此领域取得的宝贵成果。改革开放以来,我国的电磁流量计产业得到了很好的发展,电磁流量计厂家已从20世纪80年代的4家发展到目前的30多家2,电磁流量计技术水平已接近发达国家,制造水平的提高使不少厂家的产品一致性得到了本质性的改善。因此,开展电磁流量计干标定技术推广与应用的时机已经成熟。
本文通过分析电磁流量计的测量原理,阐明电磁流量计干标定的原理及困扰其实现工业化应用的关键技术,分析解决这一关键技术的有效途径及基于这一思想的两种实现方法。
1.电磁流量计干标定原理及关键技术
1.1电磁流量计测量原理
电磁流量计测量原理如图1所示,管道内流动的导电液体切割磁力线,将在两端电极间产生电势差ΔU,ΔU与磁通量密度B、液体流速ν符合弗来明右手定则。只要管道内部流场理想、磁场稳定,△U的大小与管道内介质平均流速成严格的线性关系,从而通过测量ΔU的大小可确定管道内介质流量。
电磁流量计由一次传感器及二次仪表组成,二次仪表为一次传感器提供励磁电流,以通过一次传感器内的励磁线圈建立测量所需的磁场。一次传感器将介质实际流量转换为电极间电势差,由二次仪表将电极间电势差转换为显示流量。
 
2.干标定有效途径及两种实现方法
为了准确地获取有效区域内各点磁场信息,逐点测量的方式显然行不通。目前解决此关键技术的有效方法为:利用电磁流量计磁场的交变特性,通过测量电磁感应所产生的其他物理量间接获取电磁流量计有效区域内的磁场信息。这样,无需直接测取电磁流量计内部磁场,甚至无需求解体权重函数W便可实现电磁流量计的干标定。英国HEMP,提出的涡电场测量法与俄罗斯VELT71提出的面权重函数法正是基于这种思想:前者通过检测由磁场交变产生的涡电场强度获取磁场信息,实现电磁流量计一次传感器转换系数的测量,无需测量有效区域内各点磁通量密度B与体权重函数W;后者利用按面权重函数等值线绕制的感应线圈与电磁流量计励磁线圈的互感效应获取磁场信息,实现电磁流量计一次传感器转换系数的测量,无需测量有效区域内各点磁通量密度。
2.1涡电场测量法
2.1.1测量原理
涡电场法的理论基础为:电磁流量计测量过程中,交变的磁场将伴随产生涡电场,该电场不受流速分布的影响,通过测量电磁流量计电极所在位置涡电场强度测取一次传感器转换系数。当一次传感器管段内速度分布平坦时,对于正弦信号励磁磁场的一次传感器,有效区域内任意点的速度v、电势U以及涡电场强度在管段轴向方向的分量Ez具有如式,所示关系,对于矩形脉冲信号励磁磁场则如式所示向
由于目前电磁流量计普遍采用矩形脉冲信号励磁,本文只针对矩形脉冲信号励磁磁场展开讨论。基于以上理论,若将电磁流量计一次传感器如图2所示竖立放置,管段内充满被测介质(例如水),磁场交变时水中也将产生一个涡电场

若在流量计两电极处各放入一个传感器,每个传感器由绝缘衬底及一对电极组成,每对电极间距离为δ,则传感器电极间将产生电势差E1、E2,如式)、(8)所示1 aUE1=E6=-6E2=EnsaU,式中U1,U2传感器所在位置,即流量计电极所在位置的电势Ez1,E2传感器所在位置,即流量计电极所在位置的涡电场强度磁通量密度B、流量计电极间电势差△U及涡电场传感器电极间电压E1、E2的信号示意图如图3所示
为了去除低频噪声信号的影响,二次仪表常测取(△U1-△U2)(△U2△U3)转换为显示流量,而非简单地测取(△U1-△U2)或△U1,因此一次传感器的转换系数Kp如式所示
kn=(△U1-△U2)-(△U2-△U3)(9)D-y
式中△Uh1正半周期上测量时刻为t1时,流量计电极间电势差
△U2负半周期上测量时刻为t2时,流量计电极间电势差
△U3正半周期上测量时刻为t3时,流量计电极间电势差
ν—介质平坦流速
D—测量管段内径
(10)
联立式(7)~(9)便可得到由涡电场传感器电极间输出电压E1、E2获得的电磁流量计一次传感器转换系数Kp1的计算式,如式(10)
从式(10)不难发现,只要测取测量管段内径并对传感器引出的电压信号进行积分便可得到一次传感器的转换系数,从而实现电磁流量计一次传感器的干标定。
2.1.2技术特点
涡电场检测法可在无需求解复杂的体权重函数,且无需逐点检测有效区域内各点磁通量密度的情况下,实现电磁流量计一次传感器的干标定。需测量参数相对较少,主要误差源为:①由于传感器电极间距离δ无法做到无穷小,而涡电场强度在管段轴方面的分量Ez沿着管段轴方向并非处处相等,因此将引入误差。②传感器电极本身的轴向宽度将增加电极间距离δ的不确定性,加大δ所引入的误差。③传感器厚度引入的误差。④传感器电极及引线等构成回路引入噪声磁通而带来的误差。根据HEMP的理论计算,对以上误差源进行理论修正后,此方法的基本误差可做到小于±0,2%,符合干标定的精度要求。
此方法理论模型基于一次传感器管段内速度分布平坦的假设,而无法对非理想流场情况下的一次传感器精度进行检测。但在实流标定装置中,由于有上、下游直管段的保证,一次传感器管段内的流场为完全发展,速度分布趋于平坦,大口径电磁流量计在理想状态下的速度分布更是如此。因此此方法可避免实流标定装置的高成本,降低大口径电磁流量计的标定成本,但无法克服实流标定的第二个缺点。此外,在标定对象为小口径电磁流量计时,由于传感器及其电极尺寸的限制,测量精度将难以保证,因此此方法只适用于较大口径电磁流量计。
2.2面权重函数法
2.2.1测量原理
面权重函数法的理论基础是:按照电磁流量计一次传感器有效区域内的某一表面磁场的分布特性来恢复整个有效区域内空间磁场的特性因电磁流量计的测量通道内除励磁线圈产生的磁场外没有其他外界磁场源,因此磁场可由标量磁势来描述,可用通道表面上的标量磁位势单值地确定整个有效区域内的标量磁位势。在半径为r的通道内定义圆柱坐标系如下:一次传感器通道中心轴为z坐标,半径方向为p坐标,以电极所在位置为起点逆时针方向为6坐标,电极所在位置坐标为(z=0;p=r;0=±丌)相应地,电极间电势差△U可用式来表示
式中Ln—Bee函数
L -Bessel函数导数
G—Gren函数
v2—流速ν在z坐标方向上的分量
流速ν在p坐标方向上的分量
ve—流速ν在θ坐标方向上的分量
从式(12)不难看出,面权重函数W(z,0)除了与体权重函数一样由几何位置、管道结构、电极距离与尺寸决定外,还包含了各点的流速分布信息。我国从俄罗斯引进的“ POTOK”装置中,Wn(z,O)被用于按其等值线绕制线圈作为一次传感器干标定所用的MFC传感器。按照其操作手册,测量时以电极所在位置为参考点,将MFC传感器对称地放入通道中,如图4所示。
由于流量计励磁线圈与MFC传感器中线圈的互感作用,流量计磁场交变时,MFC传感器将有电压信号输出,如图5所示
图5中MFC传感器输出信号Uou与一次传感器转换系数存在如下关系
式中K—修正系数,式(14)中的积分运算由辅助电路完成,修正系数K可通过干湿标定对比试验获得,即以N(具体数值由产品一致性决定)台已经过实流标定的一次传感器为样本进行干标定,通过实流标定数据与干标定数据的对比,获取干标定所需K的确切值。经过对比试验修正后的干标定装置可用于对与样本同口径的其他一次传感器进行干标定。
 
3.结论
相对于目前普遍应用的实流标定技术,干标定技术在降低成本、模拟不同流场和介质方面具有独特的优势,工业化应用前景广阔。如何准确地获取有效区域内各点磁场信息是干标定技术实现工业化应用的关键所在。利用电磁流量计磁场的交变特性,测量电磁感应所产生的其他物理量间接获取电磁流量计有效区域内磁场信息,是实现干标定的有效方法,在此基础上,分析了基于这一方法的涡电场测量法与面权重函数法的测量原理、特点及实现方法。分析表明,涡电场测量法无需求解复杂的体权重函数和逐点检测有效区域内各点的磁通量密度,但它只能模拟速度分布平坦的流场情况,无法对非理想流场情况下的电磁流量计进行标定;面权重函数法可避免逐点检测有效区域内各点的磁通量密度,能实现各种流场环境的模拟,克服了实流标定的两大缺点,但需要用干湿标定对比试验进行修正,对比试验工作量较大。

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