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涡街流量计

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电磁涡街流量计的一次仪表结构组成与原理图文分析

来源:作者:发表时间:2018-04-11 09:12:57

 摘 要:针对应力式涡街流量计易受现场振动影响的问题,研究采用电磁方式检测漩涡频率,拟从根本上消除现场振动干扰的影响,确保测量的可靠性。采用谐波信号分析电磁涡街流量计的工作原理,提出采用频谱分析方法处理传感器输出信号,针对永磁场下的水信号的特点研制调理电路和基于 DSP 的信号处理系统,进行电路测试和水流量标定实验。实验结果表明,电磁涡街流量计具有抗振动干扰的功能,在测量水流量时,测量准确度优于 0. 5 级,且量程比高达 30∶ 1。

 
引 言
电磁涡街流量计是一种基于卡门涡街原理和电磁感应原理工作的流量仪表,具有结构简单牢靠,压力损失小,使用寿命长等诸多特点。电磁涡街流量计采用电磁的方法检测沿管道方向流动的漩涡切割磁场时感应出的电动势,通过一定的信号处理方法,计算出流量信息。与涡街流量计相比,其不受管道振动和周边振动源的干扰[1-8] ,测量可靠性高 [9] ,且测量准确度更高;与电磁流量计相比,其一次仪表输出信号为频率与流量相关的谐波信号,信号处理难度大大降低,无零点漂移[10-11] ,且采用永磁铁提供恒定磁场,可以大大降低仪表消耗的电能。
 
国内外学者从不同的角度研究规律的漩涡流过恒定磁场时发生的电磁现象,并设计一次仪表,以检测与流量相关的电磁信号。文献[12]利用漩涡流过恒定磁场时会感应出二次磁场的原理,采用线圈耦合二次磁场并转换成电信号,通过处理电信号,实现流量测量。但是,该检测方法主要用于检测导电率较大的金属液体,无法测量低电导率的流体,如水等。文献[13]利用相邻两个旋向相反的漩涡流过恒定磁场产生的感应电动势极性相反的原理,在两个相邻漩涡中心各插入一个检测电极,用于检测两个漩涡中心的电位差,实现流量测量。但是,这种方法要获得最大的信号幅值,需保证位于磁场内的两个电极之间为距离刚好等于两个旋向相反的漩涡之间的距离,而不同流速,两个旋向相反的漩涡之间的距离不同,导致实施较困难。文献[14]研究了一种采用两对插入到管道中心的电极检测涡流信号,把一对电极置于漩涡发生体后面的磁场内,用于测量漩涡流过恒定磁场的电位,把另一对电极置于漩涡发生体两侧的磁场外,用于测量参考电位,并利用两对电极的电位差反映流量信息。该方法采用电极数目多,且要求 4 个电极要严格位于同一个平面内,结构和制作都比较复杂。文献[15]根据流过漩涡发生体的流体会使插入到管道中心的电极产生振动而切割磁场产生感生电动势的原理测量流量。但是,实验结果表明,该检测方法测量的准确度仅为1%,量程比仅为7∶1。
 
国内外文献均没有具体介绍如何把微弱的谐波信号幅值调理到可处理的范围,而有效提取谐波信号是研制电磁涡街流量计的一个难点。在测量水时,由于电磁涡街流量计采用恒定磁场的励磁方式,所以,谐波信号会被叠加幅值达数百毫伏的极化噪声,而单位流速对应的谐波信号幅值仅为数十微伏,远远小于噪声信号幅值。
 
为此,本文研制一种制造工艺更成熟、测量准确度更高、量程比更宽的电磁涡街流量计。根据沿管道流动的漩涡与恒定磁场相互作用的机理设计一次仪表,研究电磁涡街流量计的工作原理,设计提取微弱谐波信号的调理电路,根据信号特点提出信号处理方法,研制基于DSP 的信号处理系统,并进行实验验证。
 
1 一次仪表分析
1.1 结构组成
电磁涡街流量计的一次仪表主要由漩涡发生体、产生恒定磁场的永久磁铁(本文样机使用励磁线圈代替)、衬里、电极和壳体组成,其结构如图 1 所示。漩涡发生体的形状采用普通涡街流量计所用的梯柱体形结构,位于磁场之外,处于磁场上游。一次仪表工作的磁场是恒定磁场,而样机使用励磁线圈通恒定电流产生恒定磁场模拟永久磁铁。衬里起绝缘作用,防止感应出的信号电压被金属壳体短路。电极采用当前普通电磁流量计所用的附着式电极,工艺比较成熟,结构更牢固,由参考电极和工作电极组成,其中,参考电极位于漩涡发生体上游的磁场外,工作电极位于漩涡发生体下游的磁场内。参考电极和工作电极配合工作,采集流动的漩涡与恒定磁场相互作用时产生的电动势信号。电极的轴线、导电液态流向和磁场方向两两垂直;漩涡发生体的轴线与磁场方向平行。
一次仪表结构组成
1.2 工作原理
在管道雷诺数 Re 达到一定数值的情况下,流过非流线型柱体的流体因边界层的不稳定性,很容易发生分离而形成具有一定规律性的漩涡。于是,随着流体的连续运动,在漩涡发生体两侧形成了交替的、方向相反的、有规律的漩涡列[16] ,如图 2 所示。当两列漩涡距离为 h,与两个漩涡间距 l 满足[17]h/l =0. 280 6。
漩涡形成和分布
当在漩涡所在的区域加上恒定磁场时,流动的漩涡切割磁场会引起电荷转移的现象,如图 3 所示。沿漩涡发生体的轴向看,漩涡可以看成是无数个封闭的圆环组成,且组成同一个漩涡的所有圆环旋转方向相同。因此,当磁场方向垂直于纸面向里时,运动轨迹如图 3 所示圆环上的带电粒子受洛伦兹力的作用,转移方向如图 3 箭头所示,其中,实心箭头表示带正电粒子的转移方向,空心箭头表示带负电粒子的转移方向。可见,流动的漩涡和磁场配合实现了搬运带电粒子功能。
磁场中漩涡引起的带电粒子转移方向
参考电极和工作电极配合工作,可以检测由带电粒子的转移而引起的电位变化。电位的变化主要受与其较近的一列漩涡的影响。当漩涡的中心刚好位于工作电极的正下方时,导电液体中带负电的粒子向工作电极所在的位置转移,而带正电的粒子向远离工作电极的方向运动,此时,工作电极的电位处于谐波信号的最低点,如图4 所示。之后,随着漩涡沿管道方向的运动,谐波信号逐渐增大。当两个相邻漩涡中心的连线的中点刚好位于工作电极的正下方时,导电液体中带正电的粒子向工作电极所在的位置转移,而带负电的粒子向远离工作电极的方向运动,此时,工作电极的电位处于谐波信号的最高点,如图 5 所示。之后,随着漩涡沿管道方向的运动,谐波信号又逐渐减小。因此,工作电极和参考电极配合工作,便可拾取沿管道运动的漩涡因切割磁场而产生的谐波信号。
谐波信号最小时的情况谐波信号最大时的情况