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汉威电磁流量计
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励磁方法对浆液噪声的影响促进电磁流量计的发展

返回列表发布日期:>2020-01-10 14:50:26    |    

    摘要:在污水处理系统中应用电磁流量计时,不可避免地会因浆液噪声的存在而影响到流量测量的精度等重要指标。大量理论和实验表明,浆液噪声符合 1 / f 特性,通过提高励磁频率可以抑制浆液噪声的大小。但一味地提高励磁频率又会引入微分 干扰、零点漂移等其他问题。从另一个角度探讨了不同励磁方式对浆液噪声的影响,对电磁流量计的发展起到积极作用。

    工业废水通常为含有各种颗粒、杂质和油滴的固液两相流、酸性或碱性的腐蚀性液体或含汞或氰等有毒成分的液体。 被测 液体如冶金废水、纺织印染废水、造纸废水、含氰废水、含汞废 水、砂浆、矿浆等。 这类液体由于具有颗粒性杂质,容易在传感器 电极和衬里壁上结垢,磨损、腐蚀传感器内部构件,且由于输送 管线通常为地下,仪表的维护、管线的检查和清扫较为困难。

    流量计的选型一般考虑以下几个问题:
     1)被测液体成分、状态、物理及化学性质等;
     2)工艺过程操作要求与仪器仪表维护难度;
     3)仪表的安装要求,包括管道口径、直管段长度、环境温湿度等;
     4)经济性;
     5)仪表量程与精度的选择。

    目前,污水处理中常用的三种流量仪表为超声波流量计、电 磁流量计和标准节流装置。 电磁流量计以其可靠性高、耐腐蚀性 强、测量精度高、测量基本不受外界环境以及在一定范围内电导 率变化的影响、对流速分布要求低、安装方便、维护量小、寿命长等优点而广泛应用在各类工厂的污水处理系统中。 而对于电磁流量计的信号特征, 尤其是其中浆液噪声的研究一直是广大研 究者重点关注的内容。

    1 电磁流量计综述
     自从 1832 年法拉第在泰晤士河两岸试图用两根铁棒测量 河水流量, 人们开始了对电磁流量计不断地探索与实验。 1930年, 威廉斯第一次用数学方法分析了圆管内流速分布对测量的 影响,此后,关于电磁流量计测量的基础理论逐步建立。 此后,人 们利用电磁流量计原理分别成功测量动脉血液流量与泥浆流量。 1954 年,美国 Foxboro 公司研制了世界上第一台电磁流量计。 1955 年前后,日本、苏联、英国、德国也相继研制出电磁流量计。 1957 年,中国开始研究电磁流量计。

    根据法拉第电磁感应定律,在电磁流量计中,内径为 D 的 不导磁直管道放置于磁感应强度为 B 的均匀磁场中, 管道方向垂直于磁场方向,当导电液体在管道中以流速 u 运动时,导电液 体在管道内做切割磁感线运动。如果在管道截面上垂直于磁场 的直径两端安装一对电极,则电极两端将产生感生电动势。根据 电磁流量计的权重函数理论,测量管截面内各点的流速对电磁流量传感器测量信号都有“贡献”。传感器测量信号反映的是截 面平均流速,和截面的点流速积分相关,因而受流速分布的直接影响小。当管道内流速轴对称分布时,传感器信号与平均流速成正比,而与流速分布无关。感应电动势可由下式得到:
 
    显然,当管道结构一定时,液体的体积流量 qv 与比值 e / B成正比,而当 B 一定时体积流量与感应电动势成正比,与流体状 态和物理参数无关。这是电磁流量计最大的特点,但也导致了电磁流量计只能用来测量具有一定导电性的流体,而不能测量油、 气体等非导电介质。

    实际上,针对以上方程存在两个问题:①管道内磁场的磁感 应强度 B 只在有限范围内相对均匀分布,而对于空间中质点,磁 场中的磁感应强度是有方向性的矢量; ②流体内部微元的速度分布并非处处相等, 导电流体在磁场内流动产生的感应电动势 比一般导体在磁场内做切割磁力线运动产生的感应电动势情况 复杂得多。

    关于管道内流速分布问题, Shercliff 和 Bevir 等人对权重 函数的研究说明了当流体以轴对称流速分布时, 传感器测量受 流速分布影响较小,权重函数越均匀,这种影响越小,并用于指 导设计出受流速分布影响较小的电磁流量计传感器结构。 关于 管道内的磁场分布问题,已有相关研究讨论了“非均匀磁场电磁流量计”,并用于指导电磁流量计的设计,从而使我们可以在无 限长均匀磁场模型下探讨电磁流量计的相关问题。

     由于电磁流量计测量结果与流体状态、 流体物理参数与流 速分布无关,励磁方式对电磁流量计的影响便成为其发展史上 的研究重点。 同时,由于污水处理应用中,流体中混合了大小质量不均的固体颗粒,流体流动时这些固体颗粒产生浆液噪声,极 大地影响了电磁流量计的稳定性,对浆液噪声的研究也深受各 国学者们青睐。跟据浆液噪声的 1 / f 特性,高频励磁有助于削弱 浆液噪声的影响, 但高频励磁会造成电磁流量计较差的零点稳 定性。目前工业应用中通常从励磁方式入手研究电磁流量计。常见的励磁方式理想波形如图 1 所示。
 
    通常,浆液性电磁流量计采用三值低频矩形波励磁。相对于低频矩形波励磁,它在一个周期里多了两个零励磁,实现了在零态时动态矫正零点,有效消除流量信号的零位噪声,使电磁流量计具有更好的零点稳定性,提高了精度和性能。除此之外,它也可以利用同步采样技术消除微分干扰,利用宽脉冲采样技术消 除工频干扰,同时这种励磁方式可以降低涡流效应的影响,其一个励磁周期内的四次信号采样为数据处理提供了丰富的信息。

    对于浆液型电磁流量计的研究成果, 现有的几大巨头公司以专利形式垄断并隐藏相关技术实现,日本横河电机的 ADMAG AXF 和 ADMAG AXR 系列电磁流量计采用了双频率励 磁方式,为高浓度浆液或低电导率提供高度稳定的测量。双频励 磁是在低频率上叠加高频率,利用高频和低频励磁方式各自优 点的同时消除各自的缺点。普通的高频励磁方式存在零点稳定 性低的问题,双频励磁方式在保证高频采样噪声一致的同时,可 以获得大时间常数下低频采样的高零点稳定性。官方文件介绍这种励磁方式可以实现 0.1s 的快速响应。 中国计量学院刘铁军等人提出了一种时分双励磁频率方 法,分时使用 6.25Hz 励磁下提取的信号补偿 75Hz 励磁时出现 的零点漂移,在宽量程内实现了测量精度的提高[8]。

    上海大学李斌教授提出了一种阶梯多值励磁方法,其通过阶梯励磁的方式提高系统的等效励磁频率, 增强电磁流量计克 服流动噪声和浆液噪声的能力[3];阶梯多值励磁提供的多维流 速信号则提高了电磁流量计的零点稳定性。 当阶梯多值励磁阶 数为 2 时,其励磁波形如图 2 所示。
 

    另一方面, 学者们对浆液噪声的研究主要基于现有的以 1 / f噪声为基础的针对电子器件的噪声的研究成果,如合肥工业大学 徐科军等人提出的基于幅值统计重构浆液信号的处理方法等。

    本文将针对三值矩形波励磁和阶梯多值励磁两种励磁方式研究其对浆液噪声的影响。

    2 浆液噪声的研究与分析
    污水通常是含有各种固体小颗粒的具有腐蚀性的固液两相流体,这类流体被称为浆液。 现有研究成果认为,浆液选型流体中的固体颗粒在流动中会随机的摩擦电极,不断地破坏电极表面的 氧化层和电化学平衡。 电化学反应又不断地进行,产生新的氧化层。 如上情形反复出现导致测量电极间的电势差不断地发生突 变,严重影响测量精度,这种干扰信号被称为“浆液噪声”。一般情况下,浆液流速越大,所含固体颗粒越多或固体颗粒的质量越大,表现出来的浆液噪声越强。浆液噪声的功率谱密度符合 1/f 噪声特性,1/f 噪声是一种普遍存在于自然界中的噪声,不同系统呈 现出不完全相同的表现形式,目前公认的其功率谱密度为:
 

    式中 0<γ<2。 针对浆液型电磁流量计,浆液流体的 1 / f 噪声功率谱表达式可以描述为:
 

    式中 λ1、λ2 分别为 1/f 在低频区和高频区的两个拐点,该表 达式描画了浆液型流量计浆液噪声的 1/f 特性。为采集浆液噪声信号,本文采用上海大学的浆液流量试验 装置,其结构如图 3 所示。
 

    实验中以横河电机生产的 AXF040G 电磁流量计为参照表,所用对照表口径为 DN40,线线圈电阻约为 87.9Ω,线圈电 感约为 159mH。 根据文献[3],选择 2ms / 流速条件下采集噪声信号。实验中所采用浆液为由水与黄沙混合而成的的固液两相流体,所采集数据由电磁流量计传感器两电极感应电动势经仪 表放大器进行差分放大得到。对采集得到的数据利用 Matlab 的pburg 指令获取其功率谱密度分布曲线。
 
    图 4 为未加励磁状态下, 清水与浆液流体功率谱密度分布曲线,显然浆液流体流量信号中混合的噪声具有更强的能量,且 基本符合 1/ f 噪声特性。考虑在 2m / s 流速条件下,采用沙、水 比分别为1/125、2 /125、3 /125、4 /125 的浆液流体, 分别在三 值矩形波励磁和二阶阶梯多值励磁采集信号,并使用 Matlab 对其进行分析。 由于电磁流量计励磁频率的提升有助于其克服浆 液噪声,为了比较两种励磁方式对浆液噪声的克服能力,设定二 者均工作于 12.5Hz 的较低励磁频率下。从图 5 可以看出,两种励磁方式均在一定程度上抑制了浆液噪声,其中二阶阶梯多值 励磁取得了更好的抑制效果,但随着浆液流体中固体颗粒的增多,二者对浆液噪声的抑制能力具有不同程度的衰弱。如图 5d所示, 添加励磁后流体流量信号的功率谱密度曲线与未加励磁 时的曲线几乎重合。
 
    3 结束语
    阶梯多值励磁相较传统的三值矩形波励磁具有更好的克服 浆液噪声能力,但二者在较为恶劣的情况下表现不佳。 进一步比较二者与横河电机研发的双频率励磁方式可以看出, 合理的优 化电磁流量计的励磁方式是使电磁流量计获得更“干净的”流量信号的一个重要条件。
 

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