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                      渦街流量計

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                      電磁渦街流量計的一次儀表結構組成與原理圖文分析

                      來源:作者:發表時間:2018-04-11 09:12:57

                       摘 要:針對應力式渦街流量計易受現場振動影響的問題,研究采用電磁方式檢測漩渦頻率,擬從根本上消除現場振動干擾的影響,確保測量的可靠性。采用諧波信號分析電磁渦街流量計的工作原理,提出采用頻譜分析方法處理傳感器輸出信號,針對永磁場下的水信號的特點研制調理電路和基于 DSP 的信號處理系統,進行電路測試和水流量標定實驗。實驗結果表明,電磁渦街流量計具有抗振動干擾的功能,在測量水流量時,測量準確度優于 0. 5 級,且量程比高達 30∶ 1。

                       
                      引 言
                      電磁渦街流量計是一種基于卡門渦街原理和電磁感應原理工作的流量儀表,具有結構簡單牢靠,壓力損失小,使用壽命長等諸多特點。電磁渦街流量計采用電磁的方法檢測沿管道方向流動的漩渦切割磁場時感應出的電動勢,通過一定的信號處理方法,計算出流量信息。與渦街流量計相比,其不受管道振動和周邊振動源的干擾[1-8] ,測量可靠性高 [9] ,且測量準確度更高;與電磁流量計相比,其一次儀表輸出信號為頻率與流量相關的諧波信號,信號處理難度大大降低,無零點漂移[10-11] ,且采用永磁鐵提供恒定磁場,可以大大降低儀表消耗的電能。
                       
                      國內外學者從不同的角度研究規律的漩渦流過恒定磁場時發生的電磁現象,并設計一次儀表,以檢測與流量相關的電磁信號。文獻[12]利用漩渦流過恒定磁場時會感應出二次磁場的原理,采用線圈耦合二次磁場并轉換成電信號,通過處理電信號,實現流量測量。但是,該檢測方法主要用于檢測導電率較大的金屬液體,無法測量低電導率的流體,如水等。文獻[13]利用相鄰兩個旋向相反的漩渦流過恒定磁場產生的感應電動勢極性相反的原理,在兩個相鄰漩渦中心各插入一個檢測電極,用于檢測兩個漩渦中心的電位差,實現流量測量。但是,這種方法要獲得好大的信號幅值,需保證位于磁場內的兩個電極之間為距離剛好等于兩個旋向相反的漩渦之間的距離,而不同流速,兩個旋向相反的漩渦之間的距離不同,導致實施較困難。文獻[14]研究了一種采用兩對插入到管道中心的電極檢測渦流信號,把一對電極置于漩渦發生體后面的磁場內,用于測量漩渦流過恒定磁場的電位,把另一對電極置于漩渦發生體兩側的磁場外,用于測量參考電位,并利用兩對電極的電位差反映流量信息。該方法采用電極數目多,且要求 4 個電極要嚴格位于同一個平面內,結構和制作都比較復雜。文獻[15]根據流過漩渦發生體的流體會使插入到管道中心的電極產生振動而切割磁場產生感生電動勢的原理測量流量。但是,實驗結果表明,該檢測方法測量的準確度僅為1%,量程比僅為7∶1。
                       
                      國內外文獻均沒有具體介紹如何把微弱的諧波信號幅值調理到可處理的范圍,而有效提取諧波信號是研制電磁渦街流量計的一個難點。在測量水時,由于電磁渦街流量計采用恒定磁場的勵磁方式,所以,諧波信號會被疊加幅值達數百毫伏的極化噪聲,而單位流速對應的諧波信號幅值僅為數十微伏,遠遠小于噪聲信號幅值。
                       
                      為此,本文研制一種制造工藝更成熟、測量準確度更高、量程比更寬的電磁渦街流量計。根據沿管道流動的漩渦與恒定磁場相互作用的機理設計一次儀表,研究電磁渦街流量計的工作原理,設計提取微弱諧波信號的調理電路,根據信號特點提出信號處理方法,研制基于DSP 的信號處理系統,并進行實驗驗證。
                       
                      1 一次儀表分析
                      1.1 結構組成
                      電磁渦街流量計的一次儀表主要由漩渦發生體、產生恒定磁場的yongjiu磁鐵(本文樣機使用勵磁線圈代替)、襯里、電極和殼體組成,其結構如圖 1 所示。漩渦發生體的形狀采用普通渦街流量計所用的梯柱體形結構,位于磁場之外,處于磁場上游。一次儀表工作的磁場是恒定磁場,而樣機使用勵磁線圈通恒定電流產生恒定磁場模擬yongjiu磁鐵。襯里起絕緣作用,防止感應出的信號電壓被金屬殼體短路。電極采用當前普通電磁流量計所用的附著式電極,工藝比較成熟,結構更牢固,由參考電極和工作電極組成,其中,參考電極位于漩渦發生體上游的磁場外,工作電極位于漩渦發生體下游的磁場內。參考電極和工作電極配合工作,采集流動的漩渦與恒定磁場相互作用時產生的電動勢信號。電極的軸線、導電液態流向和磁場方向兩兩垂直;漩渦發生體的軸線與磁場方向平行。
                      一次儀表結構組成
                      1.2 工作原理
                      在管道雷諾數 Re 達到一定數值的情況下,流過非流線型柱體的流體因邊界層的不穩定性,很容易發生分離而形成具有一定規律性的漩渦。于是,隨著流體的連續運動,在漩渦發生體兩側形成了交替的、方向相反的、有規律的漩渦列[16] ,如圖 2 所示。當兩列漩渦距離為 h,與兩個漩渦間距 l 滿足[17]h/l =0. 280 6。
                      漩渦形成和分布
                      當在漩渦所在的區域加上恒定磁場時,流動的漩渦切割磁場會引起電荷轉移的現象,如圖 3 所示。沿漩渦發生體的軸向看,漩渦可以看成是無數個封閉的圓環組成,且組成同一個漩渦的所有圓環旋轉方向相同。因此,當磁場方向垂直于紙面向里時,運動軌跡如圖 3 所示圓環上的帶電粒子受洛倫茲力的作用,轉移方向如圖 3 箭頭所示,其中,實心箭頭表示帶正電粒子的轉移方向,空心箭頭表示帶負電粒子的轉移方向??梢?,流動的漩渦和磁場配合實現了搬運帶電粒子功能。
                      磁場中漩渦引起的帶電粒子轉移方向
                      參考電極和工作電極配合工作,可以檢測由帶電粒子的轉移而引起的電位變化。電位的變化主要受與其較近的一列漩渦的影響。當漩渦的中心剛好位于工作電極的正下方時,導電液體中帶負電的粒子向工作電極所在的位置轉移,而帶正電的粒子向遠離工作電極的方向運動,此時,工作電極的電位處于諧波信號的好低點,如圖4 所示。之后,隨著漩渦沿管道方向的運動,諧波信號逐漸增大。當兩個相鄰漩渦中心的連線的中點剛好位于工作電極的正下方時,導電液體中帶正電的粒子向工作電極所在的位置轉移,而帶負電的粒子向遠離工作電極的方向運動,此時,工作電極的電位處于諧波信號的好高點,如圖 5 所示。之后,隨著漩渦沿管道方向的運動,諧波信號又逐漸減小。因此,工作電極和參考電極配合工作,便可拾取沿管道運動的漩渦因切割磁場而產生的諧波信號。
                      諧波信號好小時的情況諧波信號好大時的情況
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