水流量計的工作原理及勵磁技術(shù)發(fā)展和趨勢

摘要: 水流量計因其結(jié)構(gòu)簡單、壓力損失小、可靠性高、精確度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用等領(lǐng)域的流量測量方面，其中的勵磁技術(shù)自始至終都是水流量計一個非常重要的研究方向?；仡?strong>水流量計勵磁方式的發(fā)展過程，對勵磁方式進(jìn)行了重點分析，并預(yù)測其發(fā)展趨勢。
1 水流量計的工作原理和發(fā)展歷程
隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，企業(yè)的生產(chǎn)過程不斷優(yōu)化，因此需要各種準(zhǔn)確的流量計。水流量計是用于測量具有一定電導(dǎo)率的液體介質(zhì)流量的儀表，因其沒有阻礙被測液體流動的部件，所以不易造成管道堵塞，而且其還具有耐腐蝕等眾多優(yōu)點，所以水流量計在石油化工、造紙以及食品等行業(yè)有著重要的作用。
1. 1 工作原理
當(dāng)被測液體流經(jīng)工作磁場時，由于切割磁力線而在液體中產(chǎn)生感生電勢 E 為:
e = KBDv
式中: K 為儀表常數(shù)，B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，D 為管道內(nèi)徑，v 為管道內(nèi)的平均流速。
水流量計主要由傳感器和信號轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器安裝在液體流經(jīng)的管道上，它將管道內(nèi)液體流動速度轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過傳輸線將此信號送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器則將傳感器送來的流量信號進(jìn)一步放大處理，轉(zhuǎn)換成輸出信號，可以就地顯示、遠(yuǎn)傳顯示或用于控制。
1. 2 水流量計的發(fā)展歷程
英國物理學(xué)家法拉*在 1832 年提出，可以利用地球磁場測量英國泰晤士河水的流量，但是由于相關(guān)理論和技術(shù)儲備不足，*終未獲成功。
隨著對*化現(xiàn)象深入研究以及電子技術(shù)的進(jìn)步， 在 20 世紀(jì) 50 年代初，水流量計實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。20 世紀(jì) 80 年代以來，隨著材料技術(shù)的快速發(fā)展和微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得水流量計也不斷趨于完善成熟?，F(xiàn)代的水流量計采用功能日益強(qiáng)大的微處理器技術(shù)，使水流量計的各項性能指標(biāo)不斷提高。
2 勵磁技術(shù)的發(fā)展
勵磁系統(tǒng)是水流量計重要的核心部分，因為磁場的形式直接決定了液體所感生的流量信號特征。水流量計的抗干擾能力、測量精度都與磁場的形式有很大關(guān)聯(lián)。勵磁技術(shù)主要有以下幾個發(fā)展方向。
2. 1 直流勵磁
采用直流勵磁時，被測液體流經(jīng)的磁場恒定不變，其優(yōu)點為構(gòu)造簡單可靠，受交流信號干擾小。但是，由于電*輸出的流量信號和電**化電壓混疊在一起，而且二者均為直流信號，使得該干擾很難從流量信號中剝離出來，同時*化干擾電壓隨著流體介質(zhì)的流動狀態(tài)和液體溫度的改變而變化。另外，電*上感生電動勢是直流性質(zhì)，導(dǎo)致被測流體中正負(fù)電荷的定向移動，隨著電*附近離子的不斷聚集，*終使傳感器自身內(nèi)阻增大，影響其測量的準(zhǔn)確性。
金屬液體中不存在電解質(zhì)液體的*化問題且電導(dǎo)率很高，對直流勵磁非常有利。直流勵磁適用于測量特殊的液態(tài)金屬。
2. 2 工頻正弦波勵磁
采用工頻正弦勵磁時，直接使用 50 Hz( 或 60 Hz)的工頻市電勵磁，其優(yōu)點是流量信號為交流性質(zhì)，能夠有效削弱*化的不良作用，降低電*間等效內(nèi)阻對測量的不良影響。交流勵磁電路非常簡單，便于提高磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高測量準(zhǔn)確度。 交流的工作磁場始終在變化，導(dǎo)致其產(chǎn)生嚴(yán)重的正交干擾和同相干擾，此外還存在電磁感應(yīng)渦流效應(yīng)、靜電感應(yīng)、雜散電流等干擾因素，疊加在流量信號中難以去除。
2. 3 高頻正弦波勵磁
非接觸式的電容式水流量計為降低耦合電容的容抗，增加輸出流量信號電壓幅值，所以需要將勵磁頻率提高到幾百赫茲甚至幾千赫茲。被測液體感生電動勢的頻率和信號幅值都有所提高，有利于轉(zhuǎn)換器提高信噪比。但是，正弦波勵磁所固有的微分干擾和同相干擾，仍然對轉(zhuǎn)換器零點穩(wěn)定性有一定的影響。
2. 4 矩形波勵磁
矩形波勵磁同時具備直流勵磁和交流勵磁的優(yōu)點，即直流勵磁無正交干擾和同相干擾，而交流勵磁的*化干擾小。由于產(chǎn)生正交干擾和同相干擾的根本原因是工作磁場變化過程，如果工作磁場轉(zhuǎn)換過程足夠快，而且工作磁場保持穩(wěn)定的采樣時間窗口足夠長，從而避免正交干擾和同相干擾的不良影響，對流量信號進(jìn)行提取分析，以顯著提高轉(zhuǎn)換器的零點穩(wěn)定性。矩形波勵磁又有兩種不同的工作方式，即低頻矩形波勵磁和高頻矩形波勵磁。低頻矩形波勵磁雖然能夠有效地降低各種干擾，但其勵磁周期較長，*終降低了傳感器的響應(yīng)速度，該方法只適用于流速變化緩慢的液體。高頻矩形波勵磁的響應(yīng)速度快，但隨之而來的感應(yīng)干擾問題，導(dǎo)致其精度沒有低頻矩形波勵磁高。
2. 5 雙頻勵磁
雙頻勵磁方式是一種高、低頻矩形波調(diào)制波的勵磁方式，其中低頻勵磁是為幫助提高信號放大電路的零點穩(wěn)定性，而高頻勵磁能降低電*在被測液體介質(zhì)中所產(chǎn)生的*化電壓，減小流量信號中的波動，同時還能提高測量的響應(yīng)速度。但其輸出流量信號包括兩種頻率特征，后續(xù)處理過于復(fù)雜，進(jìn)而制約了它的發(fā)展和推廣。
3 勵磁技術(shù)的趨勢
3. 1 勵磁精度進(jìn)一步提高
工作磁場的精度直接決定了水流量計的誤差。當(dāng)勵磁電源波動或者勵磁繞組由于溫升而使其電阻變大時，導(dǎo)致磁場大小出現(xiàn)偏差，水流量計的誤差變大。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，對勵磁電流的精確控制已經(jīng)很容易實現(xiàn)。同時，半導(dǎo)體開關(guān)器件的性能不斷提升，新型勵磁電路的效率越來越高，而體積重量則越來越小。
3. 2 降低勵磁功率損耗
部分測量現(xiàn)場沒有提供市電，必須采用電池供電，所以需要進(jìn)一步降低勵磁功率。當(dāng)被測液體流速比較穩(wěn)定時，采用定時勵磁方法，也可以有效地降低勵磁功率，延長電池使用壽命。
4 結(jié)語
水流量計在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中有著無可替代的地位，因此水流量計的勵磁技術(shù)也將伴隨著相關(guān)新材料、新工藝以及新的理論和方法的出現(xiàn)，不斷克服各種技術(shù)瓶頸和障礙，進(jìn)一步提高水流量計的測量精度，拓寬測量范圍。