CN104121954A - 基于二维感应电势的非满管电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维感应电势的非满管电磁流量计，它包括一个内径为D的供被测流体流动的测量管，一个安装在测量管上的励磁线圈组，一个使励磁线圈组产生与流体平均流速V垂直的磁场B的励磁驱动单元；其特征在于所述的测量管由非绝缘材料制成，在测量管具有磁场B处的外管壁上有2对信号测量点：X₁与X₂和Y₁与Y₂；所述的测量管内的流体有平均流速V，在磁场B作用下，测量点X₁和X₂间有正比于B×V的感应电势信号E_X，测量点Y₁和Y₂间有正比于B×V的感应电势信号E_Y；信号E_X和信号E_Y的大小并与所述的测量管中流体的液位高度H、测量点X₁与X₂和Y₁与Y₂在测量管外壁上的位置有关，其中0≤H≤D，H=D时流体充满测量管。

Description

基于二维感应电势的非满管电磁流量计

技术领域

本发明涉及一种基于二维感应电势的非满管电磁流量计。具体涉及一种采用非绝缘材料制造的测量管，并对流体的平均流速进行二维流体感应电势测量的非满管电磁流量计。

技术背景

电磁流量计是以法拉第电磁感应定律为原理的流量测量仪表。电磁流量计的测量管有垂直于流体流动方向的磁场B，当直径D的测量管中流体有平均流速V时,在传感器两测量电极上理论有感应电势E=K×D×B×V。在测量管中的流体处于满管时，K可以被看作是一个固定的系数。当测量管中的流体在非满管流量状态时，传统满管电磁流量计已不能测量非满管流量的测量。因为，非满管流量Q是有流体的液位H和平均流速V两个参数来确定。

传统的非满管流量测量方法主要有液位计法、液位计和流速计组合法两种。液位计法是基于谢才-曼宁的经验公式，通过一个液位H值来估计非满管流量Q。

非满管流量的测量主要是应用在给排水计量、水资源管理和污水排放监测等领域。这些被测流体的特点是既具有导电性又会含有泥浆等污染物。在原理上，电磁流量计对这些流体的测量特别具有优势。已有的非满管电磁流量计也主要是在流速测量原理下组合另外的液位测量机构形成的，本质上就是一种液位计和流速计组合方法。如已有的电容液位式非满管电磁流量计，即是在电磁流量计中组合了一个电容式液位计。另有，还有一类以附加电激励测量液位的非满管电磁流量计方法，主要是在电磁流量计传感器的测量管中增加了一对发讯电极和对应的测讯电极，不同液位在测讯电极上的信号可推算非满管流量的液位。如已有一些专利200510028473.3、200510110182.9以及ZL200610029236.3和ZL200810040038.6等，这类技术的特点都是基于测量流体的阻抗来测量液位H。显然，这些方法中发讯电极和对应的测讯电极都对电极污染敏感，会损失电磁流量计在测量含有泥浆等污染物流体上的优势。

相对于传统的绝缘测量管的电磁流量计，已有采用非绝缘测量管的电磁流量计。如专利公开号CN 1793789A的《非绝缘测量管的电磁流量传感器》。测量管的非绝缘材料具有这样的特性：测量管的单位体积电阻不小于被测流体的单位体积电阻，测量管外管壁上作为输出信号的两点间的电阻不大于要测量输出信号的后续仪表的输入阻抗。这个专利中，测量管外壁上采用了一对测量点测量，用于满管流量下的流体感应电势。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于二维感应电势的非满管电磁流量计，将两个基于专利公开号CN 1793789A的非绝缘测量管的电磁流量传感器用相互垂直的关系组合在一起的方式，对在测量管中的流体进行二维流体感应电势的测量。即通过二维感应电势测量的方法来实现对非满管流量下的平均流速V与液位H两个参数进行估计。这样就实现了一种完全基于电磁流量原理的非满管流量测量方法，在原理上保持了电磁流量计在含有泥浆等污染物流体测量上的优势。

 

为了达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的目的主要是提供一种基于二维感应电势的非满管电磁流量计，具体是采用了非绝缘的测量管，测量管上具有两个相互垂直的磁场；对应两个磁场方向，在测量管外壁采用了两对可以测量二维流体感应电势的测量点，从两对测量点得到流体在测量管中的二维感应电势；通过对流体的二维感应电势值来估计流体的平均流速V和液位H参数，实现对非满管流量Q的测量。

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：

一种基于二维感应电势的非满管电磁流量计，包括一个内径为D的供被测流体流动的测量管，一个安装在测量管上的励磁线圈组，一个使励磁线圈组产生与流体平均流速V垂直的磁场B的励磁驱动单元；其特征在于所述的测量管由非绝缘材料制成，在测量管具有磁场B处的外管壁上有2对信号测量点：X₁与X₂和Y₁与Y₂；所述的测量管内的流体有平均流速V，在磁场B作用下，测量点X₁和X₂间有正比于B×V的感应电势信号E_X，测量点Y₁和Y₂间有正比于B×V的感应电势信号E_Y；信号E_X和信号E_Y的大小并与所述的测量管中流体的液位高度H、测量点X₁与X₂和Y₁与Y₂在测量管外壁上的位置有关，其中0≤H≤D，H=D时流体充满测量管。

在上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计中，所述的励磁线圈组有励磁线圈组甲和励磁线圈组乙两部分组成，励磁线圈组产生的磁场B由励磁线圈组甲产生的磁场B_X和励磁线圈组乙产生的磁场B_Y组成，磁场B_X和磁场B_Y相互垂直；同时，所述的励磁驱动单元可以分别使励磁线圈组甲产生磁场B_X和励磁线圈组乙产生磁场B_Y。

在上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计中，所述的测量管上的X₁和X₂两个测量点形成的直线与Y₁和Y₂两个测量点形成的直线相互垂直；所述的励磁线圈组甲产生的磁场B_X与X₁和X₂两个测量点形成的直线相互垂直。

在上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计中，所述的测量管截面中流体的液位H的水平线与测量管管壁上X₁和X₂两个测量点形成的直线平行；在测量点X₁和X₂间有对应的信号E_X=f_X(H,D)×B_X×V；所述的励磁线圈组乙产生的磁场B_Y与Y₁和Y₂两个测量点形成的直线相互垂直，在测量点Y₁和Y₂间有对应的信号E_Y=f_Y(H,D)×B_Y×V，其中f_X(H,D)和f_Y(H,D)由实验数据拟合确定。

在上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计中，有一个信号放大器由信号放大器甲和信号放大器乙组成，信号放大器甲和信号放大器乙分别有放大系数K_X和有放大系数K_Y，信号E_X和信号E_Y和分别连接到信号放大器甲和信号放大器乙的输入端，信号放大器甲和信号放大器乙分别输出信号X=K_X×E_X 和Y= K_Y×E_Y。

在上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计中，有一个信号处理器输出命令C使励磁驱动单元分时地使励磁线圈组甲产生磁场B_X和励磁线圈组乙产生磁场B_Y，使励磁线圈组甲在T_X时段产生磁场B_X，其余时间B_X=0，使励磁线圈组乙在T_Y时段产生磁场B_Y，其余时间B_Y=0；所述的信号处理器采集对应的信号放大器甲输出信号X和信号放大器乙输出信号Y，通过分析信号X与信号Y的数据来估计流体的液位H、平均流速V和非满管流量Q。

 

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：将非绝缘测量管的电磁流量传感器用相互垂直的关系组合在一起，对在测量管中的流体进行二维流体感应电势的测量，通过二维流体感应电势来估计非满管流量的平均流速V和液位H参数，即在测量非满管流量的平均流速V和液位H参数估计方法上完全是基于电磁流量计的流体感应电势测量原理，保持了电磁流量计在泥浆等污染物流体测量上的优势。

附图说明

图1是本发明的一个实施例结构原理框图。

图2是图1中测量管1和流体的平均流速V与液位H的关系示意图。

图3是T_X与在T_Y时段下磁场B_X与磁场B_Y、信号E_X与信号E_Y和信号X与信号Y的关系示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例如下述：参见图1和图2。

实施例一：

本基于二维感应电势的非满管电磁流量计，包括一个内径为D的供被测流体流动的测量管1，一个安装在测量管1上的励磁线圈组2，一个使励磁线圈组2产生与流体平均流速V垂直的磁场B的励磁驱动单元3；其特征在于所述的测量管1由非绝缘材料制成，在测量管1具有磁场B处的外管壁上有2对信号测量点：X₁与X₂和Y₁与Y₂；所述的测量管1内的流体有平均流速V，在磁场B作用下，测量点X₁和X₂间有正比于B×V的感应电势信号E_X，测量点Y₁和Y₂间有正比于B×V的感应电势信号E_Y；信号E_X和信号E_Y的大小并与所述的测量管1中流体的液位高度H、测量点X₁与X₂和Y₁与Y₂在测量管1外壁上的位置有关，其中0≤H≤D，H=D时流体充满测量管1。 

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

在上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计中，所述的励磁线圈组2有励磁线圈组甲2.1和励磁线圈组乙2.2两部分组成，励磁线圈组2产生的磁场B由励磁线圈组甲2.1产生的磁场B_X和励磁线圈组乙2.2产生的磁场B_Y组成，磁场B_X和磁场B_Y相互垂直；同时，所述的励磁驱动单元3可以分别使励磁线圈组甲2.1产生磁场B_X和励磁线圈组乙2.2产生磁场B_Y。

上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计，所述的测量管 (1)上的X₁和X₂两个测量点形成的直线与Y₁和Y₂两个测量点形成的直线相互垂直；所述的励磁线圈组甲(2.1)产生的磁场B_X与X₁和X₂两个测量点形成的直线相互垂直。

在具体实现时可如图1所示，X₁和X₂两个测量点形成的直线与流体的平均流速V的方向垂直，Y₁和Y₂两个测量点形成的直线也与流体的平均流速V的方向垂直；X₁和X₂两个测量点形成的直线经过测量管1的圆心、Y₁和Y₂两个测量点形成的直线也经过测量管1的圆心。

上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计，所述的测量管1截面中流体的液位H的水平线与测量管1管壁上X₁和X₂两个测量点形成的直线平行；在测量点X₁和X₂间有对应的信号E_X=f_X(H,D)×B_X×V；所述的励磁线圈组乙2.2产生的磁场B_Y与Y₁和Y₂两个测量点形成的直线相互垂直，在测量点Y₁和Y₂间有对应的信号E_Y=f_Y(H,D)×B_Y×V，其中f_X(H,D)和f_Y(H,D)可有实验数据来拟合确定。

上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计，有一个信号放大器4由信号放大器甲4.1和信号放大器乙4.2组成，信号放大器甲4.1和信号放大器乙4.2分别有放大系数K_X和有放大系数K_Y，信号E_X和信号E_Y和分别连接到信号放大器甲4.1和信号放大器乙4.2的输入端，信号放大器甲4.1和信号放大器乙4.2分别输出信号X=K_X×E_X 和Y= K_Y×E_Y。

    上述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计，有一个信号处理器5输出命令C使励磁驱动单元3分时地使励磁线圈组甲2.1产生磁场B_X和励磁线圈组乙2.2产生磁场B_Y，使励磁线圈组甲2.1在T_X时段产生磁场B_X，其余时间B_X=0，使励磁线圈组乙2.2在T_Y时段产生磁场B_Y，其余时间B_Y=0；所述的信号处理器5采集对应的信号放大器甲4.1输出信号X和信号放大器乙4.2输出信号Y，通过分析信号X与信号Y的数据来估计流体的液位H、平均流速V和非满管流量Q。

图3是励磁驱动单元3分时地使励磁线圈组甲2.1在T_X时段产生磁场B_X和励磁线圈组乙2.2在T_Y时段产生磁场B_Y的示意图。图3中也包括了对应的感应电势信号E_X与信号E_Y以及信号放大器4输出的信号X与信号Y。

图3中，考虑克服极化等干扰问题，与通常的电磁流量计技术一样，在T_X时段产生的是一组有正磁场B_X1和负磁场B_X2两段组成的磁场B_X，在T_Y时段产生的也是一组有正磁场B_Y1和负磁场B_Y2两段组成的磁场B_Y。这样，对应信号E_X在磁场B_X下的具有正负两段信号E_X1与E_X2，对应信号E_Y在磁场B_Y下的具有正负两段信号E_Y1与E_Y2。对应信号放大器4输出的信号X包括有正负信号X₁与X₂两段组成，信号Y包括有正负信号Y₁与Y₂两段组成。信号处理器5采集对应的信号X₁与X₂和信号Y₁与Y₂。信号处理器5可以有A_X= X₁－X₂= K_X×E_X=2×K_X×f_X(H,D)×B_X×V的基本数据，同样有对应的A_Y= Y₁－Y₂= K_Y×E_Y=2×K_Y×f_Y(H,D)×B_Y×V的基本数据，信号处理器5就可以用A_X和A_Y两个数据去估计流体的液位H和平均流速V，再由测量管1的直径D就可以估计出流体的非满管流量Q。 

Claims (6)

1.一种基于二维感应电势的非满管电磁流量计，包括一个内径为D的供被测流体流动的测量管(1)，一个安装在测量管 (1)上的励磁线圈组(2)，一个使励磁线圈组(2)产生与流体平均流速V垂直的磁场B的励磁驱动单元(3)；其特征在于所述的测量管(1) 由非绝缘材料制成，在测量管(1)具有磁场B处的外管壁上有2对信号测量点：X₁与X₂和Y₁与Y₂；所述的测量管 (1)内的流体有平均流速V，在磁场B作用下，测量点X₁和X₂间有正比于B×V的感应电势信号E_X，测量点Y₁和Y₂间有正比于B×V的感应电势信号E_Y；信号E_X和信号E_Y的大小与所述的测量管(1) 中流体的液位高度H、测量点X₁与X₂和Y₁与Y₂在测量管(1)外壁上的位置有关，其中0≤H≤D，H=D时流体充满测量管(1)。

2.根据权利要求1所述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计，其特征在于所述的励磁线圈组(2)有励磁线圈组甲(2.1)和励磁线圈组乙(2.2)两部分组成，励磁线圈组(2)产生的磁场B由励磁线圈组甲(2.1)产生的磁场B_X和励磁线圈组乙(2.2)产生的磁场B_Y组成，磁场B_X和磁场B_Y相互垂直；同时，所述的励磁驱动单元(3)可以分别使励磁线圈组甲(2.1)产生磁场B_X和励磁线圈组乙(2.2)产生磁场B_Y。

3.根据权利要求1或2所述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计，其特征在于所述的测量管 (1)上的X₁和X₂两个测量点形成的直线与Y₁和Y₂两个测量点形成的直线相互垂直；所述的励磁线圈组甲(2.1)产生的磁场B_X与X₁和X₂两个测量点形成的直线相互垂直。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计，其特征在于所述的测量管(1) 截面中流体的液位H的水平线与测量管(1)管壁上X₁和X₂两个测量点形成的直线平行；在测量点X₁和X₂间有对应的信号E_X=f_X(H,D)×B_X×V；所述的励磁线圈组乙(2.2)产生的磁场B_Y与Y₁和Y₂两个测量点形成的直线相互垂直，在测量点Y₁和Y₂间有对应的信号E_Y=f_Y(H,D)×B_Y×V，其中 f_X(H,D)和f_Y(H,D)由实验数据拟合确定。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计，其特征在于有一个信号放大器(4)由信号放大器甲(4.1)和信号放大器乙(4.2)组成，信号放大器甲(4.1) 和信号放大器乙(4.2)分别有放大系数K_X和有放大系数K_Y，信号E_X和信号E_Y和分别连接到信号放大器甲(4.1)和信号放大器乙(4.2)的输入端，信号放大器甲(4.1)和信号放大器乙(4.2)分别输出信号X=K_X×E_X 和Y= K_Y×E_Y。

6.根据权利要求5所述的基于二维感应电势的非满管电磁流量计，其特征在于有一个信号处理器(5)输出命令C使励磁驱动单元(3)分时地使励磁线圈组甲(2.1)产生磁场B_X和励磁线圈组乙(2.2)产生磁场B_Y，使励磁线圈组甲(2.1)在T_X时段产生磁场B_X，其余时间B_X=0，使励磁线圈组乙(2.2)在T_Y时段产生磁场B_Y，其余时间B_Y=0；所述的信号处理器(5)采集对应的信号放大器甲(4.1)输出信号X和信号放大器乙(4.2)输出信号Y，通过分析信号X与信号Y的数据来估计流体的液位H、平均流速V和非满管流量Q。