CN108663092A - 一种八对电极无衬里电磁流量传感器及动态反馈调整方法 - Google Patents

Abstract

一种八对电极无衬里电磁流量传感器，包括供液体流过的测量管和两个相对而设的励磁模块，两个励磁模块同轴、通过励磁模块基座对称安装在测量管的外侧壁上，将测量管的轴线标记为X轴，将两个励磁模块的轴线标记为Y轴，X轴与Y轴垂直相交；测量管外壁上沿周向均匀设置有八对电极，八对电极所在的圆周面过Y轴；每对电极以X轴和Y轴决定的平面为对称面对称；为了获取更加显著、准确的信号，所述传感器还包括八组动态反馈电路。本发明的提供的传感器能够应用在被测液体分布不均匀或者非满管的情况，并且可以从层析的角度分析液体的分布情况，且具有应用范围广泛、使用寿命长、便于维护等优点。

Description

一种八对电极无衬里电磁流量传感器及动态反馈调整方法

技术领域

本发明涉及电磁流量传感器技术领域，特别涉及一种八对电极无衬里电磁流量传感器。

背景技术

目前，电磁流量计是一种应用广泛的流量仪表。它的基本原理是法拉第电磁感应定律，即具有一定电导率的液体以速度v流过被垂直方向的磁场强度B覆盖的测量管，液体切割磁力线产生正比于v的感应电动势。通常的电磁流量传感器具有绝缘测量管或者测量管内附有一层绝缘材料。一对电极用于信号拾取，对于信号的拾取有两种形式；一种是将电容极板贴于测量管壁外侧，通过电容耦合的方式拾取信号，这种方式降低了电磁流量计的性价比；另外一种是导电电极穿过测量管壁与液体接触，拾取信号，但这种方式增加了噪声，并且容易被腐蚀造成测量产生误差。另外，由于测量管壁内附有绝缘衬里，造成现有的电磁流量传感器在使用时有一定的局限性，比如在高温，高压以及热冲击造成的温度剧烈变化，绝缘衬里很容易脱离、剥落、拉破等，从而导致测量电极密封泄漏，会使流量信号被短路而导致仪表失效，其测量可靠性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种八对电极无衬里电磁流量传感器，能够应用在被测液体分布不均匀或者非满管的情况，并且可以从层析的角度分析液体的分布情况。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种八对电极无衬里电磁流量传感器，包括供液体流过的测量管和两个相对而设的励磁模块，两个励磁模块同轴、通过励磁模块基座对称安装在测量管的外侧壁上，为描述方便，将测量管的轴线标记为X轴，将两个励磁模块的轴线标记为Y轴，X轴与Y轴垂直相交；测量管外壁上沿周向均匀设置有八对电极（即每相邻电极中轴线的夹角为22.5度），八对电极所在的圆周面过Y轴；每对电极以X轴和Y轴决定的平面为对称面对称；

所述传感器还包括八组动态反馈电路，每组动态反馈电路包括与一对电极中的两个电极分别对应的测控单元和处理器，各动态反馈电路的结构相同；所述测控单元包括仪表放大器、低通滤波器、二级放大器、加法器、采样保持电路、时序发生器、反相放大器和模拟开关，与测控单元相对应的电极连接仪表放大器的输入端，仪表放大器的输出端连接低通滤波的输入端，低通滤波的输出端连接二级放大器的输入端，二级放大器的输出端分别连接采样保持电路和处理器的输入端以及加法器的第一输入端；采用保持模块的输出端连接加法器的第二输入端，加法器的输出端连接反相放大器的输入端，反相放大器的输出端连接模拟开关的第一输入端；时序发生器的输出端分别连接模拟开关的第二输入端和采样保持电路的输入端，模拟开关的输出端连接与测控单元相对应的电极。

所述测量管的电导率σw不大于被测液体电导率σf；传感器的输出阻抗不大于转换器的输入阻抗。

为防止电磁流量传感器的测定结果受环境磁场影响，所述电磁流量传感器外罩设有磁场屏蔽壳。

每个电极外表面均分别贴覆有一层金属屏蔽层，用于防止信号间的干扰。

所述励磁模块的磁导率大于真空导磁率。

所述无衬里电磁流量传感器每对电极的输出电压U=K×B×D×v，其中，D为测量管内径，B为励磁模块所提供与液体流动方向垂直的磁感应强度，K是仪表系数，v为测量管中被测液体流过的速度，通过输出电压U，计算得到液体流过的速度v；从各对电极测量换算出的v值中选取大于0的值，加合求平均值，即为管道内导电液体的流速值V。

所述励磁模块采用环状永磁体。

本发明与现有技术相比，具有如下突出特点以及实质性优势：

（1）在本发明中，传感器测量管内不需要绝缘衬里，电极直接由金属测量管壁外侧引出，这样的设计使得传感器的制造更为简单，同时也能够降低流动噪声，使输出信号更稳定，测量准确度更高。

（2）由于测量管无衬里，不会因高温、高压以及热冲击等因素导致衬里脱离、剥落、拉破等，使之能够被应用于高温高压下以及热冲击较大的流体的测量，拓展了传感器的使用范围，同时也有效延长了传感器的使用寿命，使得传感器的后期维护也变得更为简便。

（3）在测量管外周布置八对电极，从不同层次对液体流速进行测量，使得传感器可以用于非满管或者流速分布不均匀液体的测量；进一步的，可以从层析的角度分析测量管内液体的分布情况。

（4）测量管的电导率σw不大于被测流体电导率σf,可以防止被测流体中的电流被流体通过测量管短路，减小测量管对电流信号测量的干扰；传感器的输出阻抗不大于转换器的输入阻抗，以确保信号能够被输出。

（5）励磁模块材料的磁导率大于真空导磁率，两个励磁模块彼此平行且共轴，在以X轴和Y轴交点为中心的附近很大范围内形成均匀的感应磁场，以确保八对电极处于均匀的感应磁场内，使测量结果更为准确。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中八对电极的结构原理图；

图2是本发明具体实施方式中传感器的结构图；

图3是动态反馈电路原理图；

图4是时序发生器波形图。

具体实施方式

一种八对电极无衬里电磁流量传感器，如图1、2、3和4所示，包括供液体流过的测量管7（直径为D）和两个相对而设的励磁模块3，两个励磁模块3同轴、通过励磁模块基座5对称安装在测量管7的外侧壁上，将测量管7的轴线标记为X轴，将两个励磁模块3的轴线标记为Y轴，X轴与Y轴垂直相交；励磁模块3同轴相对安装在测量管3外，用于提供与液体流动方向垂直的磁感应强度B。

测量管7外壁上沿周向均匀设置有八对电极6，八对电极6所在的圆周面过Y轴；每对电极以X轴和Y轴决定的平面为对称面对称，具体的，如图1所示，电极e1与e2为一对，电极e3与e4为一对，电极e5与e6为一对，电极e7与e8为一对，电极e9与e10为一对，电极e11与e12为一对，电极e13与e14为一对，电极e15与e16为一对。每个电极的外表面均分别贴覆有一层金属屏蔽层8，以防止信号间相互干扰。

测量管7的两端固定连接有法兰4，法兰4作为传感器的连接部，用于与液体管路连接。

励磁模块3为环状永磁体；励磁模块基座5上开有卡槽和螺孔，环状永磁体卡装在卡槽内，卡槽的槽口一面贴向测量管7外壁，螺栓穿过励磁模块基座5上的螺孔将励磁模块基座5和环状永磁体固定到测量管7外。励磁模块3的磁导率大于真空导磁率。

测量管7的电导率σw不大于被测液体电导率σf；传感器的输出阻抗不大于转换器的输入阻抗。

为防止电磁流量传感器的测定结果受环境磁场影响，电磁流量传感器外罩设有磁场屏蔽壳。

无衬里电磁流量传感器每对电极的输出电压U=K×B×D×v，其中，D为测量管内径；B为励磁模块3所提供与液体流动方向垂直的磁感应强度；K是仪表系数，K=k₁×k₂×k₃,k₁是与测量管1的电特性、导电液体的电特性、温度以及液体与测量管壁之间的摩擦系数有关的常量，k₂是由于励磁模块(2)产生的磁场B的边界效应决定的系数，k₃为由于温度使得磁场强度B变化产生的系数，当管壁、液体、磁场特性确定，相应的系数k₃即可确定；v为测量管7中被测液体流过的速度，通过输出电压U，计算得到液体流过的速度v；从各对电极测量换算出的v值中选取大于0的值，加合求平均值，即为管道内导电液体的流速值V。传统电磁流量测量管壁是绝缘的，或者附有一层绝缘材料，因此流量切割磁力线产生的感应电势可以反映在电极间，而本发明的测量管7的管壁是具有导电性质的材料，因此液体产生的电势通过k₁将测量管7管壁的导电性“折算”到电极间。

为了能得到准确的测量信号，本实施例的传感器还包括八组动态反馈电路，每组动态反馈电路包括与一对电极中的两个电极分别对应的测控单元和处理器，各动态反馈电路的结构相同，如图3所示；所述测控单元包括仪表放大器、低通滤波器、二级放大器、加法器、采样保持电路、时序发生器、反相放大器和模拟开关，与测控单元相对应的电极连接仪表放大器的输入端，仪表放大器的输出端连接低通滤波的输入端，低通滤波的输出端连接二级放大器的输入端，二级放大器的输出端分别连接采样保持电路和处理器的输入端以及加法器的第一输入端；采用保持模块的输出端连接加法器的第二输入端，加法器的输出端连接反相放大器的输入端，反相放大器的输出端连接模拟开关的第一输入端；时序发生器的输出端分别连接模拟开关的第二输入端和采样保持电路的输入端，模拟开关的输出端连接与测控单元相对应的电极。

应用中使测量管7水平安装，以一对电极为例（其余电极对同理）进行说明本发明提供的传感器如何测量得出液体流速V：

选取任意一对电极，分别标记为电极1和电极2（图3中的电极位置仅供示意，电极的具体位置以图1为准），电极1的信号为S1，电极2的信号为S2，则根据法拉第电磁感应定律，信号S1中的感应电势E1与信号S2中的感应电势E2的差值U=E1—E2=K×B×D×V，K是一个可确定的仪表系数。两个测控单元的输入分别相应的连接两个电极1和2，输出连接开关K1和K2的一端，开关的另一端又连接到对应的电极上。开关K1周期地在T10时间段和T11时间段分别处于断开状态和闭合状态，使测控单元1以T10时间段和T11时间段为周期对电极1上信号S1进行测量和控制，为保证电极1上信号S1的周期电势和为零，测控单元1使电极1上信号S1有T11×S1=－T10×SA1，SA1是测控单元1在T10时间段对电极1上信号S1的测量值。

同理，开关K2周期地在T20时间段和T21时间段分别处于断开状态和闭合状态，使测控单元2以T20时间段和T21时间段为周期对电极2上信号S2进行测量和控制，为保证电极2上信号S2的周期电势和为零，测控单元2使电极2上信号S2有T21×S2=－T20×SA2，SA2是测控单元2在T20时间段对电极2上信号S2的测量值。信号S1和S2放大后的值作为信号后处理单元的输入，来分析得出测量管7的液体流速V。

经仪表放大器、二级放大模块后的放大系数为A，由A10和A20为前面所述的测控单元1和2的经两级放大后的系数、时序H10和H20操作的具有放大系数A11和A21的采样保持器、加法器、具有放大系数-A12和-A22的反向放大器和时序发生器组成。电极1上信号S1经放大后输出M10=A10×S1，M10连接到采样保持器1的输入和加法器1的一个输入，采样保持器1的输出M11=A10×A11×S1，M11连接到加法器1的另一个输入，加法器1的输出M12=M10＋M11，M12连接到反向放大器1的输入，反向放大器1的输出M13=－A12×M12，M13连接到开关K1的一端，开关K1的另一端连接到电极1；时序发生器1以T10时间段和T11时间段为周期产生时序H10和时序H11。

同理，电极2上信号S2经放大后输出M20=A20×S2，M20连接到采样保持器2的输入和加法器2的一个输入，采样保持器2的输出M21=A20×A21×S2，M21连接到加法器2的另一个输入，加法器2的输出M22=M20＋M21，M22连接到反向放大器2的输入，反向放大器2的输出M23=－A22×M22，M23连接到开关K2的一端，开关K2的另一端连接到电极2；时序发生器2以T20时间段和T21时间段为周期产生时序H20和时序H21。

根据法拉第电磁感应定律，信号S1中的感应电势E1与信号S2中的感应电势E2的差值U=E1—E2=K×B×D×v。

随着非满管液位的不同，电极组测量对应液位下的感应电势，进而得到相应的流速v：具体的，由于每对电极中的第一电极与第二电极处于同一水平线上相对设置，当两个电极均处于液位以下时，液体切割磁场，产生电势差；当两个电极处于液位以上时，输出信号相同，不会产生电势差，即所测流速为零。根据所得流速的分布情况，可以确定管内液位高度。

同时，舍去流速为零的信号，仅将几个大于零的流速v求平均值即可得到管道内导电液体的流速V。

所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种八对电极无衬里电磁流量传感器，其特征在于，包括供液体流过的测量管和两个相对而设的励磁模块，两个励磁模块同轴、通过励磁模块基座对称安装在测量管的外侧壁上，将测量管的轴线标记为X轴，将两个励磁模块的轴线标记为Y轴，X轴与Y轴垂直相交；测量管外壁上沿周向均匀设置有八对电极，八对电极所在的圆周面过Y轴；每对电极以X轴和Y轴决定的平面为对称面对称；

所述传感器还包括八组动态反馈电路，每组动态反馈电路包括与一对电极中的两个电极分别对应的测控单元和处理器，各动态反馈电路的结构相同；所述测控单元包括仪表放大器、低通滤波器、二级放大器、加法器、采样保持电路、时序发生器、反相放大器和模拟开关，与测控单元相对应的电极连接仪表放大器的输入端，仪表放大器的输出端连接低通滤波的输入端，低通滤波的输出端连接二级放大器的输入端，二级放大器的输出端分别连接采样保持电路和处理器的输入端以及加法器的第一输入端；采用保持模块的输出端连接加法器的第二输入端，加法器的输出端连接反相放大器的输入端，反相放大器的输出端连接模拟开关的第一输入端；时序发生器的输出端分别连接模拟开关的第二输入端和采样保持电路的输入端，模拟开关的输出端连接与测控单元相对应的电极。

2.根据权利要求1所述的八对电极无衬里电磁流量传感器，其特征在于，所述测量管的电导率σw不大于被测液体电导率σf；传感器的输出阻抗不大于转换器的输入阻抗。

3.根据权利要求1所述的八对电极无衬里电磁流量传感器，其特征在于，所述电磁流量传感器外罩设有磁场屏蔽壳。

4.根据权利要求2所述的八对电极无衬里电磁流量传感器，其特征在于，每个电极外表面均分别贴覆有一层金属屏蔽层。

5.根据权利要求3所述的八对电极无衬里电磁流量传感器，其特征在于，所述励磁模块的磁导率大于真空导磁率。

6.根据权利要求1-5任一所述的八对电极无衬里电磁流量传感器，其特征在于，所述无衬里电磁流量传感器每对电极的输出电压U=K×B×D×v，其中，D为测量管内径，B为励磁模块所提供与液体流动方向垂直的磁感应强度，K是仪表系数，v为测量管中被测液体流过的速度，通过输出电压U，计算得到液体流过的速度v；从各对电极测量换算出的v值中选取大于0的值，加和求平均值，即为管道内导电液体的流速值V。

7.根据权利要求6所述的八对电极无衬里电磁流量传感器，其特征在于，所述励磁模块采用环状永磁体。