CN1908598A - 基于平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法。该方法采用电动位移平台驱动高斯计探头逐点测量电磁流量计电极与管段轴线所在平面的法向磁通量密度，计算机利用所测得的平面磁场信息重构管段内空间三维磁场，进一步结合管段几何尺寸及数学模型计算出电磁流量计一次传感器的转换系数，从而实现电磁流量计一次传感器的高精度干标定。它能避免实流标定所带来的高成本，避免传统干标定方法中复杂的空间三维磁场的测量，可实现电磁流量计在不同介质及各种流场环境下的检测与标定。
Description
技术领域
本发明涉及应用于电磁流量计的标定方法，尤其涉及一种基于电极与管段轴线所在平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法。
背景技术
目前，电磁流量计多采用实流标定方法，需要实际流动的液体通过电磁流量计测量管段来完成其标定。此方法存在以下三个缺点：1)需要搭建大型的实流标定装置，其中大口径电磁流量计的实流标定装置极其昂贵，标定成本也非常高；2)实流标定装置通常只有一种测量介质，例如水，其所产生的流场亦为完全发展的理想流场。但现场使用时，电磁流量计的测量介质可能不是水，而是黏液、浆液甚至多相介质等，管段内流场也并非一定为实流标定时的理想流场，因此实流标定得出的仪表精度并不能代表现场使用的实际精度；3)电磁流量计通常要求进行定时的重新标定，而实流标定装置不具备可移动性，因此用户与厂家通常需要花费额外的资源将电磁流量计从现场运输至实流标定装置所在地进行重新标定。
电磁流量计干标定方法可避免实流标定的以上缺点，标定过程中无需实际介质，其装置制造成本及标定成本大大降低，装置具备可移动性，可在电磁流量计使用现场完成其标定，原理上干标定采用理论计算的方式，可完成不同介质及各种流场环境下电磁流量计的检测与标定。但传统的电磁流量计干标定方法要求测量整个电磁流量计管段内空间的三维磁场信息。而在各点磁通密度方向未知的情况下，要做到准确测量三维磁场信息显然不太可能，因此传统的干标定方法在精度上无法达到工业化应用的要求。
发明内容
为了避免传统的电磁流量计干标定方法中管段内空间方向未知的三维磁场的测量，本发明的目的在于提供一种基于电极与管段轴线所在平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法，只需测量电磁流量计电极与管段轴线所在平面上方向已知的法向磁通密度，能确保测量的准确性，进而提供一种高精度、可模拟不同介质及各种流场情况的电磁流量计干标定方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法，用高斯计逐点测量电磁流量计电极与管段轴线所在平面的法向磁通量密度，计算机利用所测得的平面磁场信息重构管段内空间三维磁场，结合管段几何尺寸及数学模型计算出电磁流量计一次传感器的转换系数，从而实现电磁流量计一次传感器干标定。
利用计算机控制电动位移平台驱动高斯计探头逐点扫描测取电磁流量计电极与管段轴线所在平面的法向磁通量密度，测量时高斯计探头平面与电极与管段轴线所在平面重合。
用标量磁位势来描述整个管段内的空间三维磁场，则标量磁位势满足拉普拉斯方程。利用电极与管段轴线所在平面上标量磁位势的法向导数，即法向磁通密度为求解条件，求解标量磁位势的拉普拉斯方程，使得管段内空间各点标量磁位势由求解条件，即电极与管段轴线所在平面上法向磁通密度唯一决定。从而只需通过测量电极与管段轴线所在平面上的法向磁通密度，便可重构管段内空间三维磁场。
利用内径干分尺、游标卡尺测量电极尺寸、电极间距离及管段内径，用于构建空间权重函数，并确定积分空间。
根据不同介质及各种流场情况建立不同的流场数学模型，标定时与重构的三维磁场模型、空间权重函数相乘，并根据管段几何尺寸在整个管段空间进行积分，得到单位流量下电磁流量计电极间输出电压，即电磁流量计一次传感器转换系数，从而实现电磁流量计一次传感器干标定。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：避免了传统的电磁流量计干标定方法中管段内空间方向未知的三维磁场的测量，只需测量电极与管段轴线所在平面的法向磁通密度，由于电极与管段轴线所在平面的法向磁通密度的方向已知，即电极与管段轴线所在平面的法向，因此大大方便了测量，确保了测量的准确性，以此为基础提供了一种高精度、经济、可模拟各种流场情况的电磁流量计干标定方法。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
图中：1、微型霍尔传感器的高斯计探头，2、轴，3、位移平台，4、控制器，5、高斯计仪表，6、计算机，7、电磁流量计电极，8、电磁流量计电极，9、电磁流量计管段轴线。
图2是本发明中高斯计探头安装示意图。
图中：10、高斯计探头平面，7、电磁流量计电极，8、电磁流量计电极，11、法线方向。
具体实施方式
电磁流量计干标定方法的目的是获取一次传感器的转换系数K1，即：单位流量通过电磁流量计时，一次传感器电极间的输出电压大小。按照电磁流量计理论，电极间输出电压可用式(1)表述：
U＝∫(B×V)Wdτ (1)
式中：B——电磁流量计管段内各点磁通密度
V——电磁流量计管段内各点介质流速
W——电磁流量计管段内空间权重函数
τ——积分空间，即电磁流量计管段内整个空间
可见，若能分别知道B、V、W随空间坐标，例如柱坐标系(ρ，θ，z)下的表达式B(ρ，θ，z)、V(ρ，θ，z)、W(ρ，θ，z)，便可方便地求取一定流速分布下电磁流量计电极间输出电压的大小，进而求取K1，实现电磁流量计一次传感器的干标定。其中：B(ρ，θ，z)在传统的电磁流量计干标定方法中无法准确测取，通过本发明可做到准确获取；V(ρ，θ，z)可根据不同的流场要求而定，通过其数学表达式的变化模拟各种流场情况；W(ρ，θ，z)表示电磁流量计测量时此坐标点感应电动势对两电极间电位差U所起作用的大小，现已有成熟的理论讲述各种典型电磁流量计的W(ρ，θ，z)表达式。综上所述，电磁流量计干标定方法的实现关键在于B(ρ，θ，z)的准确获取。
本发明中，利用电磁流量计管段内磁场是一个无旋场的特点，用标量磁位势来描述整个管段内的空间三维磁场，标量磁位势满足拉普拉斯方程。利用电极与管段轴线所在平面上标量磁位势的法向导数，即法向磁通密度为求解条件，求解标量磁位势的拉普拉斯方程，使得管段内空间各点标量磁位势由求解条件，即电极与管段轴线所在平面上法向磁通密度唯一决定，从而只需通过测量电极与管段轴线所在平面上的法向磁通密度，便可重构管段内空间三维磁场。因此，首先需要测量电极与管段轴线所在平面法向磁通密度。
测量方法如下：如图1所示，头部装有微型霍尔传感器的高斯计探头1、高斯计仪表5及连接两者的信号线S1组成磁场测量模块，测量精度为0.1％。具有轴向及电极连线方向两个自由度的位移平台3、控制器4及连接两者的信号线S2组成电动位移平台，轴向定位精度为3μm，电极连线方向定位精度为3μm。高斯计探头1通过轴2固定到位移平台3上，高斯计仪表5、控制器4分别通过通讯线C1、C2与计算机6相连。工作时，计算机6通过控制器4控制位移平台3，驱动高斯计探头1以一定的扫描路径及步长完成整个电磁流量计电极与管段轴线所在平面法向磁通密度的逐点测量，测得数据由高斯计仪表5通过通讯线C1上传给计算机6。测量时，计算机6可通过高斯计仪表5控制磁场测量模块测量时的采样时间点，通过控制器4控制高斯计探头1的扫描路径及步长。扫描路径可采用先轴向再电极连线方向或先电极连线方向后轴向：前者先以一定步长完成轴向的逐点扫描，然后电极连线方向推进一个步长距离，进行下一个轴向的逐点扫描；后者先以一定步长完成电极连线方向的逐点扫描，然后轴向推进一个步长，进行下一个电极连线方向上的逐点扫描。
磁场测量过程中，计算机6所获得的每个测量点的信息将包括测量点坐标及该点法向磁通密度。通常选取电磁流量计两个电极7、8的中心点为坐标原点建立参考坐标系，以其中任意一个电极所在位置为逐点测量的起始点。为了确保测量精度，应如图2所示：确保高斯计探头平面10与电极7、8和管段轴线所在的平面重合，即使高斯计探头平面10与电极7、8和管段轴线所在平面法线方向11垂直，让法向磁通密度垂直穿过高斯计探头平面10。
完成电极与管段轴线所在平面法向磁通密度的测量后，计算机6程序以测得的电极与管段轴线所在平面法向磁通密度为求解条件，完成标量磁位势拉普拉斯方程的求解，得到管段内空间各点的磁通密度分布函数B(ρ，θ，z)，从而完成三维磁场的重构。
完成三维磁场重构后，需利用内径千分尺、游标卡尺测量电磁流量计的电极尺寸、电极间距离及管段内径。测量所得数据输入计算机6，计算机6将利用所得数据构建空间权重函数W(ρ，θ，z)，并确定式(1)的积分空间τ。
此外，可通过计算机6选择不同介质及各种流场情况，计算机6将自动选用相应的空间流速分布数学模型用于计算。以最典型的轴对称流速分布为例：层流时，空间流速分布数学模型为V(ρ，θ，z)＝V0(1-ρ2)；紊流时，空间流速分布数学模型为V(ρ，θ，z)＝V0。
最后，计算机6按式(1)将B(ρ，θ，z)、V(ρ，θ，z)、W(ρ，θ，z)相乘，并根据管段几何尺寸在整个管段空间τ进行积分，得到电磁流量计电极间输出电压。进一步得到电磁流量计一次传感器转换系数K1，从而实现电磁流量计一次传感器干标定。
要完成电磁流量计整机的干标定，还需实现电磁流量计二次转换器的干标定。目前电磁流量计二次转换器的干标定普遍采用模拟器法，即以模拟器输出模拟一次传感器的输出，实现二次转换器的标定，模拟器法现已十分成熟，因此本发明沿用此方法。
Claims (5)
1、一种基于平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法，其特征在于：高斯计逐点测量电磁流量计电极与管段轴线所在平面的法向磁通量密度，计算机利用所测得的平面磁场信息重构管段内空间三维磁场，结合管段几何尺寸及数学模型计算出电磁流量计一次传感器的转换系数，从而实现电磁流量计一次传感器干标定。
2、根据权利要求1所述的一种基于平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法，其特征在于：利用计算机控制电动位移平台驱动高斯计探头逐点扫描测取电磁流量计电极与管段轴线所在平面的法向磁通量密度，测量时高斯计探头平面与电极与管段轴线所在平面重合。
3、根据权利要求1所述的一种基于平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法，其特征在于：用标量磁位势来描述整个管段内的空间三维磁场，标量磁位势满足拉普拉斯方程。利用电极与管段轴线所在平面上标量磁位势的法向导数，即法向磁通密度为求解条件，求解标量磁位势的拉普拉斯方程，使得管段内空间各点标量磁位势由求解条件，即电极与管段轴线所在平面上法向磁通密度唯一决定；从而只需通过测量电极与管段轴线所在平面上的法向磁通密度，便可重构管段内空间三维磁场。
4、根据权利要求1所述的一种基于平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法，其特征在于：利用内径千分尺、游标卡尺测量电极尺寸、电极间距离及管段内径，用于构建空间权重函数，并确定积分空间。
5、根据权利要求1所述的一种基于平面磁场逐点测量的电磁流量计干标定方法，其特征在于：根据不同介质及各种流场情况建立不同的流场数学模型，标定时与重构的三维磁场模型、空间权重函数相乘，并根据管段几何尺寸在整个管段空间进行积分，得到单位流量下电磁流量计电极间输出电压，即电磁流量计一次传感器转换系数，从而实现电磁流量计一次传感器干标定。
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