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影响电磁流量计中的微分干扰变化的模型分析

来源:编辑:发表时间:2021-03-13 10:06:20

 摘 要: 影响电磁流量计中的微分干扰大小的因素多集中在理论分析方面。为了弥补实际验证微分干扰变化的研究空白,提出了一种基于真实电极测量环境检验微分干扰变化的模型。在该模型中,根据微分干扰产生并被检测的实际电极环境,充分考虑其与励磁线圈等效电感、电极引出线偏离程度和溶液电导率之间的关系,同时设计实际实验作为模型输出结果对照。仿真与实验得到的微分干扰大小变化结果表明,使用该模型可以较好地检验出微分干扰变化趋势。

 
引言
电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的测量仪表[1],电极上感应出的电势与流体流量成正比,将感应电势信号连接到外部变送器中,进行一系列的如放大、滤波、电压提升和模数转换等处理,得到最终流量值[2]。但由于测量环境的复杂性,电极上会掺杂如直流极化、工频干扰、共 模 干 扰、串模和浆液噪声等各种噪声信号[3-4],主要是以尖峰大跳变形式呈现的微分干扰信号[5],幅值远大于流量信号的微分干扰信号会致使仪表放大器饱和,真实信号失真,造成仪表测量精度达不到工业仪表要求[6]。而现阶段的成果主要是运用信号处理技术来消除或降低微分干扰[7-11]的作用,并未对影响其因素进行深入研究。因此,检测微分干扰如何变化成为电磁流量计在今后的发展应用中需要解决的重要问题[12]。
 
现有的可以测量出微分干扰的模型,只考虑到影响它的大小的其中一个因素[13],而对微分干扰产生作用的其他因素仅限于理论分析[14]。因此,设计了一种基于实际电极测量环境下检验微分干扰变化的模型,在微分干扰产生并被检测的过程中,根据电极实际测量环境,共同检验传统模型中的溶液电导率[13]和理论中的励磁线圈等效电感[14]、引出电极信号的电极引线偏离程度[14]三个因素对微分干扰变化产生的影响。仿真与实验结果表明,该模型满足检验范围广的要求。 1 实际电极测量环境导电性液体在圆管道匀速流动做切割磁力线运动时,与液体相接触的两个电极 A、B 拾取感应电势,再经由连接在电极上的两根引出线接到外部电路中实现信号放大[15]。图 1 为基于实际电磁流量计的电极测量环境示意图。
电磁流量计的电极测量环境示意图
在实际的电极测量环境中,与微分干扰变化相关的因素分为三部分。很好部分是安装在测量管道外侧的矩形励磁线圈值,微分干扰与线圈中的励磁电流变化量有关[16],而电流的变化量受励磁线圈等效电感值控制,故将线圈作为感性负载时,微分干扰大小受电感值影响; 第二部分是由两个测量电极、电极引出线、仪表放大器组成的电极引出线回路与励磁磁场的相对位置,即磁场位置恒定仅变动电极引出线位置时,对微分干扰变化的影响[14]; 第三部分是均匀充满管道电导率为 σ 的导电性溶液,在测量电极与溶液相接触的两相界面上形成的电极阻抗值受电导率变化影响[13]。 
 
2 检验微分干扰变化的模型
2. 1 模型构建
在电极实际测量环境中,经很好个正测量电极 A→电极 A 引出线→仪表放大器→电极 B 引线→第二个负测量电极 B→被测溶液→再回到 A,共同组成如图 2 所示的检验微分干扰变化的模型。
检验微分干扰变化的模型示意图
其中: K1 和 K2 为增益元件; Rs1和 Rs2为电极接触电阻; R1 和 R2 为放大器的输入电阻; Rct1和 Rct2为电荷传递电阻; Lx 为线圈等效电感; C1 和 C2 为双电层电容; E0 为流量信号; P1 为微分干扰; L1 为测量回路等效电感; A0为放大倍数; Vout为模型输出。
 
模型主要包括正电极 A、负电极 B 和仪表放大器。对于正电极 A 来讲,励磁线圈中的电流一路经过增益模块 K1 后得到正流量信号,另一路经过将励磁线圈和电极引出线回路等效看成变压器元件后对电流求导得到电极 A 上的微分干扰信号,将电极引出线回路看作匝数为一的变压器副边,电极引出线偏离程度等效成测量回路电感 L1,微分干扰经正电极阻抗后接到仪表放大器的正向输入端。对于负电极 B,增益模块 K2 用于得到负流量信号,同理,将经“变压器效应”后得到的电极 B 上的微分干扰信号加入仪表放大器的反向输入端。在放大器内部实现微分干扰信号的运算。仅考虑微分干扰作用时,即令 E0 = 0、A0 = 1,模型输出可用公式( 1) 表示:
模型输 出可用公式( 1)
其中,TA1、TA2和 c 是与正电极阻抗 ZA 相关的阻抗系数,TB1、TB2和 d 是与负电极阻抗 Zb 相关的阻抗系数,且均随溶液电导率 δ 变化。正、负电极阻抗取值参照文献[17-18],所设计的模型参数初始值如表 1 所示。
模型参数列表
2. 2 仿真模型
将表 1 中的值代入到模型输出公式( 1) 中,计算出 c = 0. 998、TA1 = 0. 001、TA2 = 9. 9×10-4。由于两测量电极阻抗系数存在细微差别,负电极 B 可取 d = -0. 997、TB1 = 9. 75×10-4、TB2 = 9. 74×10-4。根据检验微分干扰变化的模型设计出的仿真模型示意图如图 3 所示。
检验微分干扰变化的仿真示意图
信号模块 PulseGenerator 经过加法器和乘法器后产生三值励磁电流 i。一阶惯性模块 TransferFcn1 模拟电流在换向时的延时过程。励磁电流 i 经过模块 Gain2、 Gain5 后得流量电势信号 E0。微分模块 Derivative1、De- rivative2 作用是对励磁电流求导得微分干扰信号,增益Gain1、Gain4 的值取决于励磁线圈等效电感 Lx 和电极引线偏离度 L1。模块 Gain3、Gain6、TransferFcn2、TransferF- cn3 分别对应公式( 1) 中的 c、d、TA1、TA2、TB1、TB2。
 
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