（控制理论与控制工程专业论文）电磁流量计浆液流量信号的建模和处理.pdf

电磁流量计浆液流量信号的建模和处理 摘要 电磁流量计是基于电磁感应原理工作的，常用于测量水流量或者液固两相 流量。低频方波励磁的电磁流量计测量水流量时，输出信号稳定，测量精度高。 但是，测量浆液流量时，由于浆液干扰的影响，它的输出信号波动较大、测量 精度低。目前，国产的电磁流量计无法测量浆液流量，国内也没有提出有效的 浆液流量处理方法。 为了研究浆液流量信号的特点，采用2 5 h z 方波对电磁流量计励磁，进行水 流量和浆液流量的实验。对电磁流量传感器输出信号进行分析，包括幅值解调、 幅值概率密度计算和函数拟合。结果表明，纯水信号的幅值概率密度满足高斯 分布，浆液信号的概率密度满足近似高斯分布。 根据两类流量信号幅值概率密度模型和浆液干扰固有的随机性特点，对浆 液信号的解调结果进行滑动3 8 个半周期的数据筛选，得出了较为准确的幅值结 果。由此，提出了基于信号模型的电磁流量计浆液信号处理方法。其步骤为： 对浆液信号解调幅值，计算幅值基准；重构流量信号；对重构信号梳状滤波， 解调幅值；对解调幅值作3 秒钟时间的滑动滤波；输出幅值。 采用m a t la b 语言实现基于信号模型的电磁流量计浆液信号处理方法，对构 造的信号、实际水流量信号和实际浆液信号进行处理，结果表明，本文研究的 方法可以有效地削弱浆液干扰，跟随流量的变化，稳定地输出流量数值。在此 基础上，研制了基于d s p 的浆液信号处理系统，进行了浆液流量测量的现场实 验。实验结果表明，当浆液流量恒定时，电磁流量计稳态输出的波动率小于5 ； 当浆液流量变化时，电磁流量计的响应时间小于4 秒钟。 关键词：电磁流量计；浆液流量；信号模型；信号处理；滤波；重构 s i g n a lm o d e l i n ga n dp r o c e s s i n go fe l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e rf o rs l u r r y - f l o wm e a s u r e m e n t a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri sb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np d n c i p l e ，a n di s o f t e nu s e dt om e a s u r ew a t e rf l o wa n d t w o p h a s ef l o w f 场黝t h ee 1 e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r w i t hl o w - f r e q u e n c ys q u a r e - w a v ee x c i t a t i o nm e a s u r e st h ew a t e rf l o w , i t so u t p u ts i g n a li s s t e a d ya n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sh i g h b u tw h e ni tm e a s u r e st h es l u r r yf l o w , i t so u t p u t s i g n a lf l u c t u a t e sl a r g e l ya n dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sl o wb e c a u s eo fe f f e c to fs l u r r y n o i s e t h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rm a d eb yc h i n ac a n n o tm e a s u r et h es l u r r y f l o w a c c u r a t e l ya tp r e s e n t ，a n dt h ee f f e c t i v em e t h o dt od e a lw i t hs l u r r y - f l o wi sn o tp r o p o s e di n c h i n a i no r d e rt o s t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l u r r y - f l o ws i g n a l ，a l l e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e ri se x c i t e db y2 5 h zs q u a r e w a v e ，a n db o t ht h ew a t e r - f l o wa n ds l u r r y f l o w e x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e d t h eo u t p u ts i g n a lo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o ws e n s o ri sa n a l y z e d ， i n c l u d i n ga m p l i t u d ed e m o d u l a t e d ，c a l c u l a t i o no fa m p l i t u d ep r o b a b i l i t yd e n s i t ya n df i t t i n g o ff u n c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i g n a la m p l i t u d ep r o b a b i l i t yd e n s i t yo fp u r ew a t e ri s c o n s i s t e n tw i t hg a u s s i a nd i s t r i b u t i o na n dt h a to fs l u r r yi sc l o s et o g a u s s i a nd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt o t w ot y p e so f s i g n a la m p l i t u d ep r o b a b i l i t yd e n s i t ym o d e l sa n dt h e r a n d o mi n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs l u r r yi n t e r f e r e n c e ，t h ed e m o d u l a t e dr e s u l t so fs l u r r y f l o ws i g n a li sp r o p o s e dw i t h38h a l f - c y c l es l i d i n gf i l t e r i n g ，a n dm o r ea c c u r a t ea m p l i t u d ei s o b t a i n e d a n dt h e nas l u r r y s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o db a s e do nm o d e li sp r o p o s e df o r e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r t h em e t h o di sa sf o l l o w s ：d e m o d u l a t et h ea m p l i t u d eo f s l u r r ys i g n a l ，c a l c u l a t et h ea m p l i t u d eb a s i s ；r e c o n s t r u c tf l o ws i g n a lt h r o u g ha m p l i t u d eb a s i s ； u s ec o m bf i l t e rt of i l t e rr e c o n s t r u c t e ds i g n a l ，d e m o d u l a t et h ef i l t e r e d s i g n a l ；p e r f o r m 3 - s e c o n ds l i d i n gf i l t e rf o rd e m o d u l a t e da m p l i t u d e ；o u t p u tt h ea m p l i t u d e t h em o d e lb a s e ds l u r r y s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o do fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri s r e a l i z e db ym a t l a bl a n g u a g e ，a n di sa p p l i e dt od i f f e r e n ts i g n a l s ，s u c ha st h ec o n s t r u c t e d s i g n a l ，a c t u a lw a t e r - f l o ws i g n a la n da c t u a ls l u r r y - f l o ws i g n a l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m e t h o ds t u d i e di nt h i sp a p e rc a l lr e d u c et h ei n t e r f e r e n c eo fs l u r r yn o i s ee f f e c t i v e l y , f o l l o w t h ec h a n g i n gf l o wa n do u t p u tf l o wr a t es t e a d i l y o nt h i sb a s i s ，ad s p - b a s e ds l u r r y f l o w s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m i s d e v e l o p e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t s a r ec o n d u c t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es t e a d y s t a t eo u t p u tv o l m i l i t yo ft h es y s t e mi sl e s st h a n 5 w h e nt h es l u r r y f l o wi sc o n s t a n t ；t h er e s p o n s et i m eo ft h es y s t e mi sl e s st h a n4s e c o n d s w h e nt h es l u r r y f l o wc h a n g e s k e y w o r d s ： e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ；s l u r r yf l o w ；s i g n a lm o d e l ；s i g n a l p r o c e s s i n g ；f i l t e r i n g ； r e c o n s t r u c t i o n 插图清单 图1 1 电磁流量计工作原理1 图1 2 电容式电磁流量计2 图1 3 浆液干扰的特性2 图1 4 横河双频方波励磁电磁流量计3 图1 5 东芝的双励磁示意图4 图2 1 电磁流量计的工作原理5 图2 - 2 电磁流量计的浆液信号构成。6 图2 3 方式1 1 3 图2 4 方式2 j 7 图2 5 方式1 的微分干扰1 3 图2 - 6 方式2 的微分干扰8 图2 7 流速分布引起的涡流9 图2 8 磁场边界处强度减小引起的涡流9 图2 - 9 磁场变化引起的涡流1 0 图2 1 0 流动噪声的频谱1 2 图2 11 仿真信号1 2 图3 1 恒流量浆液实验装置1 4 图3 2 浆液跳变的仿真_ 1 6 图3 3 信号采集方向的规定1 7 图3 4c f t o o l 界面2 6 图3 5 拟合参数设置1 9 图3 - 6c f t o o l 拟合结果2 6 图3 7 函数拟合的参数1 9 图3 8 纯水流量信号2 l 图3 - 9 纯水信号的幅值解调结果2 1 图3 1 0 近似高斯拟合2 8 i i i 图3 - 11 高斯拟合2 1 图3 1 2 纸水质量比4 l o o 的浆液测量信号3 0 图3 1 3 信号细节2 3 图3 1 4 幅值解调结果2 3 图3 1 5 近似高斯拟合3 1 图3 1 6 高斯拟合2 3 图3 1 7 不同质量比下的近似高斯拟合2 4 图3 1 8 不同纸水质量比的幅值变化规律2 5 图4 1 梳状带通滤波器的幅频响应2 7 图4 2 浆液算法流程2 8 图4 3 取3 8 个半周期信号3 6 图4 4 信号的后6 点均值2 9 图4 5 幅值解调结果2 9 图4 - 6 选取幅值基准2 9 图5 1 仿真电磁流量计的输出信号3 2 图5 2 仿真浆液干扰3 3 图5 3 仿真流量信号、4 1 图5 4 仿真微分干扰3 3 图5 5 仿真工频干扰3 3 图5 - 6 仿真白噪声3 3 图5 7 仿真低频漂移3 4 图5 8 仿真斜坡偏移3 4 图5 - 9 仿真直流偏置3 4 图5 10 仿真浆液干扰3 4 图5 1 1 仿真流量计输出信号3 4 图5 1 2 仿真恒流量浆液信号：3 5 图5 1 3 仿真信号的幅值3 6 图5 1 4 仿真信号每半周3 6 i v 图5 1 5 重构的信号3 6 图5 1 6 两算法的幅值结果3 6 图5 1 7 两算法滑动滤波后的幅值结果j 3 7 图5 18 纯水算法滑动滤波后的幅值结果3 7 图5 1 9 浆液算法滑动滤波后的幅值结果3 7 图5 2 0 仿真的变化流量3 8 图5 21 仿真变流量浆液信号3 8 图5 2 2 仿真信号的幅值3 9 图5 2 3 仿真信号每半周3 9 图5 2 4 重构的信号3 9 图5 2 5 两算法的幅值解调结果3 9 图5 2 6 两算法滑动滤波后的幅值结果4 0 图6 1 现场纯水恒流量信号4 1 图6 2 纯水信号的幅值4 1 图6 3 纯水信号每半周4 1 图6 4 重构的信号4 2 图6 5 两算法的幅值解调结果4 2 图6 - 6 两算法滑动滤波后的幅值结果4 2 图6 7 纯水算法滑动滤波后的幅值结果4 3 图6 8 浆液算法滑动滤波后的幅值结果4 3 图6 - 9 实际浆液恒流量信号4 3 图6 1 0 浆液信号的幅值4 4 图6 1 1 浆液信号每半周4 4 图6 1 2 重构的信号4 4 图6 1 3 两算法的幅值解调结果4 4 图6 1 4 两算法滑动滤波后的幅值结果：4 5 图6 1 5 纯水算法滑动滤波后的幅值结果4 5 图6 1 6 浆液算法滑动滤波后的幅值结果4 5 v 图6 17 实际变流量浆液信号4 6 图6 1 8 浆液信号的幅值4 4 图6 1 9 浆液信号每半周4 6 图6 2 0 重构的信号4 7 图6 2 1 两算法的幅值解调结果4 7 图6 2 2 两算法滑动滤波后的幅值结果4 7 图7 1 系统硬件框图4 9 图7 2 系统软件框图5 0 图7 3 变流量浆液实验装置5 0 附图1 电磁流量计实验样机系统5 7 附图2 电磁流量计浆液测量实验现场5 7 附图3 浆液流量测量实验装置5 7 附图4 东芝浆液流量计与实验室系统5 7 附图5 川仪电磁流量计浆液实验证明5 8 v i 表格清单 表3 1 各口径下纯水信号的幅值相对波动范围2 2 表7 1 浆液测量波动对照表5 2 表7 2 浆液测量响应速度对照表5 3 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目巴王些态堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 釉育 签字日期：口，口年4 月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴工些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借 阅。本人授权 金e 曼王业太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 碌纠辛 签字日期：知l 。年4 月习日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 臀：7 撇 签字日期：却1 o 年牛月珥曰 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的导师徐科军教授。本论文在选题及研究和实验过程中，无不 倾注着徐老师的心血，徐老师不仅教授了我知识，同时也用他勤奋的工作、严 谨的作风、务实的态度和创新的理念，时时影响和督促着我。在此，谨向恩师 致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 感谢重庆川仪自动化股份有限公司王刚总工的指导和帮助，感谢石磊工程 师在实验方面给予的帮助。 感谢黄云志老师，张媛媛师姐、赵锐老师、罗清林师兄，感谢三年来他们 给予我的无私帮助和支持。 感谢课题组的杨双龙和张然同学。在与他们的共同合作中，我逐渐理清了 思路、深入了课题。他们踏实进取的优秀品质和积极向上的生活态度，也激励 着我不断努力进取。 感谢实验室里的各位朋友们，他们是：张磊、朱永强、李叶、陈佳臻、李 苗、方敏、侯其立、姜鹏、王沁、张慧凤、张玉超、周全、叶旭、单开，师兄 高学海、李祥刚、刘家祥、刘三山、曾宪俊、张冀，师姐刘晓丽。和大家一起 工作学习、分享思路，我受益匪浅。 感谢各位师长、同学和朋友们，感谢他们对我的关心、帮助和鼓励。 感谢爸爸、妈妈和小妹，感谢你们一直的支持。在今后的学习生活中，我 亦会不断努力，不辜负你们对我的期望! 作者：梁利平 2 0 1 0 年4 月7 日 第一章绪论 1 1 目的和意义 电磁流量计( e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ，可简称e m f ) 是基于电磁感应原理 工作的流量仪表，常用于测量水流量或者液固两相流量。 1 8 3 2 年，法拉第在英国泰晤士河滑铁卢桥的两头放下两根电极，想利用地 球的地磁场，以河水作为导体，来测量河水的流量。这是世界上最早的一次电 磁流量计的试验。但是，由于测量条件限制和各种干扰的影响，试验三天后就 停止了。随着电磁流量计基础理论的不断完善，1 9 3 2 年，柯林等人利用电磁流 量计测量和记录瞬时的动脉血液流量取得了成功。1 9 5 0 年，荷兰人首先在挖泥 船上使用电磁流量计。随后，电磁流量计在美国的一般工业生产中得到了应用。 1 9 5 5 年，日本通过引入美国的电磁流量计产品并不断吸收改进，其电磁流量计 也进入了世界先进行列。在1 9 5 5 年前后，前苏联、英国、德国也成功的生产出 自己的电磁流量计【1 , 2 , 3 】。 励磁线圈 流向v - j _ 一 多 - 、 e k 卜 ： 、 - - 。 澎 痧 彩 。、一 _ - 1 一罗 图1 1 电磁流量计工作原理 如今，电磁流量计的励磁方式已从最初的恒定磁场励磁，发展为单频交流 正弦波励磁、单频矩形波励磁、三值矩形波励磁、双频矩形波励磁、可编程矩 形波励磁等方式。电磁流量计产品的应用领域也不断扩大，市场上出现了电容 式电磁流量计、非满管电磁流量计、潜水电磁流量计等新型产品。 为了减少微分干扰和同相干扰对输出信号的影响，现在的电磁流量计多采 用矩形波励磁方式。 1 2 浆液流量的测量 由于电磁流量计的测量管不含有阻碍被测介质的部件，所以不易发生堵塞 磨损。因此，常用它来测量液一固两相流这一类含有固体颗粒、纤维或粘度较大 的导电性液体【1 1 。通常，我们称泥浆、砂浆、污水、化学纤维浆这些液固两相 的混合介质为浆液。 目前，可进行浆液测量的电磁流量计有两种：接触式电极的浆液型电磁流 量计和非接触式电极的电容式电磁流量计，均以方波励磁为主。 ( i ) 电容式电磁流量计 在浆液流量测量中，电容式电磁流量计的电极不接触流体，流量计的输出 信号不含有由电极接触浆液而产生的浆液干扰。但电容式电磁流量计的藕合信 号微弱信噪比低，所以产品的成本也较高口j 。工业应用中，多使用电容式电 磁流量计进行低电导率液体流量的测量。 醛 图1 - 2 电容式电碰流量计 ( 2 ) 接触式电极电磁流量计 在浆液流量测量中，接触式电投电磁流量计的两电极接触流体，所以流 量计输出信号中含有由电极接触浆液而产生的浆液干扰。时域上浆液干扰表 现为随机的大跳变信号；频域上，浆液干扰的幅值和频率成反比，近似t f 的 关系，如图13 所示。 由图可知，浆液干扰主要影响流量信号的低频部分。所以提高流量计的 励磁频率，可减少低频信号上的浆液干扰。这就要求人们对电磁流量计的励磁 电路进行改进。 e g 2 l l ( a 】s 。焉黹w 篙m 。 。嚣；。 豳i - 3 浆液干扰的特性 日前，国内的电磁流量计浆液信号处理过程通常如下：对测量输出信号采 用粗大误差处理方法，限定幅值跳变的幅度，进行阻尼滤波等数字信号处理方 法，最终使输出信号平滑【1 1 。 本文研究的是方波励磁接触式电极的电磁流量计，简称为电磁流量计。在 下面的叙述中，对电磁流量计测量纯水流量时的输出信号，简称为纯水信号； 对电磁流量计测量浆液流量时的输出信号，简称为浆液信号。 1 3 国内外电磁流量计浆液信号处理方法 传统低频方波励磁的电磁流量计，对浆液和低电导率流体的测量效果不佳。 经过一段时间的改进，国外出现了以下几种用于浆液测量的方波励磁电磁流量 计： ( 1 ) 横河双频方波励磁电磁流量计 1 9 8 7 年，日本的横河电机推出了用于浆液测量的双频方波励磁电磁流量计。 它采用高频7 5 h z 的方波调制低频6 2 5 h z 的方波，得到双频方波励磁信号。低频 励磁用于稳定信号零点，高频励磁用于降低信号中的浆液干扰。目前这种方法 较为成熟，既保持了信号零点的稳定，又避免了多相流造成的干扰问题【4 j 6 j 。 被测液流量稳定时，这种双频方波励磁的电磁流量计能得到满意的测量结 果。 l 低频l a d 低通 v i 删燃燃 输出u 。 飕嗣冈嗣 励磁波形 图卜4 横河双频方波励磁电磁流量计 ( 2 ) 东芝的双励磁方波励磁电磁流量计 1 9 9 2 年，日本东芝公司推出双激励方波励磁电磁流量计，这种电磁流量计 拥有两个励磁单元。流量平稳时，第一励磁单元将一个频率在4 h z 至8 h z 内的 方波励磁磁场施加到被测液，电磁流量计生成第一流速信号。流量受浆液等噪 声干扰时，第二励磁单元将一个频率在2 5 h z 至3 5 h z 内的方波励磁磁场施加到 被测液，电磁流量计生成第二流速信号。 判定第一流速信号正常，则输出第一流速信号或由第一流速信号标定的第 二流速信号；判定第一流速信号不正常，则标定电路输出第二流速信号或由第 二流速信号标定的第一流速信号【8 j 。 l v h 猁嘲 e 图1 - 5 东芝的双励磁示意图 目前，国内还没有厂家拥有浆液型电磁流量计的自主知识产权。2 0 0 7 年， 上海银流计测仪器有限公司曾发表专利浆液型电磁流量计 ( c n 2 0 0 7 1 0 1 7 14 0 6 6 ) ，提出采用“智能模糊算法处理浆液噪声9 1 ，但是，该专 利未给出该算法的具体步骤，目前也无类似产品问世。 1 4 本文的课题来源和主要工作 本文的课题来源于8 6 3 重点项目“典型行业高性能传感器”中的“过程控 制流量传感器及系统 课题。 测量浆液流量时，低频方波励磁电磁流量计输出信号波动大。本文旨在解 决方波励磁电磁流量计的浆液流量信号处理问题，并达到以下目标：当浆液流 量恒定时，电磁流量计稳态输出的波动率小于5 ；当浆液流量变化时，电磁流 量计的响应时间小于5 秒钟。 解决这个问题的总体思路是：首先，对电磁流量计的工作原理和输出信号 形成一个整体的认识。在此基础上，研究浆液干扰的成因和特点，建立浆液干 扰的模型，得到处理浆液干扰的理论依据。 为提出行之有效的浆液信号处理方法，首先需分析纯水信号和浆液信号， 掌握两类信号的外部形态差别、分布规律和模型特点。得到浆液处理方案后， 再结合电磁流量计纯水信号的处理方法，对浆液处理算法进行完善和改进。 为验证浆液算法的有效性和正确性，我们在m a t l a b 的s i m u l i n k 中搭建电 磁流量计信号模型，构建电磁流量计的输出信号。并采用m a t l a b 语言实现基于 信号模型的电磁流量计浆液信号处理方法，分别对构造的信号、实际水流量信 号和实际浆液信号进行处理。结果表明，本文研究的方法可以有效地削弱浆液 干扰，跟随流量的变化，稳定地输出流量数值。 在此基础上，研制了基于d s p 的浆液信号处理系统，进行了浆液流量测量的现场 实验。实验结果表明，当浆液流量恒定时，电磁流量计稳态输出的波动率小于5 ； 当浆液流量变化时，电磁流量计的响应时间小于4 秒钟。 4 论卜b 举 第二章电磁流量计的信号分析 2 1 电磁流量计基本工作原理 漉 流体磁场方向 图2 1 电磁流量计的工作原理 如图2 1 所示，对管道内流动的导电性液体，在垂直于流速的方向上施加 磁场b 。于是根据法拉第电磁感应定律，在垂直于流速和磁场的方向上，有感 应电压生成。通过安装在管壁相应位置上的一对电极，可测得电压如下： e ：罂：一b d a ：b d d l ：b d v ( 2 一1 ) 乜；= 一= 一= 5 二一l ， mmd t 式中，召是磁感应强度，单位t ( 特斯拉) ；h 是磁通变化的面积，单位m 2 ；e 是 两电极感应到的电动势，单位矿( 伏) ：是流体运动切割的闭合回路内的磁通量， 单位t o m 2 ；d 是导体长度，相当于管道直径，单位m ( 米) ；讲是导体运动的长度， 单位m ( 米) 。 由公式( 2 - 1 ) 知，感应电动势的大小和磁感应强度b 成正比，和导体的长度 d 成正比，与流体的平均速度矿成正比。 根据流量的连续性原理，若管道中途没有液体的输入和排放，则在管道的 不同截面处流过的液体流量都相同。图2 - 1 所示的圆形管道中，流过的体积 流量q 和测得的电动势巨为： q = 罢d 2 玩置：一4 i bq ( 2 2 ) 所以当磁场b 恒定时，管道内的液体流量q 可由电极上感应到的电动势e 线性表示。 2 2 电磁流量计的信号构成 浆液流量测量时，电磁流量计的输出流量不仅含有流量信号巨，还含有大 量的干扰信号。根据产生机理的不同，可将这些信号分为三类。 第一类是与电磁感应原理有关的流量信号、微分干扰、同相干扰；第二类 是与电化学作用有关的极化干扰、浆液干扰、流动噪声；第三类是通过外部电 路引入的工频干扰，可分为串模干扰、共模干扰两种。 图2 2 电磁流量计的浆液信号构成 2 2 1 流量信号 电磁流量计的励磁电路中，假设用于励磁的电流是f l ，则励磁电流f l 产生的 磁场骂，且蜀= 毛。根据电磁流量计的工作原理，当导电流体切割磁力线，可 在电极上测得感应电动势： e = 骂d - = l q , d 矿 ( 2 3 ) 其中，在励磁线圈里铜损和铁损的作用下【1 1 ，电磁流量计的磁场且是近似方波 的周期信号。 2 2 2 工频干扰 在使用电网供电的环境中，由于交流电源空间电场或磁场的作用，电磁流 量计的输出信号不可避免的叠加了工频干扰。 根据工频干扰叠加方式的差异，将它们分为两类：第一类是由空间静电场 引起的干扰；第二类是由分布电容引起的容性干扰。当被测管道为金属管道时 【3 】，空间静电场的干扰不是主要部分。 通常情况下，电磁流量计测量管上有静电屏蔽和接地装置，信号放大器上 也具有一定的共模抑制比，所以共模干扰不是测量中的主要噪声。而且在幅值 解调时，使用工频干扰同相位处的信号进行计算，也可减少串模干扰的影响。 6 2 2 3 微分干扰 理想的工作环境中，电磁流量计的电极与其引出导线构成的回路平面和励 磁磁场8 相互平行，所以穿过回路的磁通为0 。不论磁场蜀是否变化，该回路 中都不会生成感应电动势。而在实际工作环境里，电极与其引出导线构成的回 路平面和励磁磁场蜀间的绝对平行，是不存在的。而且励磁磁场蜀也不是绝对 均匀的，所以穿过回路的磁通并不为o 。 磁场e 变化，回路中的磁通就跟着变化。于是根据法拉第电磁感应定律， 回路中产生了感应电动势。 在本文讨论的电磁流量计中，磁场e 在换向时会发生较大的变化，此时在 两电极上生成信号为 岛：一盟：一s 堕：一毛s 亟 ( 2 4 ) 式中，且是励磁电流f 1 形成的磁场；么是磁场且在电极引线回路中产生的磁通； s 是电极引线回路与磁场墨相交的有效面积。通常，称q 为微分干扰。 式( 2 - 4 ) 中的负号，反映了电动势e l 和磁场e 的变化方向相反。若去负号， ； 则q 可表示为标量，记为e l = l q s l 粤。 甜 根据电磁感应定律，微分干扰是为了阻碍磁场尽变化而出现的一类信号。 特别的，由于电极引线回路、磁场、流速相对位置的不同，微分干扰岛和流量 信号e 的叠加方式也不一样，如图2 3 、图2 4 所示。图中，召1 为磁场，“x 表示磁场方向垂直纸面向内，v 代表管道内流体的流速，伍为感应的流量信号。 在同样的流速、磁场作用下，由于电极导线回路位置的不同，产生的微分干扰 和流量历的叠加方式也不同，如图2 3 中的p 1 。和图2 。4 中的e 1 ”所示。 在如图2 3 方式l 的电极引线回路中，电极输出电动势为 一； e m f = e + e = 舫1 d g + 厩s = 奠 ( 2 5 ) 在如图2 4 方式2 的电极引线回路中，电极输出电动势为 e m f = 巨_ = 历一毛s 鲁( 2 - 6 ) 电极导线回路( 方式2 ) 罾岔e ； 图2 - 3 方式1图2 4 方式2 一一、 、 ，e l 仃 、 剑 一一一一 2 5 h z 仿真信号2 5 h z 仿真信号 名 j 四 罂 z 1 5 zz 1 5 42 1 5 6z 1 5 8 z 1 5 2z 1 5 4z 1 5 6z 1 b 8 时间s时间s 图2 5 方式i 的微分干扰图2 6 方式2 的微分干扰 在方式1 和方式2 的电极引线回路中，流量信号和微分干扰的叠加方式分 别如图2 - 5 、图2 6 所示。两图中，实线为使用m a t l a b 仿真的2 5 h z 流量信号， 虚线为使用m a t l a b 仿真的微分干扰。 如图2 - 3 、图2 - 4 显示的流速和磁场方向下，我们认为，方式1 是电磁流 量计传感器的正向安装形式，方式2 是电磁流量计传感器的反向安装形式。通 常要求电磁流量计在正向安装形式下进行工作。此时，微分干扰和流量信号的 跳变一致，如图2 - 5 所示。 由式( 2 - 4 ) 知，微分干扰是在磁场旦变化时生成的。若磁场蜀恒定不变，则 微分干扰为0 。所以通常在流量信号进入稳态后，再采集流量数据，以减少微 分干扰的影响。 2 2 4 涡流干扰 由电磁感应原理，当变化的磁场穿过导体，导体中就会生成感应电流抵制 原磁场变化。这种电流一般呈旋涡状，俗称涡流。在电磁流量计中，把由于磁 场变化，在金属管壁和测量流体中形成的、会对电极测量结果产生影响的环状 电流，都称之为涡流。涡电流对流量信号产生的干扰，称为涡流干扰。根据产 生原因的差异，对涡流干扰作如下分类： ( 1 ) 流速分布引起的涡流 电磁流量计管道内流体的流动状态，可分为层流和紊流两种。层流的流速 特点是：在与管同轴的等半径位置上，各点的流速相同；在管壁上的流速为0 ， 越往圆心处的流速越大。紊流的流速特点是：管壁附近的流速呈指数曲线形式， 管道中其余位置的流速类基本一致。 实际上，管道内不同位置的流体微元，流速是不同的。于是，各流体微元切 割磁力线产生的电动势大小也不同。研究发现，如果管道液体的流速以中心轴 对称分布，则不管流体是层流或紊流状态，理论上电磁流量计产生的感应电动 势都正比于管道内流体的平均流速。于是我们可使用平均流速计算生成的感应 电动势大小，以简化考虑【lj 。 图2 - 7 所示的是电磁流量计测量管道剖面。假设磁场b 垂直管道截面向下， 且管道截面上各点的磁场强度、流体流速大小方向均恒定一致。测量电极安装 在垂直于磁场和流速的位置上，即图中的a 、b 两点。 可以想象，在平行于截面直径a b 的各层流体中，a b 层感应的电动势强度 最大，其它各层( 如c d 层) 随着与a b 偏离越大，感应出电动势的大小也逐级递 减。由于a b 层与其他流体层存在电势差，于是在磁场方向上，就产生了以电极 a b 为对称轴，在上下半面内环形流动的涡电流。 b ，00 丫丫丫 图2 - 7 流速分布引起的涡流 ( 2 ) 磁场边界处强度减小引起的涡流 上文假设励磁场e 恒定，且垂直于管道截面上各点的磁场强度恒定一致。 但实际上，电磁流量计施加于管道上的励磁磁场是有范围的，即磁场在管道轴 线上的分布不是无限的，如图2 - 8 所示。 该图中，磁场b 在垂直于电极a b 的横截面上分布最强，随着截面远离电极 a b ，场强逐渐变小。因此，垂直于电极a b 的横截面上产生的感应电动势最大， 远离电极a b 的磁场边缘处产生的电动势最小。于是在管道的径向切面上，产生 了以a b 为对称轴，左右区间内的环形涡电流。 。、 磷两 、 图2 8 磁场边界处强度减小引起的涡流 ( 3 ) 磁场变化引起的涡流 9 导体 励磁电 姗 图2 - 9 磁场变化引起的涡流 如图2 - 9 所示，电磁流量计的励磁电流为，生成磁场昼。根据电磁感应 定律，变化的磁场蜀穿过金属导体或导电流体，感生出涡流易。涡流之生成磁 场岛，以抵制励磁场马的变化。其中，涡流f 2 和磁场岛为： i = = - - 掀2 7 - 啦等呐堕( 2 - d t 7 ) 衍 1 岛= 恕f 2 = 一毛也是詈( 2 - 8 ) 式中，骂为励磁电流f l 形成的磁场；岛为涡电流如形成的磁场；屯为涡电流f 2 与 磁场反问的系数；欢为磁场蜀在金属管壁和导电液体中形成的磁通；还为生成 欢的有效面积。 所以，磁场历和尽的变化方向相反，相位相差9 0 。当涡流磁场岛被管 道内的流体切割，电磁流量计的电极上就会生成电动势e 2 为 巳= 警= 崩等= 局垦。瓦d l = p l b 2 d v 叫m 是鲁历( 2 - 9 ) 式中，识为流体切割磁场岛的磁通；昆为比例系数。 此外，变化的磁场局穿过电极及其引线的回路时，又生成电动势白： 巳一警一p ：s 等诌盔如墨是字 (2-10) 式中，么为磁场岛在电极引线回路中形成的磁通；仍为比例系数。 在如图2 - 3 的正向安装的电磁流量计中，若只考虑流量信号、微分干扰、 涡流干扰，则电极上输出信号为 e m f = e l + e ：+ e 2 + e = 硝历+ 岛s 鲁咱k l k 2 s 2d 讲i d v 吃岛乞s 是争( 2 - 1 1 ) 1 0 2 2 5 电化学作用产生的干扰 电磁流量计的金属电极在导电液中发生腐蚀，并形成金属氧化膜。根据电 化学原理，在电极与液体的接触面上，还会产生由极性相反电荷组成的双电层 结构。金属电极被腐蚀时发生的这一系列氧化还原过程，都是电化学上的平衡 过程【1 3 , 1 0 , 1 4 l 。 ( 1 ) 极化干扰 导电流体切割励磁磁场时，电磁流量计的测量电极输出感应电动势。感应 电动势经过差动放大后输入外电路。所以，此时的金属电极和电极引出回路中 有电流流过。 然而，金属导线内的载流子是自由电子，溶液中的载流子是正负离子。若 该回路形成通路并有电流流过，则外部电路和溶液中的载流子一定发生了定向 运动。为了便于区分，我们称金属载流子运送电荷进入流体时所经过的电极为 阴极，记为电极a ；称溶液载流子运送电荷进入金属导线时所经过的电极为阳 极，记为电极b 。 当外电流为零时，两电极上的氧化还原反应速度相等，电荷交换和物质交 换都处于动态平衡之中，因而净反应速度为o ，电极上没有电流流过。此时的 电极电位为平衡电位。记阴极a 的平衡电位为缈。，阳极b 的平衡电位为。 外电流存在时，电极a 和电极b 若想保持住平衡电位，则必须保证电荷能 在金属、溶液这两相介质之间顺利的传递，而不会在电极表面堆积。在阴极a 上，需要它能快速的把电荷转移到给溶液中的离子导体；在阳极b 上，则需要 溶液中的离子导体能快速的将电子转移给它。 试验表明，电荷在金属导体中的运动速度往往大于其在两相间转移的速度。 所以外电流存在时，阴极a 上电子流入电极的速度大，造成负电荷的积累；阳 极b 上电子流出电极的速度大，造成正电荷的积累。因此，阴极的电位向