磁場式電磁流量計(jì)幾種基本實(shí)驗(yàn)方法
磁場式電磁流量計(jì)幾種基本實(shí)驗(yàn)方法的探索
磁場式電磁流量計(jì)幾種基本實(shí)驗(yàn)方法的探索 從文獻(xiàn)和相關(guān)的資料可知，前人對極化電壓的研究都是從定性的角度提出了一些粗略的概念，定量深入的研究內(nèi)容很少，而且缺少理論分析和相關(guān)的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)介紹。對此，本文的研究首先需要用實(shí)驗(yàn)對極化電壓進(jìn)行詳細(xì)的分析和驗(yàn)證。要從較大的極化電壓中提取出較小的感應(yīng)電動勢，可以設(shè)想兩種方法： 第一，研究極化電壓，分析兩個電極上極化電壓的相關(guān)性。如果它們之間存在某種特定的關(guān)系，可以利用該關(guān)系，將極化電壓作為感應(yīng)在兩個電極上的共模信號或者共同的干擾信號來對待，利用相關(guān)原理設(shè)法消除同時存在于兩個電極上的極化電壓：
第二，避開極化電壓，設(shè)法將它調(diào)整到和感應(yīng)電動勢同一量級的穩(wěn)定值，而且保證感應(yīng)電動勢不被控制，它仍然隨著流速變化而穩(wěn)定地變化。這樣，就相當(dāng)于從同一量級的穩(wěn)定信號中提取出變化的有用信號。借鑒以上兩種思路，我們前期按以下方法進(jìn)行過初步的實(shí)驗(yàn)、探索和分析。
2．3．1差分對比消除極化的實(shí)驗(yàn)
由于測量電極與被流體接觸時會產(chǎn)生電極的極化，即在兩電極之間產(chǎn)生與流量無關(guān)的具有緩慢變化及隨機(jī)性的一種極化電壓。通電線圈勵磁的電磁流量計(jì)采用正反向交替變化的勵磁方式消除極化電壓，分別在勵磁信號的正半周期和負(fù)半周期采集信號，由于極化電壓與磁場無關(guān)，兩次得到的流量信號經(jīng)過差分變換即可去除極化干擾，從而得到流量信掣131。
1983年，日本的專利【2明(專利申請?zhí)枺篔P58216916)中也提到過類似的研究方法。借鑒該思路，按照圖2．3所示的原理圖設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在測量管道上相鄰的地方安裝兩組電極(A1，B1和A2，B2)，用兩組測量電路采集信號，其中一路測量電路采集在磁場作用下電極(A2，B2)上的信號，另一路測量電路采集沒有磁場作用下電極(A1，B1)上的信號。因?yàn)闃O化電壓與磁場無關(guān)，在保證電極材料和測量流體完全相同的情況下， 兩路信號經(jīng)過差分變換，理論上可以消除兩組電極上采集的共同的極化電壓，從而反應(yīng)流速信號。圖2．3差分對比消除極化原理圖調(diào)整加磁鋼和不加磁鋼兩組電路，保證靜態(tài)無流速時，加磁鋼和不加磁鋼兩組電路的輸出電壓盡可能相等，從理論分析可知，有流速時，加磁鋼的電極上采集的信號應(yīng)該包括極化電壓和反應(yīng)流速的感應(yīng)電動勢。不加磁鋼的電極上采集的信號僅僅包括極化電壓，所以，兩組信號經(jīng)過差分后，得到的僅僅是反應(yīng)流速的感應(yīng)電動勢。
但是，屢次實(shí)驗(yàn)都沒有得到理論分析的結(jié)果，差分后的信號始終是一個固定的電壓，而不會隨著流速的變化而變化，分析可能存在的原因如下：其一，極化是一個緩慢變化的過程，極化電壓有很大的隨機(jī)性，以上方法理論上認(rèn)為兩個傳感器電極上測量的極化電壓等同或相關(guān)，但是實(shí)際上兩組電極上測量的極化電壓并不完全一致，它們之間沒有相關(guān)性，流體分別流經(jīng)兩個傳感器時，極化電壓發(fā)生了變化。其二，反應(yīng)流速的感應(yīng)電動勢和極化電壓相互影響。有磁場和無磁場作用下得到的極化電壓完全不同。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，雖然電極材料和測量流體完全相同，測量結(jié)果并不能反映流速的變化，說明在同一管道上非常靠近的兩對電極上產(chǎn)生的極化電壓沒有任何的相關(guān)性，不能通過該差分對比消除極化的方法反映感應(yīng)電動勢，由此也進(jìn)一步驗(yàn)證了極化電壓隨機(jī)變化且不具有任何相關(guān)性。
所以，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了以上內(nèi)容后，基于極化電壓不相關(guān)且隨機(jī)變化的角度，我們探索并提出了下文的反饋方法。
2．3．2繼電器電容反饋抑制極化的實(shí)驗(yàn)
對極化電壓的隨機(jī)不相關(guān)性，設(shè)想一種反饋控制思想，保證一個周期內(nèi)既有測量時間又有控制時間。測量時間內(nèi)，采集電極上的極化電壓；控制時間內(nèi)，將已采集的極化電壓反饋給測量電極，以實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消該電壓。前期，我們設(shè)計(jì)以下方法進(jìn)行探索和實(shí)驗(yàn)，先將電極采集的信號給電容充電， 然后交叉反饋給測量電極，將電容已存儲的電荷放電，理論上可以破壞已經(jīng)建立起來的極化電壓，從而控制極化現(xiàn)象，抑制極化電壓，使其不能重新建立起來。圖2．4雙繼電器工作系統(tǒng)原理圖
該方法的工作原理如圖2．4所示，兩個繼電器反向接輸入信號(b2、b4和“、b2相連)，el、e2和n、岔分別接控制信號，c、D接差分放大器，兩個繼電器的控制信號是反向連接的，在控制信號的作用下，繼電器由常閉接點(diǎn)a1、a3、b1、b3分別轉(zhuǎn)到常開接點(diǎn)a2、a4、b2、b4，再回到a1、a3、bl、b3。繼電器1接通a2、a4時，繼電器2接通bl、b3，電極A上的輸出電壓給電容cl充電，電極B上的輸出電壓給電容c2充電。控制信號電壓反向時，繼電器1接通al、a3，繼電器2接通b2、b4，電容c1反向給電極B放電，電容c2 反向給電極A放電。在繼電器控制信號的一個周期內(nèi)，電極給電容充電，電容交叉反相給電極放電，如此反復(fù)地充電一放電一充電。已經(jīng)建立起來的極化電壓在電容的充電放電作用下，逐步被抑制并最終控制在一定的范圍。因而，從理論上講，C、D輸入差分放大器的電壓將不再包含直流極化電壓， 而僅僅包括反應(yīng)流速變化的感應(yīng)電動勢。實(shí)驗(yàn)測得無流量和有流量時的信號波形分別如圖2．5的(a)和(b)所示，兩幅圖片中上下兩個波形分別是示波器采集電極A、B和c、D上的波形。圖片中靠下的波形均為反應(yīng)流量的信號。(a)無流速時輸出波形(b)有流速時輸出波形圖2．5繼電器電容反饋法測量結(jié)果對比從實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果(圖a和b中靠上的波形)可以看出，有無流速時，極化電壓都被控制在很小的范圍內(nèi)(50mv以內(nèi))，流速變化時，極化電壓上疊加的感應(yīng)電動勢有比較明顯的體現(xiàn)，輸出波形相當(dāng)于在無流速的波形上疊加了交流信號(圖a和b中靠下的波形)。同時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明：電容充放電的過程不穩(wěn)定，受外界干擾影響嚴(yán)重， 反應(yīng)流速信號的波形極不穩(wěn)定，近似于雜波信號。在一段較長的時間內(nèi)重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，每次將極化電壓控制的最終數(shù)值未必穩(wěn)定相同，反映流速信號的波形也難以保證完全一致。
但是，從測量控制時序和電容存在漏電現(xiàn)象的角度考慮，本方法難以從“量” 的角度準(zhǔn)確地把握反饋控制極化電壓的“度”，不能保證每次將同極化電壓等量的反向電壓反饋給測量電極。
總之，該實(shí)驗(yàn)充分證明了繼電器電容反饋抑制極化電壓的方法可行，可完全抑制極化電壓到較小的范圍。但是該方法的測量電路和實(shí)驗(yàn)思想還不完善，測量結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性也不理想，目前的測量結(jié)果只有很粗略的反映。因此，在繼續(xù)改進(jìn)并充分完善本實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了動態(tài)跟蹤的反饋實(shí)驗(yàn)方法。
2．3．3動態(tài)反饋控制極化電壓方法的探索