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        影響電磁流量計中的微分干擾變化的模型分析

        來源:作者:發表時間:2021-03-13 10:06:20

         摘 要: 影響電磁流量計中的微分干擾大小的因素多集中在理論分析方面。為了彌補實際驗證微分干擾變化的研究空白,提出了一種基于真實電極測量環境檢驗微分干擾變化的模型。在該模型中,根據微分干擾產生并被檢測的實際電極環境,充分考慮其與勵磁線圈等效電感、電極引出線偏離程度和溶液電導率之間的關系,同時設計實際實驗作為模型輸出結果對照。仿真與實驗得到的微分干擾大小變化結果表明,使用該模型可以較好地檢驗出微分干擾變化趨勢。

         
        引言
        電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律的測量儀表[1],電極上感應出的電勢與流體流量成正比,將感應電勢信號連接到外部變送器中,進行一系列的如放大、濾波、電壓提升和模數轉換等處理,得到最終流量值[2]。但由于測量環境的復雜性,電極上會摻雜如直流極化、工頻干擾、共 模 干 擾、串模和漿液噪聲等各種噪聲信號[3-4],主要是以尖峰大跳變形式呈現的微分干擾信號[5],幅值遠大于流量信號的微分干擾信號會致使儀表放大器飽和,真實信號失真,造成儀表測量精度達不到工業儀表要求[6]。而現階段的成果主要是運用信號處理技術來消除或降低微分干擾[7-11]的作用,并未對影響其因素進行深入研究。因此,檢測微分干擾如何變化成為電磁流量計在今后的發展應用中需要解決的重要問題[12]。
         
        現有的可以測量出微分干擾的模型,只考慮到影響它的大小的其中一個因素[13],而對微分干擾產生作用的其他因素僅限于理論分析[14]。因此,設計了一種基于實際電極測量環境下檢驗微分干擾變化的模型,在微分干擾產生并被檢測的過程中,根據電極實際測量環境,共同檢驗傳統模型中的溶液電導率[13]和理論中的勵磁線圈等效電感[14]、引出電極信號的電極引線偏離程度[14]三個因素對微分干擾變化產生的影響。仿真與實驗結果表明,該模型滿足檢驗范圍廣的要求。 1 實際電極測量環境導電性液體在圓管道勻速流動做切割磁力線運動時,與液體相接觸的兩個電極 A、B 拾取感應電勢,再經由連接在電極上的兩根引出線接到外部電路中實現信號放大[15]。圖 1 為基于實際電磁流量計的電極測量環境示意圖。
        電磁流量計的電極測量環境示意圖
        在實際的電極測量環境中,與微分干擾變化相關的因素分為三部分。很好部分是安裝在測量管道外側的矩形勵磁線圈值,微分干擾與線圈中的勵磁電流變化量有關[16],而電流的變化量受勵磁線圈等效電感值控制,故將線圈作為感性負載時,微分干擾大小受電感值影響; 第二部分是由兩個測量電極、電極引出線、儀表放大器組成的電極引出線回路與勵磁磁場的相對位置,即磁場位置恒定僅變動電極引出線位置時,對微分干擾變化的影響[14]; 第三部分是均勻充滿管道電導率為 σ 的導電性溶液,在測量電極與溶液相接觸的兩相界面上形成的電極阻抗值受電導率變化影響[13]。 
         
        2 檢驗微分干擾變化的模型
        2. 1 模型構建
        在電極實際測量環境中,經很好個正測量電極 A→電極 A 引出線→儀表放大器→電極 B 引線→第二個負測量電極 B→被測溶液→再回到 A,共同組成如圖 2 所示的檢驗微分干擾變化的模型。
        檢驗微分干擾變化的模型示意圖
        其中: K1 和 K2 為增益元件; Rs1和 Rs2為電極接觸電阻; R1 和 R2 為放大器的輸入電阻; Rct1和 Rct2為電荷傳遞電阻; Lx 為線圈等效電感; C1 和 C2 為雙電層電容; E0 為流量信號; P1 為微分干擾; L1 為測量回路等效電感; A0為放大倍數; Vout為模型輸出。
         
        模型主要包括正電極 A、負電極 B 和儀表放大器。對于正電極 A 來講,勵磁線圈中的電流一路經過增益模塊 K1 后得到正流量信號,另一路經過將勵磁線圈和電極引出線回路等效看成變壓器元件后對電流求導得到電極 A 上的微分干擾信號,將電極引出線回路看作匝數為一的變壓器副邊,電極引出線偏離程度等效成測量回路電感 L1,微分干擾經正電極阻抗后接到儀表放大器的正向輸入端。對于負電極 B,增益模塊 K2 用于得到負流量信號,同理,將經“變壓器效應”后得到的電極 B 上的微分干擾信號加入儀表放大器的反向輸入端。在放大器內部實現微分干擾信號的運算。僅考慮微分干擾作用時,即令 E0 = 0、A0 = 1,模型輸出可用公式( 1) 表示:
        模型輸 出可用公式( 1)
        其中,TA1、TA2和 c 是與正電極阻抗 ZA 相關的阻抗系數,TB1、TB2和 d 是與負電極阻抗 Zb 相關的阻抗系數,且均隨溶液電導率 δ 變化。正、負電極阻抗取值參照文獻[17-18],所設計的模型參數初始值如表 1 所示。
        模型參數列表
        2. 2 仿真模型
        將表 1 中的值代入到模型輸出公式( 1) 中,計算出 c = 0. 998、TA1 = 0. 001、TA2 = 9. 9×10-4。由于兩測量電極阻抗系數存在細微差別,負電極 B 可取 d = -0. 997、TB1 = 9. 75×10-4、TB2 = 9. 74×10-4。根據檢驗微分干擾變化的模型設計出的仿真模型示意圖如圖 3 所示。
        檢驗微分干擾變化的仿真示意圖
        信號模塊 PulseGenerator 經過加法器和乘法器后產生三值勵磁電流 i。一階慣性模塊 TransferFcn1 模擬電流在換向時的延時過程。勵磁電流 i 經過模塊 Gain2、 Gain5 后得流量電勢信號 E0。微分模塊 Derivative1、De- rivative2 作用是對勵磁電流求導得微分干擾信號,增益Gain1、Gain4 的值取決于勵磁線圈等效電感 Lx 和電極引線偏離度 L1。模塊 Gain3、Gain6、TransferFcn2、TransferF- cn3 分別對應公式( 1) 中的 c、d、TA1、TA2、TB1、TB2。
         
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