基于恒磁励磁传感技术的水流量测量干扰的分析
发布时间：2009-10-27 作者：姚灵
0 引言
恒磁励磁流量传感技术由于它结构简单可靠、励 磁不用电源、磁感应强度高、对管道振动不敏感等特 点,因此可广泛应用于涡街流量计、射流流量计等以频 率量为被测量的流量测量仪器,也可用于以电压量为 被测量的电磁流量计等产品。其基本工作原理是:当 导电液体介质(如饮用水)流过非导磁体测量管或计 量腔切割由恒定磁场产生的磁力线时,根据电磁感应 定律导电液体介质就会产生感应电动势,通过放置在 与磁力线和测量管相互垂直的一对电极可将感应电动 势引出;由于感应电动势E与恒定磁场B 的强度、介 质的平均流速v成正比,因此可从感应电动势的强弱 来测定被测介质的流速,见下式:
式中: E为感应电动势; k 为调整系数; B 为磁感应强 度; D为测量管内径; v为测量管内导电液体介质平均 流速。
而流量传感器输出的体积流量则为:
其工作原理见图1。基 于恒磁励磁的涡街流量检测 方法是根据被测流体在测量 管内受到阻流体作用后, 形 成周期性旋涡切割磁力线而 产生有一定频率的感应电动 势这一原理工作的。由于被 测流速与旋涡频率成比例, 因此可以通过一组电极检测 出有一定幅值E的频率量f 作为被测量;射流流量电磁检测法与涡街流量检测法 在原理上是基本相同的,即被测流体在射流(计量)腔 中由于附壁效应产生反馈振荡而切割磁力线, 在其电 极上输出一定幅值的频率量。两种传感方式都可以做 成单端信号输出形式或差动信号输出形式。
由于恒磁励磁传感器无需电源励磁, 因此非常适 合用于电池供电的微功耗流量计和电子水表。而阻碍 恒磁励磁传感技术推广应用的极化干扰电势以及其他 不利影响,目前已可采用某些新的设计方法和技术对 其作出处理,削弱其影响,达到实际应用之目的。
本文对该传感技术应用于导电液体介质的流量 (或总量)测量时由于传感原理而造成的各种干扰和 误差作出简要分析和探讨。
1 由传感原理产生的噪声及干扰
1. 1 极化电势引入的干扰
水是一种由有极分子组成的导电液体电介质,在 电场力的作用下(假设由恒磁励磁传感器的两电极产 生) ,介质分子中的正负电荷中心发生相对位移,在其 边界与外电场垂直的两表面上就会出现极化电荷,形 成极化电势。极化电势的大小与外电场的大小成比 例,但极化电势反过来又会影响外电场。由于极化电 势是流量和温度等变量的函数,因此在电极上就会形 成变化规律很复杂的极化干扰电势,也较难从被测流 量信号中分离出去;同时,直流电动势的存在会导致介 质中的正负离子向不同极性的电极移动,使电极间的 内阻增大,也会影响传感器的正常工作。
1. 2 原电池效应引入的干扰
在导电液体中的两电极,当其电极材料成分有微 小变化时,就会产生原电池效应,即在电极回路上会产 生微弱电流,并通过信号处理的输入回路产生感应电 动势。由于导电液体流动状态的不确定性,因此在电 极上也会形成某种随机干扰。
1. 3 流动噪声引入的干扰
当被测流体在测量管(或计量腔)内流动时,使极 化电荷随之移动,流量传感器电极上就会感应出所谓 的“流动噪声”,它的量值和变化状态不但与被测流体 的介电常数、电导率、运动黏度、流体流动速度等有关, 还与励磁方式有关。在相同条件下,恒磁励磁时的流 动噪声对测量结果的影响是比较严重的。
1. 4 直流放大器漂移引入的干扰
恒磁励磁传感方式使某些被测流量信号以直流电 势的大小来衡量流量信号的强弱(如恒磁励磁的电磁 流量计) ,因此前级信号处理必须使用直流放大器。 但直流放大器的零漂和噪声等误差会直接叠加到流量 信号上,影响测量的准确性;特别是在微小流量测量 时,其影响程度就更为严重。
1. 5 电极材料差异引入的干扰
当电极材料的材质或成分有差异,即金属电极的 材料标准电位不一致时,两电极间就会形成一固定的 电位差。该电位差的存在(可以达到数百毫伏) ,一方 面会加剧极化干扰影响的程度,同时也会使前级放大 器产生堵塞,影响测量线性度。
由于上述极化电势等干扰的存在,使得在低电导 率流体测量时被测小流量信号会被干扰电势所覆盖, 这也使恒磁励磁传感技术在流量仪表中的应用受到了 普遍的质疑和排斥。为此必须寻找适合的方法及途径 来解决这一问题,实现新的突破。
2 消除噪声和干扰的主要途径及方法
2. 1 极化与干扰电势的抵偿
方法一:在非采样期内,用中频交变方波电场接通恒 磁励磁传感器的两电极,以消除励磁时产生的极化电势 的干扰;而在采样期内,由微处理器将两电极自动切换到 测量前置放大器的输入端,对流量信号进行检测,见图2。
