引　言

隨著流量測量方法與技術研究工作的不斷發展與進步，預計未來５年中電磁流量計的使用規模將再增加３０％［１］。由于儀表使用范圍廣，傳統的電磁流量計一直以來就是研究的熱點問題之一。學者們針對不同結構的電磁流量計給出了研究成果，并推動了電磁流量計的技術發展。Ｋｏｌｌáｒ　Ｌ等［２］研究了一種利用多電極磁流量計邊界周圍的電勢分布進行速度重建析方法。Ｓｈｉ　Ｙ．和ＷａｎｇＭ．［３－４］提出了一種基隨著流量測量方法與技術研究工作的不斷發展與進步，預計未來５年中電磁流量計的使用規模將再增加３０％［１］。由于儀表使用范圍廣，傳統的電磁流量計一直以來就是研究的熱點問題之一。學者們針對不同結構的電磁流量計給出了研究成果，并推動了電磁流量計的技術發展。Ｋｏｌｌáｒ　Ｌ等［２］研究了一種利用多電極磁流量計邊界周圍的電勢分布進行速度重建析方法。ＳｈｉＹ．和Ｗａｎｇ　Ｍ．［３－４］提出了一種基于感應技術的圓弧形電極測量兩相流中的感應電勢和導電相的速度。Ｌｅｅｕｎｇｃｕｌｓａｔｉｅｎ和Ｌｕｃａｓ［５－６］設計了一種用于在分層流中重建軸向速度分布的多電極磁流量計。Ｈｅ　Ｌ　Ｑ．［７－８］提出一種用于非滿管測量的電磁流量計傳感器，其中由并聯多電極構成的平行陣列作為測流量計傳感器。Ｒｅｉｓ　Ｅ．等人［９－１０］比較了不同幾何結構的電極特征，總結出雙環型電極是用于測量兩相空氣－水流體積濃度的***佳結構。Ｗａｔｒａｌ　Ｚ．［１１－１２］等人設計了一種適用于矩形截面管道的電磁流量計，用以測量明渠中攜帶污染物和軸向速度不對稱的液體。對導體管壁電磁流量計的研究文獻相對較少［１３－１５］，而這類傳感器在核工業等場合有非常重要的應用。

 

１　理論背景

電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應定律。導電流體切割磁力線產生感應電動勢與流體流速成正比。通過測量感應電勢來實現利用電磁流量計對流體流速的測量。目前電磁流量計的測量管襯里為絕緣材料，將流體與測量管隔開，且兩個測量電極在測量管周向軸對稱分布。由于絕緣材料基本為聚四氟乙烯，制約了電磁流量計使用范圍（工作溫度低于５００℃）；電磁流量計在流量測量過程中，絕緣襯里很容易與測量管道內壁脫離、剝落、拉破等，從而導致對流量信號造成干擾，影響測量精度。去掉無絕緣襯里，采用導體材料作為測量管的電磁流量計可以解決因傳統內襯給測量帶來的問題。但是由于測量管道為非絕緣材料，而導致傳感器輸出信號下降。針對以上問題，研究了一種測量單元來動態監測由于無絕緣襯里帶來的測量信號衰弱，同時給予微弱真實信號補償，來保證流量計測量的精度。

 

當傳感器為傳統電磁流量傳感器時，即其電極為點電極，管道為絕緣圓形直管，流體為滿管對稱流，流量計電極兩端輸出的電壓Ｕ為：

 

對于導體管壁電磁流量計，導電流體以一定速度流過測量管道，產生的感應電勢不會完全由電極輸出。這是由于去掉絕緣襯里的導電管壁對流體感應電勢產生短路效應。

 

導體管壁電磁流量計電極輸電壓為：

 

可知，導體管壁流量計的電極間輸出信號是有衰減的，衰減率為ｋ。為了提高導體管壁流量計測量的準確性及穩定性，考慮通過系數ｋ對測量電極間輸出信號進行補償。

 

２　信號系統設計

電極結構如圖１所示。ＣＥ為感應電流電極，ＦＥ為反饋電極，ＧＥ為接地電極，ＳＥ為信號電極，ＰＥ為電壓電極。

如圖２所示，導體管壁電磁流量計輸出信號由伺服放大模塊對輸出信號進行監控并補償，即伺服放大模塊將傳感器輸出信號與反饋信號進行比較并放大，當輸出信號與反饋信號平衡時，伺服放大模塊停止工作。信號經由采樣保持模塊進行模數轉換。信號再由差分放大器及信號輸出放大器進行放大，使得對傳感器輸出微弱信號進行更的放大。

３　實驗驗證

在實驗室中，利用所設計的補充信號系統，對導體電磁流量計進行實驗。實驗中采用恒幅電流和低頻矩形波（５０／１６Ｈｚ）產生勵磁。要保證放大器級的輸入阻抗必須足夠高，否則會產生誤差，補償效果不理想。被測導電液體的電導率為５～１０μＳ／ｃｍ，實驗中采用的水電導率為１６３μＳ／ｃｍ。測量管道外徑為３０ｍｍ，內徑為２７ｍｍ。電極之間的阻抗約為在５００～１　０００ｋΩ。

 

平均流量和流量計輸出電壓的關系如圖３所示。實驗室溫度是１８℃，磁場強度為８１ｅ－４　Ｔ。通過圖３實驗結果可知，沒有應用補充信號系統的輸出信號與理論值比降低約６０％。而應用了信號補充系統的輸出信號與理論值基本一致。

通過水循環系統對基于導體管壁的電磁流量計信號補充系統進一步實驗。實驗室水循環系統示意圖如圖４所示。

導體管壁電磁流量計和標準電磁流量計同時工作測得實驗結果，測量管道外徑為３０ｍｍ，內徑為２７ｍｍ，與標準流量計實驗結果對比值如表１所示。

表１可知，測量的１５組數據中，測量的重復率高于９５％，誤差低于１５％，且系統擬合度０．９５。通過兩方面的實驗證明了理論分析的正確性，同時也證明了信號補充系統大大提升了導體管壁電磁流量計測量可靠性及精度。

電磁流量計：基于法拉第電磁感應定律來測量流量

              U=B*L*v

              U-感應電動勢       B-磁場強度     L-導體長度      v-導體速度

      銅線繞成的線圈產生交變的磁場B.。受控電流保證在整個測量過程中磁場強度保持恒定。導體的長度L（在測量管內徑的兩個測量電極的距離 ) 是一個常數。方程中的變量是流體的流速v。儀表能夠直接測得電極間的感應電壓， 感應電壓線性的正比于流體分流速U~v。進而求出流速，電磁流量計測量的不是體積而是流速.  

 流速轉化為體積流量：

              Q=v*A

              Q-體積流量      v-液體流速      A-流量計截面積

由此計算出管道內液體的體積流量。

 

４　結　論

針對一類導體管壁電磁流量計在測量時信號大幅衰減的問題，為了更加地對導電流體進行測量，在理論分析輸出信號衰減率的基礎上，提出了一種信號補充系統來對傳感器輸出信號進行補充處理。通過實驗證明，該方法有效提高了導體管壁電磁流量計測量精度，具有可行性。