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提升电磁流量计性能稳定与精度校准的实验测试研究

来源:作者:发表时间:2020-05-27 08:40:02

       我们都知道,磁铁几乎是伏都教徒:看不见的力以未知和意外的方式作用于现实世界。但是工程师已经开发出许多方法来利用魔术来执行有用和有益的任务,包括回答这个古老的问题:如何测量管道中的液体流量?请继续关注土木工程师将水和电混合在一起会发生什么。从计量静脉输液中的药物剂量到测量农场的灌溉水流量到跟踪燃料填充量,流量计几乎在我们生活的每个领域中都发挥着作用。实际上,您家外面可能有一个计价器,用于计算您每月的水费。有很多方法可以测量流量,但是今天我想谈一谈我认为特别令人着迷的方法:电磁流量计。
 
       但是理论是很好位的,因此我们将从头开始。电磁流量计依赖于法拉第感应定律,该定律基本上是这样说的:将导体移过磁场会产生与速度成比例的电动势。让我们用一个例子来分解一下。我有一个磁铁和一个导体,在这种情况下是线圈。导体与商店中的新玩具相连:示波器,示波器只是一种用于测量变化的电压并将其显示在屏幕上的仪器。例如,这是一个典型的交流正弦波,类似于您在墙上插座测量的正弦波。如果我将导体保持在磁场内,则什么也不会发生。但是,一旦我移动磁铁,我们就会看到电压尖峰。这是法拉第定律中的电动势或EMF。
 
       电磁流量计的工作方式完全相同,只是导体是管道中的流体而不是电线。管道外部的磁铁会产生磁场。电极垂直于磁体放置。由于法拉第定律,流经管道的导电流体将在电极之间产生电压。流体通过管道的速度越快,电压越高。一旦知道了流体的速度,就可以使用管道的横截面积来计算流量。看起来很简单,但是让我们看看它是否真的有效。
电磁流量计的磁场创建
       这是测试设置:我有一长的PVC管,一侧装有泵。我可以使用此阀控制水的流量。两个不锈钢螺栓用作测量EMF的电极。为了创建磁场,我首先要使用两个永久性钕磁铁。我正在使用差分放大器测量EMF,以将信号增强到示波器中。一旦水流了,观察将磁铁移到管道上时会发生什么。我们看到电压略有跳跃。我们肯定会对流动的水产生电响应,但是您可以看到我们有一个相当嘈杂的信号。尝试将该信号转换为流量读数将是一个重大挑战。
 
       问题是电气噪声。这里有很多潜在的噪声源。首先,取决于流体化学性质和用于电极的金属类型,液体和电极之间的电解反应可以产生电势。第二,有时杂散电压可能存在于管道中其他设备(例如泵)沿管道的流体中。**后,仪表中的液体可以具有一定的电容。在非常有限的程度上,它实际上可以像电池一样“充电”,这会在电极之间的电压信号中产生噪声。问题在于,无法知道信号的哪一部分是由于流动引起的,而哪一部分只是噪声,并且信号中的噪声可能比我们实际关心的信号部分大得多。此外,在电极之间具有恒定的长期电势的电极可引起流体中的电解。**终会腐蚀电极,缩短仪表的使用寿命。
 
       换句话说,电磁流量计背后的理论是正确的,但现实世界正在阻碍事物发展。这是物理学家举起双手,电气工程师介入的地方。电气工程师发现,避免上述问题的一种方法是随时间改变磁场。运作方式如下。这是一张磁场的图表,该磁场强度随着一系列双相DC脉冲而变化:双相是因为它具有负脉冲和正脉冲,而DC是因为与典型的不断变化的AC正弦波不同,该波形只有两个值,开启或关闭。上面是电磁流量计产生的EMF的示例。记得,我们只关心磁场产生的EMF的一部分,因为这是信号中与流体速度成比例的很好部分,其他所有东西只是噪声。请注意,即使没有磁场,电极之间仍可能存在非零电压。但是,如果我们在磁场的峰值处对信号进行采样,然后减去磁场为零时测得的电压,则仅剩下我们关心的信号部分。即使噪声随时间变化,我们也仅测量由磁场感应的信号部分。由于波形是双相的,因此也解决了腐蚀电极的问题。由于磁场一直在反转方向,因此发生电解的机会较少。
没有简单的方法可以用永磁体生成这种类型的波形
       如上图所示,显然,没有简单的方法可以用永磁体生成这种类型的波形,因此我们必须切换到电磁体。当然,我正在使用手工制作的电磁线圈,并用本地采购的电磁线进行小批量手工缠绕。这是整体设置图。流量计上的电磁体使用H桥供电。这是一种允许小信号控制高电流设备(如电动机和电磁体)的电路。在这种情况下,控制信号由Arduino提供。我写了一些简单的代码,以便可以控制双相直流脉冲的频率和占空比。此处显示的蓝线是去往电磁铁的电压波形。我使用的频率为7赫兹,占空比为50%。
波形2
       不幸的是,即使有很多麻烦,这种设置也不够强大,无法给我可靠的信号。从我读过的一些文献中,安装良好的仪表通常每秒钟每英尺的速度仅产生约100微伏,而仪表的每秒仅产生约300微伏。对于我的车库车间和我正在使用的泵,那是一大堆射频噪声和嗡嗡声,特别是考虑到我的粗制设备很难被认为是正确的。如果我每隔一段时间站在房间的正确位置,我就能从电极上得到干净的响应,但是我无法用相机捕捉到它。但是这段视频是关于细节的,所以我想我应该期望这会是一个更大的挑战。目前,
 
       假设我能够测量管道中许多不同流速下的电极感应电压。我可以将这些点绘制在图形上。由于EMF与速度成线性比例,而速度与体积流速成线性比例,因此这些点应大致呈直线。这条线的斜率可以用作流量计信号处理中的比例常数-数学变得非常简单。很好步测量感应电压,第二步将电压乘以校准常数。您刚刚测量了流量。假设您从电极获得了良好的信号,就这么简单。
EMF与速度成线性比例
       从发电厂的发电机到电吉他的拾音器,法拉第的感应定律在一些**不可能的地方都在幕后工作,其中包括一种巧妙的方法来测量通过管道的液体流量。我有些失望,无法使原型更好地工作,但是我认为从中得出了一些很好的教训:即,电气工程很难。我曾想过根本不制作视频,但我认为记录失败与记录成功同等重要,这几乎不是我在互联网上**可耻的事情。在EEV博客论坛上获得了一些反馈并获得了一些其他阅读资料之后,我认为要修复演示,需要进行全面的重新设计。对于任何想尝试此方法的人,以下一些想法可能使您的想法比我的成功:
 
       ※电极应为附着在管道内壁上的薄而扁平的导电板。
       ※垂直定向演示,以确保管道完全充满。
       ※尽可能减少在电极之前或之后可能引起湍流的任何事物
       ※使用双绞屏蔽线以**小化RF干扰
       ※滤波器和放大器设计是获得良好响应的关键
       ※使用非常坚固的电磁体,并尽可能快地获得流速
       ※我收到史蒂文·罗杰斯(4/12/2019)的在家中尝试此操作的人士的其他评论/建议:
 
              混淆电压的另一个主要来源是变压器电压,该电压是由于极性反转而引起的磁场强度变化而产生的。这将以与信号相同的频率发生,因此必须通过同步线圈和电极处理来避免。
              如果不依赖电极将流体接地,这是**容易的。
              电极之间还有一个电化学电压,该电压随时间缓慢变化。
              您可能需要仪表放大器和低通滤波器才能在示波器上查看信号。