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      提升電磁流量計性能穩定與精度校準的實驗測試研究

      來源:作者:發表時間:2020-05-27 08:40:02

             我們都知道,磁鐵幾乎是伏都教徒:看不見的力以未知和意外的方式作用于現實世界。但是工程師已經開發出許多方法來利用魔術來執行有用和有益的任務,包括回答這個古老的問題:如何測量管道中的液體流量?請繼續關注土木工程師將水和電混合在一起會發生什么。從計量靜脈輸液中的藥物劑量到測量農場的灌溉水流量到跟蹤燃料填充量,流量計幾乎在我們生活的每個領域中都發揮著作用。實際上,您家外面可能有一個計價器,用于計算您每月的水費。有很多方法可以測量流量,但是今天我想談一談我認為特別令人著迷的方法:電磁流量計。
       
             但是理論是很好位的,因此我們將從頭開始。電磁流量計依賴于法拉第感應定律,該定律基本上是這樣說的:將導體移過磁場會產生與速度成比例的電動勢。讓我們用一個例子來分解一下。我有一個磁鐵和一個導體,在這種情況下是線圈。導體與商店中的新玩具相連:示波器,示波器只是一種用于測量變化的電壓并將其顯示在屏幕上的儀器。例如,這是一個典型的交流正弦波,類似于您在墻上插座測量的正弦波。如果我將導體保持在磁場內,則什么也不會發生。但是,一旦我移動磁鐵,我們就會看到電壓尖峰。這是法拉第定律中的電動勢或EMF。
       
             電磁流量計的工作方式完全相同,只是導體是管道中的流體而不是電線。管道外部的磁鐵會產生磁場。電極垂直于磁體放置。由于法拉第定律,流經管道的導電流體將在電極之間產生電壓。流體通過管道的速度越快,電壓越高。一旦知道了流體的速度,就可以使用管道的橫截面積來計算流量??雌饋砗芎唵?,但是讓我們看看它是否真的有效。
      電磁流量計的磁場創建
             這是測試設置:我有一長的PVC管,一側裝有泵。我可以使用此閥控制水的流量。兩個不銹鋼螺栓用作測量EMF的電極。為了創建磁場,我首先要使用兩個永久性釹磁鐵。我正在使用差分放大器測量EMF,以將信號增強到示波器中。一旦水流了,觀察將磁鐵移到管道上時會發生什么。我們看到電壓略有跳躍。我們肯定會對流動的水產生電響應,但是您可以看到我們有一個相當嘈雜的信號。嘗試將該信號轉換為流量讀數將是一個重大挑戰。
       
             問題是電氣噪聲。這里有很多潛在的噪聲源。首先,取決于流體化學性質和用于電極的金屬類型,液體和電極之間的電解反應可以產生電勢。第二,有時雜散電壓可能存在于管道中其他設備(例如泵)沿管道的流體中。**后,儀表中的液體可以具有一定的電容。在非常有限的程度上,它實際上可以像電池一樣“充電”,這會在電極之間的電壓信號中產生噪聲。問題在于,無法知道信號的哪一部分是由于流動引起的,而哪一部分只是噪聲,并且信號中的噪聲可能比我們實際關心的信號部分大得多。此外,在電極之間具有恒定的長期電勢的電極可引起流體中的電解。**終會腐蝕電極,縮短儀表的使用壽命。
       
             換句話說,電磁流量計背后的理論是正確的,但現實世界正在阻礙事物發展。這是物理學家舉起雙手,電氣工程師介入的地方。電氣工程師發現,避免上述問題的一種方法是隨時間改變磁場。運作方式如下。這是一張磁場的圖表,該磁場強度隨著一系列雙相DC脈沖而變化:雙相是因為它具有負脈沖和正脈沖,而DC是因為與典型的不斷變化的AC正弦波不同,該波形只有兩個值,開啟或關閉。上面是電磁流量計產生的EMF的示例。記得,我們只關心磁場產生的EMF的一部分,因為這是信號中與流體速度成比例的很好部分,其他所有東西只是噪聲。請注意,即使沒有磁場,電極之間仍可能存在非零電壓。但是,如果我們在磁場的峰值處對信號進行采樣,然后減去磁場為零時測得的電壓,則僅剩下我們關心的信號部分。即使噪聲隨時間變化,我們也僅測量由磁場感應的信號部分。由于波形是雙相的,因此也解決了腐蝕電極的問題。由于磁場一直在反轉方向,因此發生電解的機會較少。
      沒有簡單的方法可以用永磁體生成這種類型的波形
             如上圖所示,顯然,沒有簡單的方法可以用永磁體生成這種類型的波形,因此我們必須切換到電磁體。當然,我正在使用手工制作的電磁線圈,并用本地采購的電磁線進行小批量手工纏繞。這是整體設置圖。流量計上的電磁體使用H橋供電。這是一種允許小信號控制高電流設備(如電動機和電磁體)的電路。在這種情況下,控制信號由Arduino提供。我寫了一些簡單的代碼,以便可以控制雙相直流脈沖的頻率和占空比。此處顯示的藍線是去往電磁鐵的電壓波形。我使用的頻率為7赫茲,占空比為50%。
      波形2
             不幸的是,即使有很多麻煩,這種設置也不夠強大,無法給我可靠的信號。從我讀過的一些文獻中,安裝良好的儀表通常每秒鐘每英尺的速度僅產生約100微伏,而儀表的每秒僅產生約300微伏。對于我的車庫車間和我正在使用的泵,那是一大堆射頻噪聲和嗡嗡聲,特別是考慮到我的粗制設備很難被認為是正確的。如果我每隔一段時間站在房間的正確位置,我就能從電極上得到干凈的響應,但是我無法用相機捕捉到它。但是這段視頻是關于細節的,所以我想我應該期望這會是一個更大的挑戰。目前,
       
             假設我能夠測量管道中許多不同流速下的電極感應電壓。我可以將這些點繪制在圖形上。由于EMF與速度成線性比例,而速度與體積流速成線性比例,因此這些點應大致呈直線。這條線的斜率可以用作流量計信號處理中的比例常數-數學變得非常簡單。很好步測量感應電壓,第二步將電壓乘以校準常數。您剛剛測量了流量。假設您從電極獲得了良好的信號,就這么簡單。
      EMF與速度成線性比例
             從發電廠的發電機到電吉他的拾音器,法拉第的感應定律在一些**不可能的地方都在幕后工作,其中包括一種巧妙的方法來測量通過管道的液體流量。我有些失望,無法使原型更好地工作,但是我認為從中得出了一些很好的教訓:即,電氣工程很難。我曾想過根本不制作視頻,但我認為記錄失敗與記錄成功同等重要,這幾乎不是我在互聯網上**可恥的事情。在EEV博客論壇上獲得了一些反饋并獲得了一些其他閱讀資料之后,我認為要修復演示,需要進行全面的重新設計。對于任何想嘗試此方法的人,以下一些想法可能使您的想法比我的成功:
       
             ※電極應為附著在管道內壁上的薄而扁平的導電板。
             ※垂直定向演示,以確保管道完全充滿。
             ※盡可能減少在電極之前或之后可能引起湍流的任何事物
             ※使用雙絞屏蔽線以**小化RF干擾
             ※濾波器和放大器設計是獲得良好響應的關鍵
             ※使用非常堅固的電磁體,并盡可能快地獲得流速
             ※我收到史蒂文·羅杰斯(4/12/2019)的在家中嘗試此操作的人士的其他評論/建議:
       
                    混淆電壓的另一個主要來源是變壓器電壓,該電壓是由于極性反轉而引起的磁場強度變化而產生的。這將以與信號相同的頻率發生,因此必須通過同步線圈和電極處理來避免。
                    如果不依賴電極將流體接地,這是**容易的。
                    電極之間還有一個電化學電壓,該電壓隨時間緩慢變化。
                    您可能需要儀表放大器和低通濾波器才能在示波器上查看信號。
      日日干夜夜操

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