智能型磁电式流量计的工作原理

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1、1 一、研究依据 ( 包括项目的意义、国内外研究现状分析，并提供参考文献) 本项目研究开发的产品属于工业过程控制仪表中的流量仪表，主要应 用于油田注水、化工、供水、环保等领域，有较广阔的应用前景。例如应 用于油田注水领域中，国内油田自喷井少，大部分采用注水（或聚合物） 驱油工艺，国内油田有注水井3 万余口，每年需新增及更新的注水表近3 万只。 流量仪表按不同的测量原理，可分为速度式、容积式和差压式三类。 在油田注水、化工、环保等领域，流量仪表的工作介质复杂（如含沙、含 杂质多、高温、液体具有腐蚀性等） 、工作环境恶劣、量程比大、长时间连 续工作。由于这些原因，在油田注水计量中，基本采用速度式流

2、量仪表， 并主要采用叶轮式流量计、电磁流量计、旋涡（涡街）流量计3 种类型， 这 3 种类型流量计有各自的优缺点。目前还不能完全适用油田注水等恶劣 工作条件，本项目研制磁电流量计是针对上述情况开发的一种无可动部件、 抗干扰强、低功耗、价格适中流量仪表。 研究在恶劣条件工作的流量仪表是国内外流量仪表的热门课题，研制 无可动部件、抗干扰强、低功耗是发展方向。根据我国的国情，仪表（较 大批量）价格还不能太高。下面针对在油田注水计量中，几种类型流量计 的优缺点进行比较分析。叶轮式流量计是利用管道内一多叶片转子（叶轮或涡轮）在流体动能 作用下旋转的角速度与管道内平均流速成正比这一特性而制成的流量计。 叶

3、轮式流量计价格适中， 传感器放大电路较简单， 能实现低功耗电池供电， 但在油田注水等恶劣工作条件下，使用寿命短，使用过程中精度下降是其 最大问题。有被无可动部件的流量仪表（如电磁流量计、旋涡流量计）代 替的趋势。 电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律制成的用来测量导电介质的流 量计。由于电磁流量计的检测元件都在测量管外，所以，电磁流量计在测 量脏污流、腐蚀流、含纤维流体以及浆液等方面有一系列优良的特性，又 无流动压损，是一类可应用于特殊场合又节能的流量仪表。缺点是造价昂 贵，无法实现低功耗电池供电，且介质必须是不含油的导电介质。 旋涡（涡街）流量计的流量检测元件是安装在测量管中的一根非流线 形的

4、旋涡发生体。流体流过旋涡发生体时，在旋涡发生体的下游将产生两 列旋向相反、交错排列的旋涡，在一定的范围内，旋涡的分离频率正比于 管内平均流速。在发生体两侧因旋涡产生压力动脉，从而使检测体探头产 生交变应力，封装在探头体内的压电晶体元件在交变应力的作用下，产生 与漩涡同频率的交变电荷信号，放大器将这个电荷信号进行放大、滤波、 整形，最后输出频率与介质流速成正比的脉冲信号，送至积算仪进行处理。2 其造价比电磁流量计低， 缺点是管道振动及旁路引起的干扰信号较难排除。 基于以上情况，本项目研究开发的磁电流量计是将旋涡流量计和电磁 流量计各自的优点结合而成，利用电磁感应的原理来测量旋涡频率，既能 克服涡

5、街流量计抗干扰能力弱的缺点，又能克服电磁流量计造价高、信号 处理复杂的毛病。主要参考文献： 1、李小京，电磁流量计放大滤波电路的设计，化工自动化及仪表， 2000.2 2、王海龙，涡街流量计的使用与维护，化工自动化及仪表，2000.4 3、傅新，旋涡进动流量计的抗干扰设计， 仪器仪表学报（增刊）， 2000.10 4、徐科军，涡街流量计信号估计的自适应陷波方法，2000.4 3 二、研究方案 (包括研究目标、研究内容、拟解决的关键问题、拟采用的研 究方法及可行性分析及其创新之处) 本项目研究的磁电流量计也是根据法拉第电磁感应原理工作的，区别 在于：电磁流量计有绝缘衬里，测量感应电动势的幅值；而

6、磁电流量计无 衬里，是测量“卡门涡街”的发生频率，见图1。图 1 当流体以流速v 流经旋涡发生体时，会在发生体两侧交替产生旋涡， 形成“涡街”，见图 2，这时单侧旋涡发生频率f 与流体速度 v 成正比。图 2 由于仪表检测的是流体通过磁场所产生的电动势，所以对来自管线径 向或轴向振动不会造成干扰。避免了旋涡（涡街）流量计抗干扰信号差的 缺点。同时由于仪表检测的“涡街”信号属于数字信号，因此放大处理比 电磁流量计产生模拟信号要简便的多，成本比电磁流量计大大降低，并且 可实现低功耗电池供电，方便室外安装使用。从上面图1 与图 2 磁电流量 计的结构原理可以看出，由于旋涡的发生，引起液体在沿管道中心

7、线的水 平面内有压力波动，参见图3，若流体内质点位移的最大振幅为Sm，则质 点运动方程可写成如下形式：tdtSymsin4 图 3 当在垂直方向给流体施加一个磁感应强度为B 的恒磁场时，流体会在 两个方向上切割磁力线： 一是流体沿管道流动切割磁场产生的感应电动势， 其方向是在水平面内垂直于管壁的，因管道无衬里而被金属管短路；另一 路由旋涡引起的液体横向波动，在水平面内作切割磁力线运动，切割的速 度可以用质点的位移对时间的一阶导数求得：tS dtdyumcos感应电动势的方向与管道中心线一致，被前方的电极拾取。按法拉第 定律，感应电动势的值可定量地用下式表示：l dlkBue 0sin在这几个参

8、数中， 角可以人为控制， l 也有一定限度，不可能很大， 因此， u 完全取决于旋涡的强度和磁感应强度。 研究开发内容和技术关键如下： 1电极位置、计量腔几何形状与尺寸对测量范围和准确度的影响。 2磁性材料的磁感应强度等物理量变化对感生电势的影响。 3磁电流量计对流体的适用范围。 4高温、高压下的密封。针对研究开发内容和技术关键进行逐项试验研究，研究方案、技术路 线如下： 1磁场构成和提高磁感应强度的措施 在磁电流量计中，液体流过发生体产生周期性的压力波是沿管导中心 线所在的x-y 水平面内传输，当把检测电极放在管道轴线方向时，根据右 手定则，磁场磁力线方向应与z 轴一致（图 3） 。 磁电流

9、量计对磁场的要求是：磁感应强度B 值高，测量管内测量段有 均匀的磁场分布，尽可能覆盖从发生体至电极间的区域，避免磁力线发散 到仪表周围空间。5 为此，磁铁应选用磁能积(Br、Hc)大的硬磁材料制成，可以获得高磁 场强度同时体积较小。 同时为了得到均匀而稳定的磁场，最好使测量段处于两平行磁极之间。 因为永磁体个体间的磁参数差异很大，在使用中由于碰撞，温度，老化等 原因也会造成磁性能的降低。因此，对称安装磁铁和加装导磁环的办法对 保持磁体磁性有利。 导磁环是磁力线的通路，用磁导率很高的软钢制成，它不但藕合了两 块磁铁，降低了磁阻，而且有保护磁铁以及屏蔽磁力线，以免造成对外界 的干扰。图 4 中示出

10、了两种结构： 无导磁体和有导磁体，在这两种情况下， 假设磁体的尺寸和磁场强度H 均相同。图 4 导磁体的使用有了导磁环，不但可以减小磁铁的体积，而且发散到仪表周围空间的 磁力线几乎全部被屏蔽，避免了对其他电子设备和本身放大电路工作的干 扰。 磁铁截面形状可为矩形或圆形，安排磁铁的困难在于：上部磁铁的位 置靠近电极，电极的密封，引线等可能妨碍磁铁的安装。这些需通过项目 中的试验研究完成。2提高旋涡强度 产生稳定旋涡的条件是：液体的雷诺数在21047106范围内，对 于普通水，主要决定于流速，要求最小流速约为0.50.7ms，流速过 低，旋涡力弱，信噪比低，由于旋涡流量计是用探头作应力检测，因旋涡

11、 力很小，作用在探头上的变形也小，所以难于检测和处理。对磁电流量计 来说，是直接检测感应电动势，没有力的转换，理论上信号质量比较好， 但为了改善小流量性能，就要提高旋涡力，其办法是从提高流速下手。对 旋涡流量计，流速是指介质在旋涡发生体两侧的速度，它较管道内的平均 流速大。一般可提高1.5倍左右。6 另一种办法是在测量管内进行缩径，进一步提升流速。 例如，把 50mm 口径缩至 40mm，可提高流速 1.5倍，不过，缩径对上限流速和压力损失有 较大影响，设计中应权衡利弊，全面考虑。创新之处在于结合了电磁流量计和涡街流量计的优点，并且避免了两 者的缺点：1通过电磁感应的原理对“涡街”频率进行测量，克服了涡街流量计抗干 扰信号差的缺点。2检测的“涡街”信号属于数字信号，放大处理比电磁流量计产生模拟信 号要简便的多，成本比电磁流量计大大降低。3可实现低功耗电池供电，方便室外安装使用。