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恒磁式電磁流量計幾種基本實驗方法的探索
  恒磁式電磁流量計幾種基本實驗方法的探索   從文獻和相關的資料可知,前人對極化電壓的研究都是從定性的角度提出了一些粗略的概念,定量深入的研究內容很少,而且缺少理論分析和相關的詳細實驗介紹。對此,本文的研究首先需要用實驗對極化電壓進行詳細的分析和驗證。要從較大的極化電壓中提取出較小的感應電動勢,可以設想兩種方法: ***,研究極化電壓,分析兩個電極上極化電壓的相關性。如果它們之間存在某種特定的關系,可以利用該關系,將極化電壓作爲感應在兩個電極上的共模信號或者共同的幹擾信號來對待,利用相關原理設法消除同時存在于兩個電極上的極化電壓: 
   第二,避開極化電壓,設法將它調整到和感應電動勢同一量級的穩定值,而且保證感應電動勢不被控制,它仍然隨著流速變化而穩定地變化。這樣,就相當于從同一量級的穩定信號中提取出變化的有用信號。借鑒以上兩種思路,我們前期按以下方法進行過初步的實驗、探索和分析。
   2.3.1差分對比消除極化的實驗
   由于測量電極與被流體接觸時會産生電極的極化,即在兩電極之間産生與流量無關的具有緩慢變化及隨機性的一種極化電壓。通電線圈勵磁的電磁流量計采用正反向交替變化的勵磁方式消除極化電壓,分別在勵磁信號的正半周期和負半周期采集信號,由于極化電壓與磁場無關,兩次得到的流量信號經過差分變換即可去除極化幹擾,從而得到流量信掣131。
   1983年,日本的專利【2明(專利申請號:JP58216916)中也提到過類似的研究方法。借鑒該思路,按照圖2.3所示的原理圖設計實驗,在測量管道上相鄰的地方安裝兩組電極(A1,B1和A2,B2),用兩組測量電路采集信號,其中一路測量電路采集在磁場作用下電極(A2,B2)上的信號,另一路測量電路采集沒有磁場作用下電極(A1,B1)上的信號。因爲極化電壓與磁場無關,在保證電極材料和測量流體完全相同的情況下, 兩路信號經過差分變換,理論上可以消除兩組電極上采集的共同的極化電壓,從而反應流速信號。圖2.3差分對比消除極化原理圖調整加磁鋼和不加磁鋼兩組電路,保證靜態無流速時,加磁鋼和不加磁鋼兩組電路的輸出電壓盡可能相等,從理論分析可知,有流速時,加磁鋼的電極上采集的信號應該包括極化電壓和反應流速的感應電動勢。不加磁鋼的電極上采集的信號僅僅包括極化電壓,所以,兩組信號經過差分後,得到的僅僅是反應流速的感應電動勢。
   但是,屢次實驗都沒有得到理論分析的結果,差分後的信號始終是一個固定的電壓,而不會隨著流速的變化而變化,分析可能存在的原因如下:其一,極化是一個緩慢變化的過程,極化電壓有很大的隨機性,以上方法理論上認爲兩個傳感器電極上測量的極化電壓等同或相關,但是實際上兩組電極上測量的極化電壓並不完全一致,它們之間沒有相關性,流體分別流經兩個傳感器時,極化電壓發生了變化。其二,反應流速的感應電動勢和極化電壓相互影響。有磁場和無磁場作用下得到的極化電壓完全不同。
   從實驗結果可以看出,雖然電極材料和測量流體完全相同,測量結果並不能反映流速的變化,說明在同一管道上非常靠近的兩對電極上産生的極化電壓沒有任何的相關性,不能通過該差分對比消除極化的方法反映感應電動勢,由此也進一步驗證了極化電壓隨機變化且不具有任何相關性。
   所以,多次實驗結果都驗證了以上內容後,基于極化電壓不相關且隨機變化的角度,我們探索並提出了下文的反饋方法。
  2.3.2繼電器電容反饋抑制極化的實驗
   對極化電壓的隨機不相關性,設想一種反饋控制思想,保證一個周期內既有測量時間又有控制時間。測量時間內,采集電極上的極化電壓;控制時間內,將已采集的極化電壓反饋給測量電極,以實現正負抵消該電壓。前期,我們設計以下方法進行探索和實驗,先將電極采集的信號給電容充電, 然後交叉反饋給測量電極,將電容已存儲的電荷放電,理論上可以破壞已經建立起來的極化電壓,從而控制極化現象,抑制極化電壓,使其不能重新建立起來。圖2.4雙繼電器工作系統原理圖
   該方法的工作原理如圖2.4所示,兩個繼電器反向接輸入信號(b2、b4和“、b2相連),el、e2和n、岔分別接控制信號,c、D接差分放大器,兩個繼電器的控制信號是反向連接的,在控制信號的作用下,繼電器由常閉接點a1、a3、b1、b3分別轉到常開接點a2、a4、b2、b4,再回到a1、a3、bl、b3。繼電器1接通a2、a4時,繼電器2接通bl、b3,電極A上的輸出電壓給電容cl充電,電極B上的輸出電壓給電容c2充電。控制信號電壓反向時,繼電器1接通al、a3,繼電器2接通b2、b4,電容c1反向給電極B放電,電容c2 反向給電極A放電。在繼電器控制信號的一個周期內,電極給電容充電,電容交叉反相給電極放電,如此反複地充電一放電一充電。已經建立起來的極化電壓在電容的充電放電作用下,逐步被抑制並***終控制在一定的範圍。因而,從理論上講,C、D輸入差分放大器的電壓將不再包含直流極化電壓, 而僅僅包括反應流速變化的感應電動勢。實驗測得無流量和有流量時的信號波形分別如圖2.5的(a)和(b)所示,兩幅圖片中上下兩個波形分別是示波器采集電極A、B和c、D上的波形。圖片中靠下的波形均爲反應流量的信號。(a)無流速時輸出波形(b)有流速時輸出波形圖2.5繼電器電容反饋法測量結果對比從實驗的測量結果(圖a和b中靠上的波形)可以看出,有無流速時,極化電壓都被控制在很小的範圍內(50mv以內),流速變化時,極化電壓上疊加的感應電動勢有比較明顯的體現,輸出波形相當于在無流速的波形上疊加了交流信號(圖a和b中靠下的波形)。同時,實驗結果還表明:電容充放電的過程不穩定,受外界幹擾影響嚴重, 反應流速信號的波形極不穩定,近似于雜波信號。在一段較長的時間內重複多次實驗,每次將極化電壓控制的***終數值未必穩定相同,反映流速信號的波形也難以保證完全一致。
   但是,從測量控制時序和電容存在漏電現象的角度考慮,本方法難以從“量” 的角度准確地把握反饋控制極化電壓的“度”,不能保證每次將同極化電壓等量的反向電壓反饋給測量電極。
   總之,該實驗充分證明了繼電器電容反饋抑制極化電壓的方法可行,可完全抑制極化電壓到較小的範圍。但是該方法的測量電路和實驗思想還不完善,測量結果的重複性和穩定性也不理想,目前的測量結果只有很粗略的反映。因此,在繼續改進並充分完善本實驗方法的基礎上,本文設計了動態跟蹤的反饋實驗方法。
   2.3.3動態反饋控制極化電壓方法的探索
   綜合以上兩種實驗方法可知,抑制極化電壓的實驗思路可以行得通,如果對極化電壓能實時跟蹤反饋,以實現對不同大小的極化電壓反饋不相等的控制量。那麽對極化電壓的控制更有針對性。在反饋系統穩定的基礎上,如果極化電壓能夠穩定控制在和感應電動勢同樣甚至更小的數量級範圍內時,那麽有望較好地從極化電壓中提取出反應流速的感應電動勢。
   借鑒差分對比消除極化和繼電器電容反饋抑制極化兩個實驗的思想,繼續改進繼電器電容反饋的設計方案。既然利用電容的充電和放電現象可以控制極化電壓到一個較小的範圍,那麽引入一個記錄極化電壓的機制,並將其極性取反,然後反饋給提取信號的測量電極,也即借鑒自動控制原理的負反饋思想,記錄極化電壓的機制相當于每次都提供一個設定值,而電極上測量的信號作爲實際值,兩者進行比較,然後對其偏差信號進行控制,***終的目的就是盡量將該偏差控制到零,從而控制極化電壓。H反饋動態控制極化原理
   因爲在每個周期的控制作用下,極化電壓是逐步變化的,所以,記錄極化電壓的機制應該能自動地根據極化電壓的大小提供一個設定值,以達到動態反饋跟蹤的目的,而不是提供一個始終固定不變的數值。
   動態反饋控制極化的工作原理如2-6所示:先對傳感器采集的信號進行適當的調理,然後判斷極化電壓的大小和方向,每個控制時序內,都要根據極化電壓的幅值和極性采取相應的反饋量,***終將該極化電壓抑制到重複穩定的數值,消除其對感應電動勢的影響,並讓反應流速的感應電動勢得到體現。(a)靜態無流速輸出信號(b)流速較小時輸出信號(c)流速較大時輸出信號圖2.7動態反饋控制極化電壓法的測量結果對比經過多次實驗,測量不同流速下的信號如圖2.7的(a)、(b)和(c)所示, 圖中靠上的直流電壓爲反應流速的信號,圖(a)爲靜態無流速的信號,圖(b) 爲流速較小時的信號,圖(c)爲流速較大時的信號。
    從實驗結果可以初步看出,初始靜態零點完全在100mV以內,流速變化通過直流電壓的形式反映出來,直流電壓信號幅值隨著流速的增大而增大,其變化範圍可以達到lOOmV,粗略定性地反應流速變化的效果非常明顯。
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