恒磁式電磁流量計(jì)幾種基本實(shí)驗(yàn)方法的探索 從文獻(xiàn)和相關(guān)的資料可知，前人對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(nèi)容很少，而且缺少理論分析和相關(guān)的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)介紹。對此，本文的研究首先需要用實(shí)驗(yàn)對化電壓進(jìn)行詳細(xì)的分析和驗(yàn)證。要從較高大的化電壓中提取出較高小的感應(yīng)電動(dòng)勢，可以設(shè)想兩種方法： ***，研究化電壓，分析兩個(gè)電極上化電壓的相關(guān)性。如果它們之間存在某種一定的關(guān)系，可以利用該關(guān)系，將化電壓作為感應(yīng)在兩個(gè)電極上的共模信號或***共同的干擾信號來對待，利用相關(guān)原理設(shè)法消除同時(shí)存在于兩個(gè)電極上的化電壓：
第二，避開化電壓，設(shè)法將它調(diào)整到和感應(yīng)電動(dòng)勢同一量***的穩(wěn)定值，而且保證感應(yīng)電動(dòng)勢不被控制，它仍然隨著流速變化而穩(wěn)定地變化。這樣，就相當(dāng)于從同一量***的穩(wěn)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(jìn)行過初步的實(shí)驗(yàn)、探索和分析。
2．3．1差分對比消除化的實(shí)驗(yàn)
由于測量電極與被流體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生電極的化，即在兩電極之間產(chǎn)生與流量無關(guān)的具有緩慢變化及隨機(jī)性的一種化電壓。通電線圈勵(lì)磁的電磁流量計(jì)采用正反向交替變化的勵(lì)磁方式消除化電壓，分別在勵(lì)磁信號的正半周期和負(fù)半周期采集信號，由于化電壓與磁場無關(guān)，兩次得到的流量信號經(jīng)過差分變換即可去除化干擾，從而得到流量信掣131。
1983年，日本的專利【2明(專利申請?zhí)枺篔P58216916)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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，其中國路測量電路采集在磁場作用下電極(A2，B2)上的信號，另***路測量電路采集沒有磁場作用下電極(A1，B1)上的信號。因?yàn)榛妷号c磁場無關(guān)，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(jīng)過差分變換，理論上可以消除兩組電極上采集的共同的化電壓，從而反應(yīng)流速信號。圖2．3差分對比消除化原理圖調(diào)整加磁鋼和不加磁鋼兩組電路，保證靜態(tài)無流速時(shí)，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(shí)，加磁鋼的電極上采集的信號應(yīng)該包括化電壓和反應(yīng)流速的感應(yīng)電動(dòng)勢。不加磁鋼的電極上采集的信號僅僅包括化電壓，所以，兩組信號經(jīng)過差分后，得到的僅僅是反應(yīng)流速的感應(yīng)電動(dòng)勢。
但是，屢次實(shí)驗(yàn)都沒有得到理論分析的結(jié)果，差分后的信號始終是一個(gè)固定的電壓，而不會(huì)隨著流速的變化而變化，分析可能存在的原因如下：其***，化是一個(gè)緩慢變化的過程，化電壓有很大的隨機(jī)性，以上方法理論上認(rèn)為兩個(gè)傳感器電極上測量的化電壓等同或相關(guān)，但是實(shí)際上兩組電極上測量的化電壓并不完全一致，它們之間沒有相關(guān)性，流體分別流經(jīng)兩個(gè)傳感器時(shí)，化電壓發(fā)生了變化。其二，反應(yīng)流速的感應(yīng)電動(dòng)勢和化電壓相互影響。有磁場和無磁場作用下得到的化電壓完全不同。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，雖然電極材料和測量流體完全相同，測量結(jié)果并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產(chǎn)生的化電壓沒有任何的相關(guān)性，不能通過該差分對比消除化的方法反映感應(yīng)電動(dòng)勢，由此也進(jìn)一步驗(yàn)證了化電壓隨機(jī)變化且不具有任何相關(guān)性。
所以，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了以上內(nèi)容后，基于化電壓不相關(guān)且隨機(jī)變化的角度，我們探索并提出了下文的反饋方法。
2．3．2繼電器電容反饋抑制化的實(shí)驗(yàn)
對化電壓的隨機(jī)不相關(guān)性，設(shè)想一種反饋控制思想，保證一個(gè)周期內(nèi)既有測量時(shí)間又有控制時(shí)間。測量時(shí)間內(nèi)，采集電極上的化電壓；控制時(shí)間內(nèi)，將已采集的化電壓反饋給測量電極，以實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消該電壓。前期，我們設(shè)計(jì)以下方法進(jìn)行探索和實(shí)驗(yàn)，先將電極采集的信號給電容充電， 然后交叉反饋給測量電極，將電容已存儲(chǔ)的電荷放電，理論上可以破壞已經(jīng)建立起來的化電壓，從而控制化現(xiàn)象，抑制化電壓，使其不能重新建立起來。圖2．4雙繼電器工作系統(tǒng)原理圖
該方法的工作原理如圖2．4所示，兩個(gè)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(gè)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(diǎn)a1、a3、b1、b3分別轉(zhuǎn)到常開接點(diǎn)a2、a4、b2、b4，再回到a1、a3、bl、b3。繼電器1接通a2、a4時(shí)，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(shí)，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(gè)周期內(nèi)，電極給電容充電，電容交叉反相給電極放電，如此反復(fù)地充電極放電極充電。已經(jīng)建立起來的化電壓在電容的充電放電作用下，逐步被抑制并最終控制在一定的范圍。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化電壓， 而僅僅包括反應(yīng)流速變化的感應(yīng)電動(dòng)勢。實(shí)驗(yàn)測得無流量和有流量時(shí)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(gè)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為反應(yīng)流量的信號。(a)無流速時(shí)輸出波形(b)有流速時(shí)輸出波形圖2．5繼電器電容反饋法測量結(jié)果對比從實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果(圖a和b中靠上的波形)可以看出，有無流速時(shí)，化電壓都被控制在很小的范圍內(nèi)(50mv以內(nèi))，流速變化時(shí)，化電壓上疊加的感應(yīng)電動(dòng)勢有比較高明顯的體現(xiàn)，輸出波形相當(dāng)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(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明：電容充放電的過程不穩(wěn)定，受外界干擾影響嚴(yán)重， 反應(yīng)流速信號的波形***不穩(wěn)定，近似于雜波信號。在高段較高長的時(shí)間內(nèi)重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，每次將化電壓控制的最終數(shù)值未必穩(wěn)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(shí)序和電容存在漏電現(xiàn)象的角度考慮，本方法難以從“量” 的角度準(zhǔn)確地把握反饋控制化電壓的“度”，不能保證每次將同化電壓等量的反向電壓反饋給測量電極。
總之，該實(shí)驗(yàn)充分證明了繼電器電容反饋抑制化電壓的方法可行，可完全抑制化電壓到較高小的范圍。但是該方法的測量電路和實(shí)驗(yàn)思想還不完善，測量結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性也不理想，目前的測量結(jié)果只有很粗略的反映。因此，在繼續(xù)改進(jìn)并充分完善本實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)跟蹤的反饋實(shí)驗(yàn)方法。
2．3．3動(dòng)態(tài)反饋控制化電壓方法的探索
綜合以上兩種實(shí)驗(yàn)方法可知，抑制化電壓的實(shí)驗(yàn)思路可以行得通，如果對化電壓能實(shí)時(shí)跟蹤反饋，以實(shí)現(xiàn)對不同大小的化電壓反饋不相等的控制量。那么對化電壓的控制***有針對性。在反饋系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，如果化電壓能夠穩(wěn)定控制在和感應(yīng)電動(dòng)勢同樣甚至很小的數(shù)量***范圍內(nèi)時(shí)，那么有望較高好地從化電壓中提取出反應(yīng)流速的感應(yīng)電動(dòng)勢。
借鑒差分對比消除化和繼電器電容反饋抑制化兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的思想，繼續(xù)改進(jìn)繼電器電容反饋的設(shè)計(jì)方案。既然利用電容的充電和放電現(xiàn)象可以控制化電壓到一個(gè)較高小的范圍，那么引入一個(gè)記錄化電壓的機(jī)制，并將其特性取反，然后反饋給提取信號的測量電極，也即借鑒自動(dòng)控制原理的負(fù)反饋思想，記錄化電壓的機(jī)制相當(dāng)于每次都提供一個(gè)設(shè)定值，而電極上測量的信號作為實(shí)際值，兩***進(jìn)行比較高，然后對其偏差信號進(jìn)行控制，最終的目的就是盡量將該偏差控制到***，從而控制化電壓。H反饋動(dòng)態(tài)控制化原理圖
因?yàn)樵诿總€(gè)周期的控制作用下，化電壓是逐步變化的，所以，記錄化電壓的機(jī)制應(yīng)該能自動(dòng)地根據(jù)化電壓的大小提供一個(gè)設(shè)定值，以達(dá)到動(dòng)態(tài)反饋跟蹤的目的，而不是提供一個(gè)始終固定不變的數(shù)值。
動(dòng)態(tài)反饋控制化的工作原理如2-6所示：先對傳感器采集的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，然后判斷化電壓的大小和方向，每個(gè)控制時(shí)序內(nèi)，都要根據(jù)化電壓的幅值和特性采取相應(yīng)的反饋量，最終將該化電壓抑制到重復(fù)穩(wěn)定的數(shù)值，消除其對感應(yīng)電動(dòng)勢的影響，并讓反應(yīng)流速的感應(yīng)電動(dòng)勢得到體現(xiàn)。(a)靜態(tài)無流速輸出信號(b)流速較高小時(shí)輸出信號(c)流速較高大時(shí)輸出信號圖2．7動(dòng)態(tài)反饋控制化電壓法的測量結(jié)果對比經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，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為反應(yīng)流速的信號，圖(a)為靜態(tài)無流速的信號，圖(b) 為流速較高小時(shí)的信號，圖(c)為流速較高大時(shí)的信號。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以初步看出，初始靜態(tài)特點(diǎn)完全在100mV以內(nèi)，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，其變化范圍可以達(dá)到lOOmV，粗略定性地反應(yīng)流速變化的效果非常明顯。