CN112461305B - 多线圈阵列的流量电磁测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多线圈阵列的流量电磁测量装置及测量方法，包括电极、马鞍形线圈组、励磁***、晶振电路、复位电路、前置放大电路、滤波电路、乘法电路、互相关检测电路、A/D转换电路、以及键盘、显示电路、D/A转换模块、存储模块、通信接口，选定马鞍形线圈作为电磁流量计励磁结构的基线圈；确定最优的马鞍形线圈角度以及最优的匝数；采用前置放大电路进行差动放大，采用双绞线传输流量信号，通过钢质磁屏蔽罩将干扰源与信号传输线进行有效的物理隔离；通过乘法器将励磁信号1/4周期的矩形波与波形信号相乘，获得仅包含平稳波段的流量信号，利用DSP相关算法，将处理后的流量信号与励磁信号6.25Hz的低频三值矩形波进行互相关操作。

Description

多线圈阵列的流量电磁测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种非轴对称流流量电磁测量技术领域，具体为多线圈阵列的流量电磁测量装置及测量方法。

背景技术

电磁流量计由于其高效、便捷和精确的特点，成为工业和生活中不可或缺的流量测量仪表，其应用场景多种多样。电磁流量计的测量精度直接影响了工农业生产的正常运行，目前工业上应用较成熟的是传统电磁流量计，其传感器工作磁场为均匀磁场，其励磁结构多为单对亥姆霍兹线圈，然而单对线圈所产生的磁场均匀度始终受限，这将会在某种程度上限制电磁流量计的测量精度。并且该传统电磁流量计测量的对象主要为层流等轴对称流流型，若将磁场类型为均匀型磁场的电磁流量计用于非轴对称流流型流量测量，将产生较大的测量误差，且流体的轴对称性越差，所造成的测量误差越大。而在实际测量过程中，弯管、隔板等均会导致湍流、紊流等非轴对称流的产生，此时，传统利用均匀型磁场的电磁流量计已经不能满足测量需求。目前常用的非轴对称流流型测量主要是通过在测试前端将非轴对称流流型转化为轴对称流流型，进而利用均匀型磁场的电磁流量计进行流量测量。然而该种方式在实际应用当中进行非轴对称流流型测量存在较大的限制，主要表现于非轴对称流流型到轴对称流流型的转换过程，根据研究要实现较好效果的转换需要测量管前后直管段长度分别为10倍管径和5倍管径，该转换要求给传统电磁流量计用于非轴对称流流型流量测量带来很大的空间限制，在很多空间狭小或是大口径非轴对称流流型流量测量的实际情况当中完全不能满足。同时由于利用均匀型磁场制成的传统电磁流量计磁场的均匀程度对测量结果的精度有直接影响，而实际很难完全保证磁场的均匀程度，以上两个问题限制了传统均匀型电磁流量计非轴对称流流型流量测量的应用环境以及测量精度。因此如果能利用多线圈技术产生适合用于非轴对称流流型流量测量的磁场，并将其应用于电磁流量计中，即可直接对非轴对称流流型进行测量，并具有较高精度。

综上所述，将多线圈阵列技术应用于电磁流量计对于直接实现非轴对称流流型的高精度电磁测量具有重要意义。目前针对非轴对称流流型流量测量已经广泛引起学者的关注，但是利用传统均匀型磁场对非轴对称流流型流量测量还有一定缺陷。主要表现在：

(1)均匀磁场型的传统电磁流量计对磁场的均匀程度与测量精度有直接的关系，因此需要高均匀度的磁场，目前磁场优化主要针对单线圈磁场优化，效果有限，从一定程度上限制了传统流量计的非轴对称流流型测量。

(2)传统方式对非轴对称流流型测量对安装空间以及转换条件具有严格的要求，并且转换效果直接决定测量精度，若转换效果不达标将导致测量误差大。

(3)针对非轴对称流流型直接测量的电磁流量测量装置及测量方法还存在一定程度的欠缺。

基于此，本发明设计了多线圈阵列的流量电磁测量装置及测量方法，以解决上述提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供多线圈阵列的流量电磁测量装置及测量方法，以解决上述提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：多线圈阵列的流量电磁测量装置，包括电极、马鞍形线圈组、励磁***、晶振电路、复位电路、前置放大电路、滤波电路、乘法电路、互相关检测电路、A/D转换电路、以及键盘、显示电路、D/A转换模块、存储模块、通信接口，所述马鞍形线圈组包括A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈，所述A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈固定于测量管外部，所述电极放置于测量管内，提供给A阵列励磁线圈提供和B阵列励磁线圈通以交流电，产生与非轴对称流流型的虚电流相匹配的非均匀磁场，所述电极输出的流量信号通过所述放大器、滤波电路处理后，利用乘法电路将输出波形进行处理，选择性的获取波形稳定波段，利用DSP相关算法，将励磁信号与处理后的波形信号进行相关处理。

优选的，所述A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈均由4个张角不同的马鞍形励磁线圈组成，中心线圈为张角为36deg，匝数为144匝的马鞍形线圈，第二层线圈为张角为72deg，匝数为132匝的马鞍形线圈，第三层线圈为张角为108deg，匝数为123匝的马鞍形线圈，最外层线圈为张角为144deg，匝数为108匝的马鞍形线圈，通过A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈构成所述励磁***。

优选的，所述A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈对称分布于测量管的管壁两侧，所述测量管的外部设有阻止磁场向外发散的钢质屏蔽材料构成的磁屏蔽罩。

优选的，还包括旁路电容和去耦电容。

优选的，所述电极通过双绞线传输流量信号。

优选的，所述互相关检测电路采用互相关算法，将处理后的流量信号与励磁信号6.25Hz的低频三值矩形波进行互相关操作。

优选的，所述滤波电路采用算数平均滤波，每个半周期上的非零部分等间隔取样32个数据点，对取出的32个数据点进行算术平均运算，则一个周期的非零部分有64个采样点，通过两次算数平均运算，获得的两个值作为最终波形的波峰与波谷数据值，并以此波形计算出流量输出幅值，反演可得实际非轴对称流流型的流量数据。

优选的，所述的多线圈阵列的流量电磁测量装置的测量方法包括以下步骤：

S1：选定马鞍形线圈作为电磁流量计励磁结构的基线圈；

S2：确定最优的马鞍形线圈角度以及最优的匝数；

S3：采用前置放大电路进行差动放大，采用双绞线传输流量信号，通过钢质磁屏蔽罩将干扰源与信号传输线进行有效的物理隔离；

S4：通过乘法器将励磁信号1/4周期的矩形波与波形信号相乘，获得仅包含平稳波段的流量信号，利用DSP相关算法，将处理后的流量信号与励磁信号6.25Hz的低频三值矩形波进行互相关操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.对比多种形状线圈所产生的非均匀磁场效果，选定基线圈为马鞍形线圈，并提出一种利用非均匀磁场直接测量非轴对称流流型流量测量方法，对现场实际的非轴对称流流型流量测量具有指导意义。

2.实现两组阵列线圈数量、尺寸、形状和电极张角的优化设计和布置，可直接进行非轴对称流流型流量测量并且提高测量精度。

3.在信号传输过程中采用双绞线传输并在电路中才有高输入阻抗电路并运用去耦电容有效降低噪声和***纹波。选择每半个周期的最后部分磁场最稳定时的信号与励磁信号通过DSP进行相关处理，保证了对比信号与非轴对称流量信号的同频同相，省去了移相环节。可同时有效去除工频干扰、开关电源的的高频噪声以及如微分干扰、同相干扰、涡流干扰等跟励磁磁场有相关性的干扰，进一步提高检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统均匀磁场型电磁流量计的物理模型图；

图2为本发明非均匀磁场型电磁流量计权函数优化示意图；

图3为本发明单对马鞍形线圈的示意图；

图4为本发明多线圈电磁流量计三维图；

图5为本发明多线圈优化后的磁场云图；

图6为本发明进行多线圈优化后的矢量权重函数分布云图；

图7为本发明马鞍形多线圈装置结构示意图；

图8为本发明电极截面x方向磁场仿真值与实测值曲线图；

图9为本发明电极截面y方向磁场仿真值与实测值曲线图；

图10为本发明硬件整体***模块图；

图11为本发明励磁***电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图10，本发明提供一种技术方案：多线圈阵列的流量电磁测量装置，包括电极、马鞍形线圈组、励磁***、晶振电路、复位电路、前置放大电路、滤波电路、乘法电路、互相关检测电路、A/D转换电路、以及键盘、显示电路、D/A转换模块、存储模块、通信接口，马鞍形线圈组包括A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈，A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈固定于测量管外部，电极放置于测量管内，A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈对称分布于测量管的管壁两侧，测量管的外部设有阻止磁场向外发散的钢质屏蔽材料构成的磁屏蔽罩，故在测量管截面域内激发出独立非均匀磁场，如图8和9所示。有益于仅在测量管内形成满足优化要求的磁场，从而可以利用非均匀磁场优化后直接进行非轴对称流流型的流量测量，并提高测量精度。当处于工作环境时，提供给A阵列励磁线圈提供和B阵列励磁线圈通以交流电，产生与非轴对称流流型的虚电流相匹配的非均匀磁场，电极输出的流量信号通过放大器、滤波电路处理后，利用乘法电路将输出波形进行处理，选择性的获取波形稳定波段，利用DSP相关算法，将励磁信号与处理后的波形信号进行相关处理，获得去除各项干扰的准确流量信息，实现优化测量，可实现非轴对称流流型流量直接测量，并进一步提高非轴对称流流型流量测量精度。

流量计中的干扰信号大致可以分为两类。对于流动噪声、工频干扰、开关电源的高频噪声、电子元件的随机噪声，通过互相关处理可以得到抑制。对于由磁场变化引起的，如微分干扰、同相干扰、涡流干扰等由于跟励磁磁场有相关性，互相关处理不能有效抑制这些干扰，本发明采用的是磁场稳定时段进行互相关运算，即选择每半个周期的最后部分磁场最稳定时的信号与励磁信号进行相关运算，以三值矩形波励磁为例，首先利用乘法器将流量输出信号与周期为励磁信号周期的1/4的矩形波，将流量信号较为平稳的波段选出，再利用DSP对数字信号的快速处理能力，通过互相关算法进行相关处理，保证了对比信号与非轴对称流量信号的同频同相，省去了锁相环部分。从而可以有效的避免上述干扰，提高检测精度。

电磁流量计的基本原理是基于法拉第电磁感应定律，导电流体以一定速度流过磁场时，导电流体切割磁感线，并在电极两端产生感应电动势，感应电动势的大小与磁感应强度和流体速度有如式(1)的关系。

如图1所示，传统电磁流量计为均匀磁场型电磁流量计仅用于测量轴对称流流型流量测量，而针对非轴对称流流型本发明基于英国著名学者Shercliff教授首次提出的权重函数的概念，如图2所示，并借鉴式(2)的电磁流量计输出模型。

其中

式中，ΔU——电极两端的输出电压；

——矢量权重函数；

——流体流速；

τ——导电流体所在的管道空间；

——磁感应强度；

——虚电流密度。

由此可知，当权重函数

为常数时，电磁流量计的输出信号只与管道内的流速积分有关，而与流速的分布无关。

由以上推导可知该理论在一定情况下可应用于非轴对称流的流量测量当中。即权重函数

是由磁感应强度

叉乘虚电流密度

所决定的，在管径尺寸等参数确定时，可进行磁场的进一步优化。根据非均匀磁场型电磁流量计励磁优化可知，测量非轴对称流需要非均匀磁场，根据虚电流的实际分布以及基本优化方式得出非均匀磁场的分布为：低感应区产生高强度的磁场，高感应区产生低强度的磁场。

本发明通过研究矩形线圈、菱形线圈和马鞍形线圈的磁感应强度进行理论求解，得到了各线圈的磁场分布情况，由此明确了非均匀磁场优化方向。由此进行仿真分析，首先对单对矩形线圈、菱形线圈和马鞍形线圈的磁感应强度进行仿真验证，进而选定马鞍形线圈作为电磁流量计励磁结构的基线圈，如图3所示。不同角度的马鞍型线圈可以在电极截面不同位置产生不同强度的磁场。因此，为了便于得到合适的非均匀磁场，采用多对马鞍形线圈形成多线圈结构的电磁流量计，如图4所示。

如图5和6，采用4对马鞍形线圈上下对称放置于管壁上，每对线圈的各轴向边之间间隔圆心角度为18deg。各线圈的单匝电流相等，各线圈匝数为待优化参数。进行各线圈的匝数优化进而产生合适的非均匀磁场，合适的非均匀磁场使得电极截面形成相对均匀的权重函数，并利用矢量权重函数的标准差W_b评价权重函数的均匀性以此作为优化目标函数，W_b越小说明电极截面的权重函数均匀性越好。用更数学化的语言描述该优化问题，可以写成：

minmize:W_b(N) (5)

subject to:N_min≤N₁≤N₂≤N₃≤N₄≤N_max (6)

式中：W_b——矢量权重函数的标准差；

W_i——电极截面某点i的矢量权重函数；

——电极截面矢量权重函数的平均值；

n——i点的总数；

N_min——各线圈匝数的下限，本文设置为100；

N₁～N₄——各线圈的匝数；

N_max——各线圈匝数的上限，本文设置为200。

以此为模型利用稀疏非线性优化算法智能化求解非线性数学问题，依次序给出变量与约束条件，将线圈匝数的优化模型可以写成非线性与线性部分和的形式：

进行求导：

W_b′(N)＝G(N)+A (8)

其中，G(N)表示雅克比矩阵，A表示常数矩阵。使用该智能优化算法只需要输入以下信息：①自变量和约束函数的维数；②自变量和约束函数的上下界，本研究中四组线圈的线圈匝数上下限分别为100匝和200匝；③雅克比矩阵中已知数值；④声明W_b(N)中非线性部分w_b(N)的子函数。优化后参数如表(1)所示。

表(1)各线圈的线圈匝数

如图7所示，其中，A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈均由4个张角不同的马鞍形励磁线圈组成，中心线圈为张角为36deg，匝数为144匝的马鞍形线圈，第二层线圈为张角为72deg，匝数为132匝的马鞍形线圈，第三层线圈为张角为108deg，匝数为123匝的马鞍形线圈，最外层线圈为张角为144deg，匝数为108匝的马鞍形线圈，通过A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈构成励磁***。经实验验证该匝数为最优解，可获得多线圈非均匀磁场最优解，产生出最合适测量的非均匀磁场。通过上述方式，本发明利用多线圈阵列结构优化后所产生的非均匀磁场与非轴对称流流型的虚电流模型进行计算后，通过理论求解，获得可测量非轴对称流流型流量的方法，并且具有较高精度。

其中，由于电磁流量计传感器所输出的信号十分微弱，并且具有较多噪声和干扰，本发明前置放大器采用差动放大，同时为进一步保证高输入阻抗，在差动放大电路中加入三极管，利用三极管截至的高阻抗作为输入阻抗，使得该放大电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声等特点，可有效的抑制噪声干扰，从而提高信号信噪比。本发明在信号传输时采用双绞线传输流量信号，抑制外部磁场所产生的电磁干扰，并通过钢质磁屏蔽罩将干扰源与信号传输线进行有效的物理隔离。另外本发明多处增加旁路电容和去耦电容，有效降低噪声和***纹波。从而降低信号传输过程带来的干扰，提高流量信号的信噪比。

其中，互相关检测电路采用互相关算法，将处理后的流量信号与励磁信号6.25Hz的低频三值矩形波进行互相关操作。如图11所示，两组开关K1、K3和K2、K4分别受励磁控制脉冲P和N控制，这两组开关交替地截止和导通。当P为高电平且N为低电平，即开关K2、K3闭合，开关K1、K4打开时，规定此时电流为正向左流过励磁线圈；当P为低电平且N为高电平，即开关K2、K3打开，开关K1、K4闭合时，规定此时电流为反向左流过励磁线圈；当P为高电平且N为高电平，即四个开关K1、K2、K3、K4都打开时，励磁线圈中不会流过电流。通过上述过程产生低频三值矩形波励磁信号。

其中，滤波电路采用算数平均滤波，每个半周期上的非零部分等间隔取样32个数据点，对取出的32个数据点进行算术平均运算，则一个周期的非零部分有64个采样点，通过两次算数平均运算，获得的两个值作为最终波形的波峰与波谷数据值，并以此波形计算出流量输出幅值，反演可得实际非轴对称流流型的流量数据。

实施例2

多线圈阵列的流量电磁测量装置的测量方法包括以下步骤：

S1：本发明提出采用非均匀磁场用于非轴对称流流型流量测量的方法，通过简单对比常见的产生非均匀磁场的线圈，包括矩形线圈、菱形线圈、马鞍形线圈等所产生的非均匀磁场的效果，确定由马鞍形线圈作为多线圈电磁流量计基线圈，通过此方法产生的磁场能最大程度的适合非轴对称流流型流量测量；

S2：本发明提出一种对励磁线圈结构进行优化的方式，将多对马鞍形励磁线圈作为***励磁结构。采用本发明所述方式，对多线圈的线圈结构进行优化，确定最优的马鞍形线圈角度以及最优的匝数。通过上述方式，本发明利用多线圈阵列结构优化后所产生的非均匀磁场与非轴对称流流型的虚电流模型进行计算后，通过理论求解，获得可测量非轴对称流流型流量的方法，并且具有较高精度；

S3：由于电磁流量计传感器所输出的信号十分微弱，并且具有较多噪声和干扰，本发明前置放大电路采用差动放大，该放大电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声等特点，可有效的抑制噪声干扰，从而提高信号信噪比。本发明采用双绞线传输流量信号，抑制外部磁场所产生的电磁干扰。另外本发明多处增加旁路电容和去耦电容，有效降低噪声和***纹波。从而降低信号传输过程带来的干扰，提高流量信号的信噪比；

S4：由于流量信号当中存在与励磁信号相位相差90度的微分干扰，本发明通过乘法器将励磁信号1/4周期的矩形波与波形信号相乘，获得仅包含平稳波段的流量信号。去除微分干扰保证了对比信号与非轴对称流量信号的同频同相，省去了移相环节。然后利用DSP的高速数据处理能力，采用互相关算法，将处理后的流量信号与励磁信号6.25Hz(工频的1/8)的低频三值矩形波进行互相关操作。去除流动噪声、工频干扰、开关电源的高频噪声、电子元件的随机噪声等。

经过上述处理后，流量信号波形相对稳定。本发明采用算数平均滤波，每个半周期上的非零部分等间隔取样32个数据点。对取出的32个数据点进行算术平均运算，则一个周期的非零部分有64个采样点，通过两次算数平均运算，获得的两个值作为最终波形的波峰与波谷数据值，并以此波形计算出流量输出幅值，反演可得实际非轴对称流流型的流量数据，提高检测精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.多线圈阵列的流量电磁测量装置，其特征在于：包括电极、马鞍形线圈组、励磁***、晶振电路、复位电路、前置放大电路、滤波电路、乘法电路、互相关检测电路、A/D转换电路、以及键盘、显示电路、D/A转换模块、存储模块、通信接口，所述马鞍形线圈组包括A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈，所述A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈固定于测量管外部，所述电极放置于测量管内，提供给A阵列励磁线圈提供和B阵列励磁线圈通以交流电，产生与非轴对称流流型的虚电流相匹配的非均匀磁场，

其中，A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈均由4个张角不同的马鞍形励磁线圈组成，中心线圈为张角为36deg，匝数为144匝的马鞍形线圈，第二层线圈为张角为72deg，匝数为132匝的马鞍形线圈，第三层线圈为张角为108deg，匝数为123匝的马鞍形线圈，最外层线圈为张角为144deg，匝数为108匝的马鞍形线圈，通过A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈构成励磁***，

所述电极输出的流量信号通过放大器、滤波电路处理后，利用乘法电路将输出波形进行处理，选择性的获取波形稳定波段，利用DSP相关算法，将励磁信号与处理后的波形信号进行相关处理。

2.根据权利要求1所述的多线圈阵列的流量电磁测量装置，其特征在于：所述A阵列励磁线圈和B阵列励磁线圈对称分布于测量管的管壁两侧，所述测量管的外部设有阻止磁场向外发散的钢质屏蔽材料构成的磁屏蔽罩。

3.根据权利要求1所述的多线圈阵列的流量电磁测量装置，其特征在于：还包括旁路电容和去耦电容。

4.根据权利要求1所述的多线圈阵列的流量电磁测量装置，其特征在于：所述电极通过双绞线传输流量信号。

5.根据权利要求1所述的多线圈阵列的流量电磁测量装置，其特征在于：所述互相关检测电路采用互相关算法，将处理后的流量信号与励磁信号6.25Hz的低频三值矩形波进行互相关操作。

6.根据权利要求1所述的多线圈阵列的流量电磁测量装置，其特征在于：所述滤波电路采用算数平均滤波，每个半周期上的非零部分等间隔取样32个数据点，对取出的32个数据点进行算术平均运算，则一个周期的非零部分有64个采样点，通过两次算数平均运算，获得的两个值作为最终波形的波峰与波谷数据值，并以此波形计算出流量输出幅值，反演可得实际非轴对称流流型的流量数据。

7.根据权利要求1-6任一所述的多线圈阵列的流量电磁测量装置及测量方法，其特征在于：所述的多线圈阵列的流量电磁测量装置的测量方法包括以下步骤：

S1：选定马鞍形线圈作为电磁流量计励磁结构的基线圈；

S2：确定最优的马鞍形线圈角度以及最优的匝数；

S3：采用前置放大电路进行差动放大，采用双绞线传输流量信号，通过钢质磁屏蔽罩将干扰源与信号传输线进行有效的物理隔离；

S4：通过乘法器将励磁信号1/4周期的矩形波与波形信号相乘，获得仅包含平稳波段的流量信号，利用DSP相关算法，将处理后的流量信号与励磁信号6.25Hz的低频三值矩形波进行互相关操作。

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