非满管电磁流量传感器结构上的发展综述_马一凡.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期143文章编号：2095-6835（2023）13-0143-03非满管电磁流量传感器结构上的发展综述马一凡1，朱 昊2（1.国家知识产权局专利局专利审协协作天津中心，天津 300300；2.国网天津市电力公司东丽供电分公司，天津 300300）摘要：电磁流量传感器在传统结构的基础上发展迅速，从结构方面对该传感器的发展进行综述，重点在于适用于非满管测量场合的结构方面的改进。结合不同发展时期不同申请人的重要专利文献介绍了几种典型的结构，主要包括电极形状、电极数量及电容式 3 个方面的改进，分别阐述了其结构原理和优缺点，为后续研究提供参考。关键词：电磁流量器；非满管结构；电极专利；电极形状中图分类号：TH816文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.043电磁流量传感器是基于法拉第电磁感应定律制作的一种可以测量导电液体流量的传感器，它普遍适用于具有电导率流体的流量测量，适应范围广泛，其内无可动部件，避免了堵塞现象，特别适用于矿浆、泥浆、纸浆和污水等固液两相介质的测量，这是区别于其他流量传感器的主要特点。电磁流量传感器发展始于 20 世纪 20 年代，是较为传统的流量计，近年来，其技术发展主要集中在电磁流量传感器的结构、励磁方式、信号处理技术及智能化等方面1，本文将重点分析电磁流量传感器的结构发展，并通过具体结构实例来介绍其特点。1电磁流量传感器的工作原理和结构1.1电磁流量传感器的工作原理基于法拉第电磁感应定律，当导电流体在磁场中垂直于磁力线方向进行切割磁力线运动时，根据右手定则，与流体流向和磁力线垂直方向上将产生感应电动势，感应电动势 E=BDV，其中 B 为磁感应强度，D为流量传感器的管径，V 为被测流体的平均流速。对于特定的流量传感器而言，管径 D 和磁感应强度 B 是确定不变的，感应电动势的大小与被测流体的平均速度成正比，那么则可通过感应电动势大小计算出流体的体积流量，感应电动势的大小由传感器测量管上引出的电极来测量。1.2电磁流量传感器的结构电磁流量传感器按结构分为管道式和插入式2种。管道式流量传感器由测量管、励磁系统、电极、内衬和外壳等组成，测量管由非导磁的高阻材料制作，可以避免磁力线被测量管的管壁短路，且涡流损耗小。管内壁的内衬需要根据被测介质的性质和工作温度选择合适的材质，防止管道被磨损或腐蚀。电极需选用非导磁不锈钢制成，电极与测量管壁必须保证绝缘，防止感应电动势被短路。插入式流量传感器相对于管道式传感器发展较晚，在大管径管道的流量测量中，若使用管道式流量传感器，其加工方面和安装维修方面都存在困难，使用中存在不便，成本也会很高，因此，发展出一种插入式流量传感器代替传统的管道式流量传感器2。其工作原理与管道式流量传感器完全相同，不同点为前文提到的结构小巧、安装方便，只需在管道上打孔安装即可，适用于大管道流量测量。2电磁流量传感器结构上的改进从电磁流量传感器工作原理可知，它是一种以测量流体在管通内的流速作为测量依据来计算流量的仪表，前提是管通内流过的液体充满整个管道，才能保证测量精度。常规情况下都是满管测量，空管是偶然现象，可以采用分时测量技术测量电极之间的介质电阻，以此为依据来判断是否空管，并在空管后采取置零措施予以报警3，这属于具体测量中的监测和补救，但是对于一些场合，常规情况下不是充满的状态，比如污水管道，难以保证其管内满管，或者正常情况下流体流速很快导致充不满管道，此时就需要设计适用于非满管管道的电磁流量传感器。非满管电磁流量传感器的测量原理与传统的满管电磁流量传感器基本是相同的，都是基于法拉第电磁感应获取流速参数，不同的是非满管传感器还需要获得液位参数，将 2 个参数合成得到体积流量值，而针对非满管电磁流量传感器的设计主要在于液位参数的获取方式。笔者对国内外对于此种传感器的研究做了一个检索，其主要创新主体为流量仪表相关公司和一些高校，专利库中主要的几大申请人为 abb 公司、Fisher&Porter公司、恩德斯豪斯流量技术公司、上海大学、惠而浦科技与创新Science and Technology&Innovation1442023 年 第 13 期公司、浙江大学等，集中在电路、信号处理、结构等的改进上，本文重点探讨它在传感器结构方面的改进形式，对其中涉及结构改进的典型技术进行了总结，改进方向主要分为对于电极本身形状的改进、电极数量的改进及电容式结构的改进。2.1电极形状改进2.1.1弧形电极电磁流量传感器检索到出现最早的非满管电磁流量传感器是Fisher&Porter 公司在 1975 年提出的专利 US3991612A中记载的一对弧形电极。该弧形电极跨过流量管总圆周的大部分，每个电极跨度约为 170，以使电极相对于通过流量的流体由接近空状态的水平到接近满状态的水平。1976 年该公司申请的专利 US4036052A 中进一步对它进行了改进，提出一种基于弧形电极的倒 T形电极，能最大程度覆盖较低水位。国内对于弧形电极也有研究，上海大学的李斌等于 2006 年申请的专利CN1928507A 中设计了一种长弧形大电极，将一对电极安装在测量管内壁水平方向的两侧，两电极为沿测量管管壁周向圆弧状伸长成一对长弧形电极，每个电极的弧长对应于测量管非满管液值变化范围所覆盖的弧长，它以尺寸较大的长弧形电极作为测量电极，并且另外设置一对电极为该长弧形电极提供电压激励。当流体的液位改变时，长弧电极上检测得到的电压信号将发生变化，从而可实现对液位和流速参数的同时测量。采用长弧形电极的目的是使电极在可测量最低充满度时保持与流体的接触4。该种流量传感器虽然已经尽可能满足最低充满度，但仍然受到最低液位限制，当测量液位低于直径的 10%时，它是无法准确检测流量的。2.1.2长条形电极电磁流量传感器德国克洛纳有限公司（又称科隆公司）在 2009 年申请的专利EP2192390A2 中展示了一种电极结构改进的电磁流量传感器，它测量电极采用条形结构。同时也指出，其形状可以采用任意拉伸的形状，如菱形、椭圆形等，整体上呈带状设计，根据需要其长度可以是测量线周长的 1/41/2，直接与流动介质电接触。同时，测量电极的材料的电导率比流动介质的电导率高 210 倍，这些构造和材料的改进，很大程度提高了流量测量的精确性，但是对于液位测量仍然是采用参考电极的形式，以此进行非满管监测。哈尔滨理工大学的胡艳艳等提出了一种长条形电极形式的改进结构，将圆形管道换成方形管道，相对应的使用长条形电极进行流速和液位测量，长条形电极长度等于测量管的高度，将流速测量机构和液位测量机构分开设置，二者相距不远，可以实现 2 种参数的同时测量。这种电极结构不仅可以避免传统电磁流量计中液位低于点电极，而且与长弧形电极相比，测量范围更宽，不受最低液位限制5，但是管道形状的变化会带来安装不便等问题。2.2电极数量改进Fisher&Porter 公 司 在 1992 年 申 请 的 专 利US5327787A 中记载了一种实现非满管测量的技术方案，除检测电极外，在靠近管段底部设置了 2 个附加电极，并且设计了专门的检测电路，将附加电极检测的信号进行处理输出给校正电路以校正非满管的液位高度。西门子公司在 2008 年申请的专利 EP2283325A1中提出借助第三电极进行是否满管检测，设置了第一电极和第二电极并布置在测量管的相对侧上，第三电极设置在测量管的顶部以检测流体介质是否充满，也就是满管电极。恩德斯豪斯流量技术公司在 2016 年申请的专利 EP3335016B1 中同样记载了一种借助满管电极来监测是否充满的多电极结构，在测量管直径相对的方向上布置 2 个测量电极，在测量管周向上分布 4 个另外电极，两两沿直径方向构成电极测量轴，在测量管最上方设置满管电极，其中 4 个电极测量轴用于补偿流量测量误差，满管电极用于监测是否充满。浙江大学2009年申请的专利CN101929883A中介绍了一种用电磁流量计测量非满管导电流体流量的方法，其中设置了至少 3 对测量电极和 1 个接地电极，测量管内壁的多对电极，保证了不同液位 H 下每对电极均与流体接触，且根据液位的不同合理选择测量电极对，保证测量的准确性。上 海 大 学 的 李 斌 等 2014 年 申 请 的 专 利CN104121954A 中提出了一种基于二维感应电势的非满管电磁流量计，在测量管具有磁场 B 处的外管壁上有 2 对信号测量点：X1 与 X2 和 Y1 与 Y2，在磁场 B作用下，测量点 X1 和 X2 间有正比于感应电势信号EX，测量点 Y1 和 Y2 间有正比于感应电势信号 EY；信号EX和信号EY的大小与所述的测量管中流体的液位高度、测量点 X1 与 X2 和 Y1 与 Y2 在测量管外壁上的位置有关，通过分析信号 X 与信号 Y 的数据来估计流体的液位 H、平均流速 V 和非满管流量 Q。该种方法完全是基于电磁流量计的流体感应电势测量原理，保持了电磁流量计在泥浆等污染物流体测量上的优势，不会引入其他的影响因素。（下转第 149 页）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期149（上接第 144 页）2.3电容式结构改进德 国 科 隆 公 司 于 1996 年 提 出 的 专 利 申 请CN1158420A 中最早介绍了一种典型的利用电容结构实现非满管电磁流量测量的传感器，它本身也是利用液位和流速分开测量的原理，但是均采用电容板来实现。在测量管的衬里背面安装有 2 组相对的电容器板组，电容器板的宽度由管道的等高线起向管道的底部方向和顶部方向均逐渐缩窄，保证它与管道高度有关的宽度在具体的高度时总是与管道的宽度成比例，使得电容器板的电流与介质平面的高度成比例，从而能准确表征非满管时介质的液位高度。而在流速测量时，第一和第二电容器板组的各一块与介质接触的电容器板用作磁感应体积流量测量仪的电极，通过处理电路得到流速，由此便可计算出非满管流量6。但是电容式检测方式存在流量信号检测微弱、信噪比低等缺点。北 京 航 空 航 天 大 学 于 2009 年 申 请 的 专 利CN101701836A 中提出了一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计，设计了专门的电容测量模块，在管道上安装多组测量电极，电容测量电路分别测量多组电极之间的电容，利用电容测量模块测得的多组电容值使用电学成像技术得到管内空气和液体的两相分布信息。在非满管时，根据空气和液体的两相分布信息对感应电动势值进行修正后再得到管内流型及平均流速，综合流型及平均流速和相分布得到管内的流量。电容式测量方法很好避免了电极测量与流体接触而被污染或腐蚀的问题。3结论本文介绍了电磁流量传感器的结构，尤其针对非满管的情形结合重点申请人的重点专利介绍了该类电磁流量传感器的改进结构。在检索中发现对于该种传感器的结构改进文献量并不多，其改进方向也较为集中，主要集中在电极的形状、电极的数量及电容式结构方面，申请人也较为集中，主要是国外的几家仪表行业的龙头企业以及国内的几家科研院校，国内企业较少有研发出的较为典型的该方面的产品。本文挑选的重点专利所介绍的技术基本是行业内较为基础和实用的支撑技术，具有较长的时间跨度，可为后续研发的理论基础提供参考。并且通过综述发现，对于电极数量、分布及电容式结构的改进仍然存在一定的发展空间，希望能给本领域该类传感器研发提供一定的方向。参考文献：1赵保生，吴蓉，刘志森，等.电磁流量计发展及趋势J.自动化仪表，2017，38（5）：67-71.2纪纲，武因超.流量仪表的现状与发展趋势J.自动化仪表，2020，41（7）：1-6.3李曦，张小章.插入式电磁流量计的理论研究J.计量技术，2008（2）：3-6.4卫开夏，李斌，陈坚祯.非满管电磁流量计液位测量方法研究J.传感技术学报，2008，21（12）：2106-2110.5胡艳艳.电容式非满管电磁流量计设计及其磁场优化D.黑龙江：哈尔滨理工大学，2013.6黄彤.非满管电磁流量计在污水测量中的应用J.工业仪表与自动化装置，2006（4）：43-45.作者简介：马一凡（1990），女，河北保定人，硕士研究生，助理研究员，研究方向为光电领域专利审查。（编辑：严丽琴）2008：1-64.2CEBALLOS-LASCURAINH.生 态 旅 游 的 概 念EB/OL.2023-01-29.http:/www.lohas-chuina.Com/thcy.asp3林英.井冈山自然保护区考察研究M.北京：新华出版社，19904易清传，付小刚.井冈山红色旅游开发对策探讨J.安徽农业科学，2007（9）：2705-27085郑发辉，陈春泉，邓大吉，等.井冈山国家级自然保护区自然资源评价J.福建林业科技，2007（3）：159-1656陈忠晓，王仰麟，权晓红，等.井冈山风景名胜区旅游资源开发初探J.资源开发与市场，2000（5）：311-3137杨晓霞，陈联寿，刘诗军，等.山东省远距离热带气旋暴雨研究J.气象学报，2008（2）：236-250.8胡楠，张婷婷，袁志学，等.远距离台风暴雨研究综述J.安徽农业科学，2015，43（12）：169-172.9陈小芸，黄姚钦，炎利军.台风倒槽局地性强降雨分析J.气象科技，2014（2）：71-75.作者简介：罗静静（1993），女，浙江台州人，学士，助理工程师，定海区气象局综合预报员。（编辑：张超）