基於平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法
2024-01-30 23:44:15
專利名稱：基於平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法
技術領域：
本發明涉及應用於電磁流量計的標定方法，尤其涉及一種基於電極與管段軸線所在平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法。
背景技術：
目前，電磁流量計多採用實流標定方法，需要實際流動的液體通過電磁流量計測量管段來完成其標定。此方法存在以下三個缺點1)需要搭建大型的實流標定裝置，其中大口徑電磁流量計的實流標定裝置極其昂貴，標定成本也非常高；2)實流標定裝置通常只有一種測量介質，例如水，其所產生的流場亦為完全發展的理想流場。但現場使用時，電磁流量計的測量介質可能不是水，而是黏液、漿液甚至多相介質等，管段內流場也並非一定為實流標定時的理想流場，因此實流標定得出的儀表精度並不能代表現場使用的實際精度；3)電磁流量計通常要求進行定時的重新標定，而實流標定裝置不具備可移動性，因此用戶與廠家通常需要花費額外的資源將電磁流量計從現場運輸至實流標定裝置所在地進行重新標定。
電磁流量計幹標定方法可避免實流標定的以上缺點，標定過程中無需實際介質，其裝置製造成本及標定成本大大降低，裝置具備可移動性，可在電磁流量計使用現場完成其標定，原理上幹標定採用理論計算的方式，可完成不同介質及各種流場環境下電磁流量計的檢測與標定。但傳統的電磁流量計幹標定方法要求測量整個電磁流量計管段內空間的三維磁場信息。而在各點磁通密度方向未知的情況下，要做到準確測量三維磁場信息顯然不太可能，因此傳統的幹標定方法在精度上無法達到工業化應用的要求。
發明內容
為了避免傳統的電磁流量計幹標定方法中管段內空間方向未知的三維磁場的測量，本發明的目的在於提供一種基於電極與管段軸線所在平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法，只需測量電磁流量計電極與管段軸線所在平面上方向已知的法向磁通密度，能確保測量的準確性，進而提供一種高精度、可模擬不同介質及各種流場情況的電磁流量計幹標定方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種基於平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法，用高斯計逐點測量電磁流量計電極與管段軸線所在平面的法向磁通量密度，計算機利用所測得的平面磁場信息重構管段內空間三維磁場，結合管段幾何尺寸及數學模型計算出電磁流量計一次傳感器的轉換係數，從而實現電磁流量計一次傳感器幹標定。
利用計算機控制電動位移平臺驅動高斯計探頭逐點掃描測取電磁流量計電極與管段軸線所在平面的法向磁通量密度，測量時高斯計探頭平面與電極與管段軸線所在平面重合。
用標量磁位勢來描述整個管段內的空間三維磁場，則標量磁位勢滿足拉普拉斯方程。利用電極與管段軸線所在平面上標量磁位勢的法嚮導數，即法向磁通密度為求解條件，求解標量磁位勢的拉普拉斯方程，使得管段內空間各點標量磁位勢由求解條件，即電極與管段軸線所在平面上法向磁通密度唯一決定。從而只需通過測量電極與管段軸線所在平面上的法向磁通密度，便可重構管段內空間三維磁場。
利用內徑幹分尺、遊標卡尺測量電極尺寸、電極間距離及管段內徑，用於構建空間權重函數，並確定積分空間。
根據不同介質及各種流場情況建立不同的流場數學模型，標定時與重構的三維磁場模型、空間權重函數相乘，並根據管段幾何尺寸在整個管段空間進行積分，得到單位流量下電磁流量計電極間輸出電壓，即電磁流量計一次傳感器轉換係數，從而實現電磁流量計一次傳感器幹標定。
本發明與背景技術相比具有的有益效果是避免了傳統的電磁流量計幹標定方法中管段內空間方向未知的三維磁場的測量，只需測量電極與管段軸線所在平面的法向磁通密度，由於電極與管段軸線所在平面的法向磁通密度的方向已知，即電極與管段軸線所在平面的法向，因此大大方便了測量，確保了測量的準確性，以此為基礎提供了一種高精度、經濟、可模擬各種流場情況的電磁流量計幹標定方法。
圖1是本發明的結構原理圖。
圖中1、微型霍爾傳感器的高斯計探頭，2、軸，3、位移平臺，4、控制器，5、高斯計儀表，6、計算機，7、電磁流量計電極，8、電磁流量計電極，9、電磁流量計管段軸線。
圖2是本發明中高斯計探頭安裝示意圖。
圖中10、高斯計探頭平面，7、電磁流量計電極，8、電磁流量計電極，11、法線方向。
具體實施例方式
電磁流量計幹標定方法的目的是獲取一次傳感器的轉換係數K1，即單位流量通過電磁流量計時，一次傳感器電極間的輸出電壓大小。按照電磁流量計理論，電極間輸出電壓可用式(1)表述U＝∫(B×V)Wdτ(1)式中B——電磁流量計管段內各點磁通密度V——電磁流量計管段內各點介質流速W——電磁流量計管段內空間權重函數τ——積分空間，即電磁流量計管段內整個空間可見，若能分別知道B、V、W隨空間坐標，例如柱坐標系(ρ，θ，z)下的表達式B(ρ，θ，z)、V(ρ，θ，z)、W(ρ，θ，z)，便可方便地求取一定流速分布下電磁流量計電極間輸出電壓的大小，進而求取K1，實現電磁流量計一次傳感器的幹標定。其中B(ρ，θ，z)在傳統的電磁流量計幹標定方法中無法準確測取，通過本發明可做到準確獲取；V(ρ，θ，z)可根據不同的流場要求而定，通過其數學表達式的變化模擬各種流場情況；W(ρ，θ，z)表示電磁流量計測量時此坐標點感應電動勢對兩電極間電位差U所起作用的大小，現已有成熟的理論講述各種典型電磁流量計的W(ρ，θ，z)表達式。綜上所述，電磁流量計幹標定方法的實現關鍵在於B(ρ，θ，z)的準確獲取。
本發明中，利用電磁流量計管段內磁場是一個無旋場的特點，用標量磁位勢來描述整個管段內的空間三維磁場，標量磁位勢滿足拉普拉斯方程。利用電極與管段軸線所在平面上標量磁位勢的法嚮導數，即法向磁通密度為求解條件，求解標量磁位勢的拉普拉斯方程，使得管段內空間各點標量磁位勢由求解條件，即電極與管段軸線所在平面上法向磁通密度唯一決定，從而只需通過測量電極與管段軸線所在平面上的法向磁通密度，便可重構管段內空間三維磁場。因此，首先需要測量電極與管段軸線所在平面法向磁通密度。
測量方法如下如圖1所示，頭部裝有微型霍爾傳感器的高斯計探頭1、高斯計儀表5及連接兩者的信號線S1組成磁場測量模塊，測量精度為0.1％。具有軸向及電極連線方向兩個自由度的位移平臺3、控制器4及連接兩者的信號線S2組成電動位移平臺，軸向定位精度為3μm，電極連線方向定位精度為3μm。高斯計探頭1通過軸2固定到位移平臺3上，高斯計儀表5、控制器4分別通過通訊線C1、C2與計算機6相連。工作時，計算機6通過控制器4控制位移平臺3，驅動高斯計探頭1以一定的掃描路徑及步長完成整個電磁流量計電極與管段軸線所在平面法向磁通密度的逐點測量，測得數據由高斯計儀表5通過通訊線C1上傳給計算機6。測量時，計算機6可通過高斯計儀表5控制磁場測量模塊測量時的採樣時間點，通過控制器4控制高斯計探頭1的掃描路徑及步長。掃描路徑可採用先軸向再電極連線方向或先電極連線方向後軸向前者先以一定步長完成軸向的逐點掃描，然後電極連線方向推進一個步長距離，進行下一個軸向的逐點掃描；後者先以一定步長完成電極連線方向的逐點掃描，然後軸向推進一個步長，進行下一個電極連線方向上的逐點掃描。
磁場測量過程中，計算機6所獲得的每個測量點的信息將包括測量點坐標及該點法向磁通密度。通常選取電磁流量計兩個電極7、8的中心點為坐標原點建立參考坐標系，以其中任意一個電極所在位置為逐點測量的起始點。為了確保測量精度，應如圖2所示確保高斯計探頭平面10與電極7、8和管段軸線所在的平面重合，即使高斯計探頭平面10與電極7、8和管段軸線所在平面法線方向11垂直，讓法向磁通密度垂直穿過高斯計探頭平面10。
完成電極與管段軸線所在平面法向磁通密度的測量後，計算機6程序以測得的電極與管段軸線所在平面法向磁通密度為求解條件，完成標量磁位勢拉普拉斯方程的求解，得到管段內空間各點的磁通密度分布函數B(ρ，θ，z)，從而完成三維磁場的重構。
完成三維磁場重構後，需利用內徑千分尺、遊標卡尺測量電磁流量計的電極尺寸、電極間距離及管段內徑。測量所得數據輸入計算機6，計算機6將利用所得數據構建空間權重函數W(ρ，θ，z)，並確定式(1)的積分空間τ。
此外，可通過計算機6選擇不同介質及各種流場情況，計算機6將自動選用相應的空間流速分布數學模型用於計算。以最典型的軸對稱流速分布為例層流時，空間流速分布數學模型為V(ρ，θ，z)＝V0(1-ρ2)；紊流時，空間流速分布數學模型為V(ρ，θ，z)＝V0。
最後，計算機6按式(1)將B(ρ，θ，z)、V(ρ，θ，z)、W(ρ，θ，z)相乘，並根據管段幾何尺寸在整個管段空間τ進行積分，得到電磁流量計電極間輸出電壓。進一步得到電磁流量計一次傳感器轉換係數K1，從而實現電磁流量計一次傳感器幹標定。
要完成電磁流量計整機的幹標定，還需實現電磁流量計二次轉換器的幹標定。目前電磁流量計二次轉換器的幹標定普遍採用模擬器法，即以模擬器輸出模擬一次傳感器的輸出，實現二次轉換器的標定，模擬器法現已十分成熟，因此本發明沿用此方法。
權利要求
1.一種基於平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法，其特徵在於高斯計逐點測量電磁流量計電極與管段軸線所在平面的法向磁通量密度，計算機利用所測得的平面磁場信息重構管段內空間三維磁場，結合管段幾何尺寸及數學模型計算出電磁流量計一次傳感器的轉換係數，從而實現電磁流量計一次傳感器幹標定。
2.根據權利要求1所述的一種基於平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法，其特徵在於利用計算機控制電動位移平臺驅動高斯計探頭逐點掃描測取電磁流量計電極與管段軸線所在平面的法向磁通量密度，測量時高斯計探頭平面與電極與管段軸線所在平面重合。
3.根據權利要求1所述的一種基於平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法，其特徵在於用標量磁位勢來描述整個管段內的空間三維磁場，標量磁位勢滿足拉普拉斯方程。利用電極與管段軸線所在平面上標量磁位勢的法嚮導數，即法向磁通密度為求解條件，求解標量磁位勢的拉普拉斯方程，使得管段內空間各點標量磁位勢由求解條件，即電極與管段軸線所在平面上法向磁通密度唯一決定；從而只需通過測量電極與管段軸線所在平面上的法向磁通密度，便可重構管段內空間三維磁場。
4.根據權利要求1所述的一種基於平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法，其特徵在於利用內徑千分尺、遊標卡尺測量電極尺寸、電極間距離及管段內徑，用於構建空間權重函數，並確定積分空間。
5.根據權利要求1所述的一種基於平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法，其特徵在於根據不同介質及各種流場情況建立不同的流場數學模型，標定時與重構的三維磁場模型、空間權重函數相乘，並根據管段幾何尺寸在整個管段空間進行積分，得到單位流量下電磁流量計電極間輸出電壓，即電磁流量計一次傳感器轉換係數，從而實現電磁流量計一次傳感器幹標定。
全文摘要
本發明提供了一種基於平面磁場逐點測量的電磁流量計幹標定方法。該方法採用電動位移平臺驅動高斯計探頭逐點測量電磁流量計電極與管段軸線所在平面的法向磁通量密度，計算機利用所測得的平面磁場信息重構管段內空間三維磁場，進一步結合管段幾何尺寸及數學模型計算出電磁流量計一次傳感器的轉換係數，從而實現電磁流量計一次傳感器的高精度幹標定。它能避免實流標定所帶來的高成本，避免傳統幹標定方法中複雜的空間三維磁場的測量，可實現電磁流量計在不同介質及各種流場環境下的檢測與標定。
文檔編號G01F1/56GK1908598SQ20061005294
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月15日 優先權日2006年8月15日
發明者傅新, 胡亮, 謝海波, 楊華勇 申請人:浙江大學