摘要:智能插入式電磁流量計是一種應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律的流量計。依據(jù)“拓普變換”原理對傳感器進行設(shè)計。將傳統(tǒng)雙電極結(jié)構(gòu)變換為單電極結(jié)構(gòu),把另一個電極作為虛擬電極對待,傳感器的結(jié)構(gòu)采用單電極,并將線圈分置于電極兩邊,控制磁力線分布趨勢,從而實現(xiàn)高穩(wěn)定、可靠、高精度的測量,同時使傳感器密封空間得到擴展。
流量是一個動態(tài)量,流量測量是一項復雜的技術(shù)。從被測流體來說,包括氣體、液體和混合流體這三種具有不同物理特性的流體;從測量流體流量時的條件來說,又是多種多樣的,如測量時的溫度可以從高溫到極低溫,測量時的壓力可以從高壓到低壓;被測流量的大小可以從微小流量到大流量;被測流體的流動狀態(tài)可以是層流、紊流等等。此外就液體而言,還存在粘度大小不同等情況。因此,為準確的測量流量,就必須研究不同流體在不同條件下的流量測量方法,并提供相應(yīng)的測量儀表。這是流量計量的主要工作之一。目前國外投入使用的流量計有100多種,國內(nèi)定型投產(chǎn)的也有近20種。
隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動化,管道化的發(fā)展,流量儀表在整個儀表生產(chǎn)中所占比重越來越大。據(jù)國內(nèi)外資料表明,在不同的工業(yè)部門中所使用的流量儀表占整個儀表總數(shù)的15%～30%。隨著流量儀表的迅猛發(fā)展,流量標準裝置也得到較快發(fā)展,流量量值傳遞網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成。目前水、油、氣、蒸汽高精度的流量標準裝置已在國家、省市計量機構(gòu)建立,確保其流量量值傳遞的準確一致。盡管如此,由于流量測量技術(shù)的復雜化,以及科學技術(shù)的迅速發(fā)展向流量計量提出更新更高的要求,流量計量的現(xiàn)況遠不能滿足生產(chǎn)的需要,還有大量的流量計量技術(shù)問題有待進一步研究解決。
1 智能插入式電磁流量計的工作原理
電磁流量計是一種應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律的流量計。流量計的測量管是內(nèi)襯絕緣材料的非導磁合金短管。兩只電極沿管徑方向貫通管壁固定在測量管上,其電極頭與內(nèi)表面基本平齊。勵磁線圈由雙向脈沖勵磁時,將在與測量管軸線垂直的方向上產(chǎn)生一磁通密度為B的工作磁場。此時,如果具有一定電導率的流體流經(jīng)測量管,將切割磁力線感應(yīng)出電動勢E。電動勢E正比于磁通密度B、測量管內(nèi)徑D與平均流速的乘積、電動勢E(電流信號)由電極檢出并通過電纜這至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將流量信號放大處理后,可顯示流量、總量,并能輸出模擬、脈沖等信號,用于流量的控制與調(diào)節(jié)[1-3]。
E=kBdv
式中:
E-為電極間的信號電壓(V);
B-為磁通密度(T);
d-為測量管內(nèi)徑(m);
v-為平均流速(m/s).
K,d為常數(shù),由于勵磁電流是恒流的,故B也是常數(shù),則由E=kBdv可知,體積流量Q與信號電壓E成正比,即流速感應(yīng)的信號電壓E與體積Q成線性關(guān)系。因此,只要測量出E就可確定流量Q,這就是電磁流量計的基本工作原理。
2 儀表的硬件設(shè)計
2.1 儀表的電極設(shè)計
電磁流量計是在“法拉第電磁感應(yīng)定律”應(yīng)用方面進行了創(chuàng)新,依據(jù)“拓普變換”原理對傳感器進行創(chuàng)新設(shè)計。將傳統(tǒng)雙電極結(jié)構(gòu)變換為單電極結(jié)構(gòu),也就是把另一個電極作為虛擬電極對待。通過控制勵磁電流和線圈的分布位置,使其產(chǎn)生的磁場穩(wěn)定地分布在真實電極周圍,而使虛擬電極處磁場強度近似為零,則感應(yīng)出的電動勢很小,可以忽略不計,故只留一個電極。
將上述的這一理論用于電磁流量計測量導電液體的流量時,如圖1所示,磁場由勵磁線圈產(chǎn)生,兩電極之間距離L便是導體長度,流體流速v就是導體運動速度。根據(jù)電磁感應(yīng)定律將在電極周圍形成磁場,而另一個電極周圍形成的磁場可以忽略不計,就可將其視為虛擬電極,從而實現(xiàn)單電極檢測流速,如圖2所示。
在電極方面由于采用了單電極雙線圈,通過控制勵磁信號和磁力線發(fā)射角度,使磁力線分布密度不受管道材質(zhì)、管道直徑、插入管道深度等外部條件的影響,保證了有效磁場的穩(wěn)定,從而大大提高了測量精度。
2.2 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計
傳感器是采集感應(yīng)電動勢數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部件,不僅要求采集數(shù)據(jù)準確,抗干擾能力強,而且還能長期工作在比較復雜的外部環(huán)境中。傳統(tǒng)的插入式流量計由于安裝的管道材質(zhì)、管道的直徑等等外部條件的變化,使得傳感器內(nèi)部磁力線分布發(fā)生了變化,磁場強度也發(fā)生了變化,引起了測量誤差[4-5]。
智能型插入式流量計利用拓普變換原理對傳感器的結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計。采用單電極,并將線圈分置于電極兩邊,控制磁力線分布趨勢,使電極周圍的磁場強度不隨外部條件的變化而變化,從而實現(xiàn)高穩(wěn)定、高可靠、高精度的測量,由于采用了單電極結(jié)構(gòu),使得傳感器密封空間得到了擴展,可將電極和端面固定在金屬基體上,使傳感器端面可打壓到25MPa,而耐溫180℃而不發(fā)生變形,確保了密封性。
2.3 智能轉(zhuǎn)換器的設(shè)計
智能轉(zhuǎn)換器主要是為傳感器勵磁線圈提供勵磁電磁,同時接收傳感器電極檢測到的電信號,通過中央處理器進行數(shù)據(jù)的運算和處理,然后進行現(xiàn)場顯示和遠程通信[6-7]。
2.4顯示部分設(shè)計
1)LCD顯示:顯示屏需對流量、累計流量、壓力、溫度、時間等進行顯示,普通的LED不能滿足要求,故采用基于單片機的液晶顯示產(chǎn)品更加適合。
2)A/D轉(zhuǎn)換:采用A/D轉(zhuǎn)換器將流量、壓力、溫度等這些模擬信號輸入到顯示模塊單片機。
3)D/A轉(zhuǎn)換:選定12位的D/A轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器可與CPU直接相連,以減少硬件占用空間。D/A轉(zhuǎn)換器將完成4～20mADC信號。
3 數(shù)字濾波設(shè)計
該方法是先在RAM中建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū),依順序存放N次采樣數(shù)據(jù)(即把N個測量數(shù)據(jù)看成一個隊列,隊列的長度固定為N)。然后每采進一個新的數(shù)據(jù),就將新數(shù)據(jù)存入隊尾,同時將緩沖區(qū)中最早采集(隊首)的一個數(shù)據(jù)去掉。再求出當前RAM緩沖區(qū)中的N個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。這樣,每進行一次采樣,就可計算出一個新的平均值,即測量數(shù)據(jù)取一丟一,測量一次便計算一次平均值,大大加快了數(shù)據(jù)處理能力。
假設(shè)環(huán)形隊列的地址為40H～4FH,共16個單元,用R0作隊尾指示,并且INPUTA為新采樣數(shù)據(jù)處理子程序,子程序已將新數(shù)據(jù)置入累加器A中,其流程如圖3。
程序清單如下:
4 結(jié)束語
在國民經(jīng)濟各行業(yè)的生產(chǎn)中,普通導電液以及強酸,強堿等強腐蝕液體和泥漿、礦漿、紙漿等均勻液固兩相浮液體都需要進行準確地流量計量。但是以往常常采用的渦街式、葉輪式、渦流式、超聲波式等流量計或者因為測量精度低,或者因為價格高,或者不能適應(yīng)惡劣環(huán)境等等因素不能被用戶使用。近年來電磁流量計以其精度高、抗震性好、耐腐蝕等優(yōu)勢脫穎而出,智能插入式電磁流量計與普通的電磁流量計相比由于采用了單電極,使得傳感器結(jié)構(gòu)可以做的很小,使用范圍可以擴大減小了密封點,使可靠性增強,保證了質(zhì)量。
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