摘要:智能插入式電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律的流量計(jì)。依據(jù)“拓普變換”原理對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(gè)電極作為虛擬電極對(duì)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(shì),從而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、可靠、高精度的測(cè)量,同時(shí)使傳感器密封空間得到擴(kuò)展。
流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)量,流量測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)。從被測(cè)流體來(lái)說(shuō),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(cè)量流體流量時(shí)的條件來(lái)說(shuō),又是多種多樣的,如測(cè)量時(shí)的溫度可以從高溫到極低溫,測(cè)量時(shí)的壓力可以從高壓到低壓;被測(cè)流量的大小可以從微小流量到大流量;被測(cè)流體的流動(dòng)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(zhǔn)確的測(cè)量流量,就必須研究不同流體在不同條件下的流量測(cè)量方法,并提供相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表。這是流量計(jì)量的主要工作之一。目前國(guó)外投入使用的流量計(jì)有100多種,國(guó)內(nèi)定型投產(chǎn)的也有近20種。
隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化,管道化的發(fā)展,流量?jī)x表在整個(gè)儀表生產(chǎn)中所占比重越來(lái)越大。據(jù)國(guó)內(nèi)外資料表明,在不同的工業(yè)部門中所使用的流量?jī)x表占整個(gè)儀表總數(shù)的15%～30%。隨著流量?jī)x表的迅猛發(fā)展,流量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置已在國(guó)家、省市計(jì)量機(jī)構(gòu)建立,確保其流量量值傳遞的準(zhǔn)確一致。盡管如此,由于流量測(cè)量技術(shù)的復(fù)雜化,以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展向流量計(jì)量提出更新更高的要求,流量計(jì)量的現(xiàn)況遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要,還有大量的流量計(jì)量技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決。
1 智能插入式電磁流量計(jì)的工作原理
電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律的流量計(jì)。流量計(jì)的測(cè)量管是內(nèi)襯絕緣材料的非導(dǎo)磁合金短管。兩只電極沿管徑方向貫通管壁固定在測(cè)量管上,其電極頭與內(nèi)表面基本平齊。勵(lì)磁線圈由雙向脈沖勵(lì)磁時(shí),將在與測(cè)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(chǎng)。此時(shí),如果具有一定電導(dǎo)率的流體流經(jīng)測(cè)量管,將切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)E。電動(dòng)勢(shì)E正比于磁通密度B、測(cè)量管內(nèi)徑D與平均流速的乘積、電動(dòng)勢(shì)E(電流信號(hào))由電極檢出并通過(guò)電纜這至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將流量信號(hào)放大處理后,可顯示流量、總量,并能輸出模擬、脈沖等信號(hào),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(hào)電壓(V);
B-為磁通密度(T);
d-為測(cè)量管內(nèi)徑(m);
v-為平均流速(m/s).
K,d為常數(shù),由于勵(lì)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(hào)電壓E成正比,即流速感應(yīng)的信號(hào)電壓E與體積Q成線性關(guān)系。因此,只要測(cè)量出E就可確定流量Q,這就是電磁流量計(jì)的基本工作原理。
2 儀表的硬件設(shè)計(jì)
2.1 儀表的電極設(shè)計(jì)
電磁流量計(jì)是在“法拉第電磁感應(yīng)定律”應(yīng)用方面進(jìn)行了創(chuàng)新,依據(jù)“拓普變換”原理對(duì)傳感器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。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(gè)電極作為虛擬電極對(duì)待。通過(guò)控制勵(lì)磁電流和線圈的分布位置,使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)穩(wěn)定地分布在真實(shí)電極周圍,而使虛擬電極處磁場(chǎng)強(qiáng)度近似為零,則感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)很小,可以忽略不計(jì),故只留一個(gè)電極。
將上述的這一理論用于電磁流量計(jì)測(cè)量導(dǎo)電液體的流量時(shí),如圖1所示,磁場(chǎng)由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生,兩電極之間距離L便是導(dǎo)體長(zhǎng)度,流體流速v就是導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)電磁感應(yīng)定律將在電極周圍形成磁場(chǎng),而另一個(gè)電極周圍形成的磁場(chǎng)可以忽略不計(jì),就可將其視為虛擬電極,從而實(shí)現(xiàn)單電極檢測(cè)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(guò)控制勵(lì)磁信號(hào)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(chǎng)的穩(wěn)定,從而大大提高了測(cè)量精度。
2.2 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
傳感器是采集感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部件,不僅要求采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,抗干擾能力強(qiáng),而且還能長(zhǎng)期工作在比較復(fù)雜的外部環(huán)境中。傳統(tǒng)的插入式流量計(jì)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(chǎng)強(qiáng)度也發(fā)生了變化,引起了測(cè)量誤差[4-5]。
智能型插入式流量計(jì)利用拓普變換原理對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。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(shì),使電極周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度不隨外部條件的變化而變化,從而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、高可靠、高精度的測(cè)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(kuò)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(jì)
智能轉(zhuǎn)換器主要是為傳感器勵(lì)磁線圈提供勵(lì)磁電磁,同時(shí)接收傳感器電極檢測(cè)到的電信號(hào),通過(guò)中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理,然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示和遠(yuǎn)程通信[6-7]。
2.4顯示部分設(shè)計(jì)
1)LCD顯示:顯示屏需對(duì)流量、累計(jì)流量、壓力、溫度、時(shí)間等進(jìn)行顯示,普通的LED不能滿足要求,故采用基于單片機(jī)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(hào)輸入到顯示模塊單片機(jī)。
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(hào)。
3 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)
該方法是先在RAM中建立一個(gè)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(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列,隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N)。然后每采進(jìn)一個(gè)新的數(shù)據(jù),就將新數(shù)據(jù)存入隊(duì)尾,同時(shí)將緩沖區(qū)中最早采集(隊(duì)首)的一個(gè)數(shù)據(jù)去掉。再求出當(dāng)前RAM緩沖區(qū)中的N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。這樣,每進(jìn)行一次采樣,就可計(jì)算出一個(gè)新的平均值,即測(cè)量數(shù)據(jù)取一丟一,測(cè)量一次便計(jì)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(duì)列的地址為40H～4FH,共16個(gè)單元,用R0作隊(duì)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(yǔ)
在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的生產(chǎn)中,普通導(dǎo)電液以及強(qiáng)酸,強(qiáng)堿等強(qiáng)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(jìn)行準(zhǔn)確地流量計(jì)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(jì)或者因?yàn)闇y(cè)量精度低,或者因?yàn)閮r(jià)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(lái)電磁流量計(jì)以其精度高、抗震性好、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)脫穎而出,智能插入式電磁流量計(jì)與普通的電磁流量計(jì)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(kuò)大減小了密封點(diǎn),使可靠性增強(qiáng),保證了質(zhì)量。
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