摘要:智能插入式電磁流量計是一種應用法拉第電磁感應定律的流量計。依據“拓普變換”原理對傳感器進行設計。將傳統雙電極結構變換為單電極結構,把另一個電極作為虛擬電極對待,傳感器的結構采用單電極,并將線圈分置于電極兩邊,控制磁力線分布趨勢,從而實現高穩定、可靠、高精度的測量,同時使傳感器密封空間得到擴展。
流量是一個動態量,流量測量是一項復雜的技術。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,國內定型投產的也有近20種。
隨著工業生產的自動化,管道化的發展,流量儀表在整個儀表生產中所占比重越來越大。據國內外資料表明,在不同的工業部門中所使用的流量儀表占整個儀表總數的15%～30%。隨著流量儀表的迅猛發展,流量標準裝置也得到較快發展,流量量值傳遞網絡已經形成。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,由于流量測量技術的復雜化,以及科學技術的迅速發展向流量計量提出更新更高的要求,流量計量的現況遠不能滿足生產的需要,還有大量的流量計量技術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用法拉第電磁感應定律的流量計。流量計的測量管是內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測量管,將切割磁力線感應出電動勢E。電動勢E正比于磁通密度B、測量管內徑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換器。轉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節[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-為測量管內徑(m);
v-為平均流速(m/s).
K,d為常數,由于勵磁電流是恒流的,故B也是常數,則由E=kBdv可知,體積流量Q與信號電壓E成正比,即流速感應的信號電壓E與體積Q成線性關系。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 儀表的硬件設計
2.1 儀表的電極設計
電磁流量計是在“法拉第電磁感應定律”應用方面進行了創新,依據“拓普變換”原理對傳感器進行創新設計。將傳統雙電極結構變換為單電極結構,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,使其產生的磁場穩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。根據電磁感應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射角度,使磁力線分布密度不受管道材質、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定,從而大大提高了測量精度。
2.2 傳感器的結構設計
傳感器是采集感應電動勢數據的關鍵部件,不僅要求采集數據準確,抗干擾能力強,而且還能長期工作在比較復雜的外部環境中。傳統的插入式流量計由于安裝的管道材質、管道的直徑等等外部條件的變化,使得傳感器內部磁力線分布發生了變化,磁場強度也發生了變化,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構進行重新設計。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,從而實現高穩定、高可靠、高精度的測量,由于采用了單電極結構,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℃而不發生變形,確保了密封性。
2.3 智能轉換器的設計
智能轉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據的運算和處理,然后進行現場顯示和遠程通信[6-7]。
2.4顯示部分設計
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品更加適合。
2)A/D轉換:采用A/D轉換器將流量、壓力、溫度等這些模擬信號輸入到顯示模塊單片機。
3)D/A轉換:選定12位的D/A轉換器,該轉換器可與CPU直接相連,以減少硬件占用空間。D/A轉換器將完成4～20mADC信號。
3 數字濾波設計
該方法是先在RAM中建立一個數據緩沖區,依順序存放N次采樣數據(即把N個測量數據看成一個隊列,隊列的長度固定為N)。然后每采進一個新的數據,就將新數據存入隊尾,同時將緩沖區中最早采集(隊首)的一個數據去掉。再求出當前RAM緩沖區中的N個數據的算術平均值或加權平均值。這樣,每進行一次采樣,就可計算出一個新的平均值,即測量數據取一丟一,測量一次便計算一次平均值,大大加快了數據處理能力。
假設環形隊列的地址為40H～4FH,共16個單元,用R0作隊尾指示,并且INPUTA為新采樣數據處理子程序,子程序已將新數據置入累加器A中,其流程如圖3。
程序清單如下:
4 結束語
在國民經濟各行業的生產中,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,或者不能適應惡劣環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,使得傳感器結構可以做的很小,使用范圍可以擴大減小了密封點,使可靠性增強,保證了質量。
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