摘要:智(zhì)能插入式電(dian)磁流量計
是(shì)一種應用法(fa)拉第電磁感(gan)應定律的流(liú)量計。依據“拓(tuo)普變換💁”原理(li)對傳感器進(jìn)行設計。将傳(chuan)統雙電極結(jie)構變換爲單(dān)電極結構,把(ba)另一個電極(jí)作爲虛拟🐪電(diàn)極對待,傳感(gǎn)器的結構采(cai)用☂️單電極,并(bing)将線圈分置(zhì)于電極兩邊(biān),控制磁力線(xian)分♌布趨勢,從(cóng)而實現高穩(wěn)定、可靠、高精(jīng)度的測量,同(tong)時使傳感器(qi)密封空間得(dé)到擴展。
流量(liàng)是一個動态(tai)量,流量測量(liang)是一項複雜(zá)的技術。從被(bei)測流體♊來說(shuo),包括氣體、液(yè)體和混合流(liú)體這三種具(jù)🎯有不🌈同物理(li)特性的流體(ti);從測量流體(ti)流量時的條(tiáo)件來說,又是(shi)多種多樣的(de),如測量時的(de)溫度可以從(cóng)高溫到極低(dī)溫,測量時的(de)壓力可以從(cong)高壓到🥰低壓(ya);被測流量的(de)大小可以從(cóng)微小流✉️量到(dao)大流量;被測(cè)流體的⁉️流動(dong)狀态可以是(shì)層流、紊流等(deng)等。此外🍉就液(yè)體而言,還存(cun)在粘度大小(xiao)不同等情況(kuang)。因此,爲準确(què)的測量流量(liang),就必須研究(jiu)不同流㊙️體在(zài)不同條件下(xia)的流量測量(liang)方法,并提供(gòng)🐆相應的測量(liàng)儀表。這🤟是流(liu)量計量的主(zhǔ)要工作之一(yī)。目前國外投(tou)入使用的流(liú)量計有🏒100多種(zhong),國内定型投(tóu)産的也有近(jìn)20種。
随着工業(yè)生産的自動(dòng)化,管道化的(de)發展,流量儀(yi)表在整㊙️個🈚儀(yí)表生産中所(suǒ)占比重越來(lai)越大。據國内(nei)外資料🈲表明(míng)🆚,在不同的工(gong)業部門中所(suǒ)使用的流量(liang)儀表占整個(gè)儀表總數的(de)15%～30%。随着流量儀(yí)表🌈的迅猛發(fā)展,流量标準(zhun)👅裝置也得🐆到(dào)較快發展,流(liu)量量值傳遞(dì)網絡已經形(xing)成。目前水、油(yóu)、氣、蒸汽高精(jīng)度的流量标(biāo)準裝置已在(zai)國家、省市計(ji)量機構建立(lì),确保其流量(liang)量值傳遞的(de)⭐準确一緻。盡(jìn)管如此,由于(yu)流量測量技(jì)術的複雜化(huà),以及科學技(jì)術的迅速發(fā)展向流量計(jì)量提出更新(xīn)更高的要求(qiú),流量計量的(de)現況遠不🤟能(néng)滿足生産的(de)需要,還有大(da)量的流量計(jì)量技術問題(tí)有🔅待進一步(bù)研究解決。
1 智(zhi)能插入式電(dian)磁流量計的(de)工作原理
電(diàn)磁流量計是(shì)一種應用法(fa)拉第電磁感(gan)應定律的流(liú)量♻️計。流量🔞計(jì)的測量管是(shi)内襯絕緣材(cái)料的非導磁(cí)合金短管。兩(liǎng)隻電✍️極沿管(guan)徑方向貫通(tōng)管壁固定在(zài)測量管上,其(qí)電極頭與内(nèi)表面基本平(ping)齊。勵磁線㊙️圈(quān)由雙向脈沖(chong)勵磁時,将在(zài)與測量管軸(zhóu)線垂直的方(fāng)向上産生一(yi)磁通密度🚶♀️爲(wei)B的工作磁場(chǎng)。此時,如果✉️具(jù)有一定電導(dao)率的流體流(liu)經🏒測量管,将(jiāng)切割磁力線(xian)感應出電動(dòng)勢🏃E。電動勢E正(zhèng)比于磁通密(mi)度B、測量管🌈内(nei)徑D與平均流(liú)速的🙇🏻乘積、電(diàn)動勢E(電流信(xin)号)由電極檢(jiǎn)出并通過電(diàn)纜這至轉換(huan)器🐉。轉換器将(jiāng)流量信号📞放(fang)大處理後,可(ke)顯示流量、總(zǒng)量,并能輸出(chū)♻️模拟、脈沖等(děng)信号,用于👄流(liu)量的控制與(yu)調節[1-3]。
E=kBdv
式中:
E-爲(wèi)電極間的信(xìn)号電壓(V);
B-爲磁(ci)通密度(T);
d-爲測(ce)量管内徑(m);
v-爲(wei)平均流速(m/s).
K,d爲(wei)常數,由于勵(li)磁電流是恒(héng)流的,故B也是(shi)常數,則由E=kBdv可(kě)知,體✨積流量(liàng)Q與信号電壓(ya)E成正比,即流(liú)速感應的信(xìn)号電壓E與體(ti)🌈積Q成線性關(guān)系。因此,隻要(yao)測量出E就可(kě)确定流量Q,這(zhè)👌就是電磁流(liú)量計的基本(běn)工作原理⭐。
2 儀(yí)表的硬件設(she)計
2.1 儀表的電(diàn)極設計
電磁(ci)流量計是在(zai)“法拉第電磁(ci)感應定律”應(yīng)用方面進行(hang)了創新,依據(jù)“拓普變換”原(yuan)理對傳感器(qi)進行創新設(shè)計。将傳統雙(shuang)電極結構變(bian)換爲單電極(ji)結構,也就是(shi)把另一個電(diàn)極作爲虛拟(ni)電極對🈚待。通(tōng)過控制勵磁(cí)電流和線圈(quān)的分布位置(zhì),使其産生的(de)磁場穩定地(di)分布在真實(shi)電極周圍,而(ér)使虛拟🔆電極(ji)處磁場❄️強度(dù)近似爲🙇♀️零🥰,則(ze)感應出的電(diàn)動勢很小,可(kě)以忽略不計(ji),故隻留一個(gè)電極。
将上述(shu)的這一理論(lun)用于電磁流(liú)量計測量導(dǎo)電液體的流(liú)量時,如圖1所(suǒ)示,磁場由勵(li)磁線圈産生(shēng),兩電極之間(jiān)距離L便🌐是導(dǎo)體長度,流體(tǐ)流速v就是導(dao)體運動速度(du)。根據電磁感(gǎn)應定律将在(zai)電極周圍形(xing)成磁⛹🏻♀️場,而另(lìng)一個電極周(zhou)圍形成的磁(cí)場可以忽略(luè)不計,就可将(jiāng)其視爲虛拟(ni)電極,從而實(shi)現單電極檢(jiǎn)測流速,如圖(tu)2所示。
在電極方面(mian)由于采用了(le)單電極雙線(xian)圈,通過控制(zhì)勵磁信号和(he)磁力線發射(shè)角度,使磁力(li)線分布密度(du)不受✂️管道🏃材(cai)質、管道直徑(jing)、插入管道深(shēn)度等外部條(tiao)件的影響,保(bǎo)證了有效磁(ci)場的穩定,從(cong)而大大提高(gao)了測量精度(dù)。
2.2 傳感器的結(jie)構設計
傳感(gǎn)器是采集感(gan)應電動勢數(shù)據的關鍵部(bu)件,不僅要🆚求(qiú)采集數據準(zhun)确,抗幹擾能(néng)力強,而且還(hai)能長期工作(zuò)在比較複雜(za)的外部環境(jìng)中。傳統的插(cha)入式流⛱️量計(jì)由于安裝的(de)管道材質、管(guan)道的直徑等(deng)等外部條件(jiàn)的變化,使得(dé)傳感器内部(bù)磁力線分布(bù)發生了變化(huà),磁場強度也(ye)發生了變化(hua),引起了測量(liàng)誤差[4-5]。
智能型(xíng)插入式流量(liàng)計利用拓普(pǔ)變換原理對(dui)傳感器的結(jié)構進行重新(xin)設計。采用單(dan)電極,并将線(xian)圈分置于電(dian)極🍓兩邊,控制(zhi)磁力線分布(bu)趨勢,使電極(ji)周圍的磁場(chǎng)強度不随外(wai)部條件的變(bian)化而變化,從(cong)而實現高穩(wen)定🐪、高可靠、高(gāo)精度的測🈲量(liang),由于采用了(le)單電極結構(gou),使得傳感器(qi)密封空間得(de)到了擴展,可(ke)将電✏️極和端(duan)面固定在金(jin)屬基體上,使(shi)傳感器端面(miàn)可打壓到25MPa,而(ér)耐溫180℃而不發(fa)生變形,确保(bao)了密封性。
2.3 智(zhì)能轉換器的(de)設計
智能轉(zhuǎn)換器主要是(shi)爲傳感器勵(li)磁線圈提供(gòng)勵磁電🏒磁,同(tóng)時接收傳感(gan)器電極檢測(ce)到的電信号(hao),通過中央🐕處(chu)理器進行數(shu)據的運算和(hé)處理,然後進(jin)行現場顯示(shì)‼️和遠程通信(xin)[6-7]。
2.4顯示部分設(she)計
1)LCD顯示:顯示(shì)屏需對流量(liàng)、累計流量、壓(yā)力、溫度、時間(jian)等進🔞行☔顯示(shì),普🐉通的LED不能(néng)滿足要求,故(gù)采用基于單(dān)片😄機的🔆液晶(jīng)顯示産品更(geng)加适合。
2)A/D轉換(huan):采用A/D轉換器(qì)将流量、壓力(li)、溫度等這些(xiē)模拟信👅号輸(shū)入到顯示模(mó)塊單片機。
3)D/A轉(zhuan)換:選定12位的(de)D/A轉換器,該轉(zhuǎn)換器可與CPU直(zhi)接相連,以減(jian)少硬件占用(yòng)空間。D/A轉換器(qi)将完成4～20mADC信号(hào)。
3 數字濾波設(shè)計
該方法是(shì)先在RAM中建立(li)一個數據緩(huǎn)沖區,依順序(xù)存🔞放N次采💰樣(yàng)數🛀🏻據(即把N個(gè)測量數據看(kàn)成一個隊列(lie),隊列的長度(du)固定爲N)。然後(hou)每采進一個(ge)新的數據,就(jiù)将🈚新數據存(cún)入隊♉尾,同時(shí)将緩沖區中(zhōng)最早采集(隊(duì)首😄)的一個數(shu)據去掉。再求(qiú)出當前RAM緩沖(chong)區中的N個數(shù)據的算術平(ping)均值或加權(quán)平均值。這樣(yàng),每進行一次(cì)采樣,就可計(jì)算㊙️出一個新(xīn)的平均值,即(ji)測量數據❄️取(qu)一丢一,測量(liang)一次便計算(suàn)一次平均值(zhi),大大加快了(le)數據處理能(neng)力。
假設環形(xing)隊列的地址(zhi)爲40H～4FH,共16個單元(yuán),用R0作隊尾指(zhǐ)示,并💃🏻且INPUTA爲新(xīn)采樣數據處(chù)理子程序,子(zǐ)程序已将新(xin)數👨❤️👨據置入累(lèi)加器🧑🏾🤝🧑🏼A中,其流(liu)程如圖3。
程序(xù)清單如下:
4 結束語(yu)
在國民經濟(ji)各行業的生(sheng)産中,普通導(dǎo)電液以及強(qiang)酸,強堿等強(qiáng)腐蝕液體和(he)泥漿、礦漿、紙(zhǐ)漿等均勻液(ye)固兩相浮液(yè)體都需要進(jin)行準确地流(liu)量計量。但是(shi)以往常常采(cǎi)用的渦街式(shì)、葉輪式、渦流(liú)式、超聲波式(shi)等流量計或(huo)者因爲測量(liàng)精度低,或者(zhe)因爲價格高(gao)🈚,或者不能适(shì)應惡劣環境(jìng)等等因素不(bu)♊能被用戶使(shi)用。近年來電(diàn)磁流量計以(yi)其精度高、抗(kàng)震性好、耐腐(fu)🌈蝕等優勢脫(tuo)穎而出,智能(néng)插入式電磁(ci)流量計與普(pǔ)通的電磁流(liu)量計相🐉比由(you)于采用了單(dān)電極,使得傳(chuán)感器結構可(ke)以做的很小(xiao),使用範圍可(ke)以擴大減小(xiǎo)了密封點,使(shǐ)可靠性增強(qiang)⛹🏻♀️,保證了質量(liàng)。
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