摘要:智(zhi)能插入(ru)式電磁(ci)流量計(ji) 是一種(zhong)應用法(fa)拉第電(dian)磁感應(ying)定律的(de)流量計(ji)。依據“拓(tuo)普變換(huan)”原理對(dui)傳感器(qi)進行設(she)計。将傳(chuan)統雙電(dian)極結構(gou)變換爲(wei)單電極(ji)結構,把(ba)另一個(ge)電極作(zuo)爲虛拟(ni)電極對(dui)待,傳感(gan)器的結(jie)🌈構采用(yong)單電極(ji),并将線(xian)圈分置(zhi)于電極(ji)兩邊,控(kong)制磁力(li)線分布(bu)趨勢,從(cong)㊙️而實現(xian)高穩定(ding)、可靠、高(gao)🈲精度的(de)測量,同(tong)時使傳(chuan)感🌈器密(mi)封空間(jian)得到擴(kuo)展。
流量(liang)是一個(ge)動态量(liang),流量測(ce)量是一(yi)項複雜(za)的技術(shu)🐆。從被👨‍❤️‍👨測(ce)流體來(lai)說,包括(kuo)氣體、液(ye)體和混(hun)合流體(ti)這三種(zhong)具有不(bu)同物🍉理(li)特性的(de)🔴流體;從(cong)測量流(liu)體流量(liang)時的條(tiao)件來說(shuo),又🐉是多(duo)種多樣(yang)的,如測(ce)量時的(de)溫度可(ke)以從高(gao)溫到極(ji)低溫,測(ce)量時的(de)壓力可(ke)以從高(gao)壓到♻️低(di)壓;被測(ce)流量的(de)大小可(ke)以從微(wei)小流量(liang)到大流(liu)量♉;被測(ce)流體的(de)📞流動狀(zhuang)态可以(yi)是☂️層流(liu)、紊流等(deng)等。此外(wai)🏃‍♀️就液體(ti)而言,還(hai)存在粘(zhan)度大小(xiao)不同等(deng)情況。因(yin)此,爲準(zhun)💘确的測(ce)量流量(liang),就💛必須(xu)研究不(bu)同流體(ti)在不同(tong)條件下(xia)的流量(liang)測量方(fang)法,并提(ti)供🌈相應(ying)的測量(liang)儀表。這(zhe)是流量(liang)計量的(de)主要工(gong)作之一(yi)。目前國(guo)外投入(ru)使用的(de)流量計(ji)有🈲100多種(zhong),國内定(ding)🌍型投産(chan)的也有(you)近20種。
　　随(sui)着工業(ye)生産的(de)自動化(hua),管道化(hua)的發展(zhan),流量儀(yi)表在整(zheng)個☔儀表(biao)生産中(zhong)所占比(bi)重越來(lai)越大。據(ju)國内外(wai)資料表(biao)明,在不(bu)同的工(gong)業部門(men)中所使(shi)用的流(liu)量儀表(biao)占整個(ge)儀表總(zong)數的15%～30%。随(sui)着流量(liang)儀表的(de)迅猛發(fa)展,流量(liang)标準裝(zhuang)置也得(de)到較快(kuai)發展,流(liu)量量✂️值(zhi)傳遞網(wang)絡已經(jing)形成。目(mu)前水、油(you)、氣、蒸汽(qi)高精度(du)的流量(liang)标準👉裝(zhuang)置已在(zai)國家、省(sheng)市計量(liang)機構💋建(jian)立,确保(bao)其流量(liang)量值傳(chuan)遞的準(zhun)确一緻(zhi)。盡管如(ru)此,由于(yu)流量測(ce)量技術(shu)的複雜(za)化,以及(ji)科學技(ji)術的迅(xun)速發展(zhan)向流量(liang)計量提(ti)出更新(xin)更高的(de)要求,流(liu)量計量(liang)的現況(kuang)遠不能(neng)滿😄足生(sheng)産的需(xu)要,還有(you)大量的(de)流量計(ji)量技術(shu)問題有(you)待進一(yi)步研究(jiu)解決。
1　智(zhi)能插入(ru)式電磁(ci)流量計(ji)的工作(zuo)原理
　　電(dian)磁流量(liang)計是一(yi)種應用(yong)法拉第(di)電磁感(gan)應定律(lü)的流量(liang)計。流量(liang)計的測(ce)量管是(shi)内襯絕(jue)緣材料(liao)的非導(dao)磁合金(jin)短管。兩(liang)隻電極(ji)沿管徑(jing)方向貫(guan)通管壁(bi)固定在(zai)測量🏃🏻‍♂️管(guan)上,其電(dian)極頭與(yu)内表♻️面(mian)基本平(ping)齊。勵磁(ci)線圈由(you)雙向脈(mo)沖勵磁(ci)時,将在(zai)與👌測量(liang)管軸線(xian)垂直的(de)方向上(shang)産生一(yi)磁通密(mi)度爲B的(de)工作磁(ci)場。此時(shi),如果🌐具(ju)有一定(ding)電導率(lü)的流體(ti)流經測(ce)量管,将(jiang)切割磁(ci)力線感(gan)應出電(dian)動勢E。電(dian)動勢E正(zheng)比于磁(ci)🐅通密度(du)B、測量管(guan)内徑D與(yu)平均流(liu)速的乘(cheng)積、電動(dong)勢E(電流(liu)信号)由(you)電極檢(jian)出并通(tong)過電纜(lan)這至轉(zhuan)換器‼️。轉(zhuan)換器将(jiang)流量信(xin)号❄️放大(da)處理後(hou),可顯👄示(shi)流量💚、總(zong)量,并能(neng)輸出模(mo)拟、脈沖(chong)✔️等信号(hao),用于流(liu)量的控(kong)制與調(diao)節[1-3]。
E=kBdv
式中(zhong):
E-爲電極(ji)間的信(xin)号電壓(ya)(V);
B-爲磁通(tong)密度(T);
d-爲(wei)測量管(guan)内徑(m);
v-爲(wei)平均流(liu)速(m/s).
　　K,d爲常(chang)數,由于(yu)勵磁電(dian)流是恒(heng)流的,故(gu)B也是常(chang)數,則由(you)E=kBdv可知🥰,體(ti)積流量(liang)Q與信号(hao)電壓E成(cheng)正比,即(ji)流速感(gan)應的信(xin)号🍓電壓(ya)E與體積(ji)Q成線性(xing)🔞關系。因(yin)此,隻要(yao)測量出(chu)E就可确(que)定流量(liang)Q,這⛱️就是(shi)電磁流(liu)量計的(de)基本工(gong)作原理(li)。
2　儀表的(de)硬件設(she)計
2.1　儀表(biao)的電極(ji)設計
　　電(dian)磁流量(liang)計是在(zai)“法拉第(di)電磁感(gan)應定律(lü)”應用方(fang)面💃進🌂行(hang)了創新(xin),依據“拓(tuo)普變換(huan)”原理對(dui)傳感器(qi)進行創(chuang)🔅新設計(ji)。将傳統(tong)雙電📱極(ji)結♊構變(bian)換爲單(dan)電極結(jie)構,也就(jiu)是把另(ling)一個🔆電(dian)極作爲(wei)虛拟電(dian)極對🔞待(dai)。通過控(kong)制♍勵磁(ci)電流和(he)線圈的(de)分布位(wei)置🚩,使其(qi)産生的(de)磁場穩(wen)定地分(fen)布在真(zhen)實電極(ji)周圍,而(er)使虛拟(ni)電極處(chu)磁場強(qiang)度近似(si)爲😘零,則(ze)感應出(chu)的電⛹🏻‍♀️動(dong)勢很小(xiao),可以忽(hu)略不計(ji),故隻留(liu)一個電(dian)極。
　　将上(shang)述的這(zhe)一理論(lun)用于電(dian)磁流量(liang)計測量(liang)導電液(ye)體的流(liu)量時,如(ru)圖1所示(shi),磁場由(you)勵磁線(xian)圈産生(sheng),兩電極(ji)之間距(ju)離L便是(shi)導⛹🏻‍♀️體長(zhang)度,流體(ti)流速v就(jiu)是導體(ti)運動速(su)度🐪。根據(ju)電磁感(gan)應定律(lü)将在電(dian)極周圍(wei)形成磁(ci)場,而另(ling)一💃個電(dian)極周圍(wei)形成的(de)磁場可(ke)以忽略(lue)不計,就(jiu)可将其(qi)視爲虛(xu)拟電極(ji),從而實(shi)現單電(dian)極檢測(ce)流🍉速,如(ru)圖2所示(shi)。


　　在(zai)電極方(fang)面由于(yu)采用了(le)單電極(ji)雙線圈(quan),通過控(kong)制勵🏃🏻磁(ci)信号和(he)磁力線(xian)發射角(jiao)度,使磁(ci)力線分(fen)布密度(du)🐕不受管(guan)道材質(zhi)、管道❗直(zhi)徑、插入(ru)管道深(shen)度等外(wai)部條件(jian)的影響(xiang),保證了(le)有效🐪磁(ci)場的🔞穩(wen)定,從而(er)大大提(ti)高了測(ce)量精度(du)。
2.2　傳感器(qi)的結構(gou)設計
　　傳(chuan)感器是(shi)采集感(gan)應電動(dong)勢數據(ju)的關鍵(jian)部件,不(bu)僅要求(qiu)采集數(shu)據準确(que),抗幹擾(rao)能力強(qiang),而且還(hai)能長期(qi)工作在(zai)比較複(fu)雜的外(wai)部環境(jing)中。傳統(tong)的插入(ru)式流量(liang)計由于(yu)安裝💰的(de)管道材(cai)質、管道(dao)的直徑(jing)等等外(wai)部條件(jian)的變🔴化(hua),使得傳(chuan)感器内(nei)部磁力(li)線分布(bu)發生了(le)變化,磁(ci)場強度(du)也發生(sheng)了✌️變化(hua),引起了(le)測量誤(wu)差[4-5]。
　　智能(neng)型插入(ru)式流量(liang)計利用(yong)拓普變(bian)換原理(li)對傳感(gan)器🌈的結(jie)構進行(hang)重新設(she)計。采用(yong)單電極(ji),并将線(xian)圈分⚽置(zhi)于電極(ji)兩邊,控(kong)制磁力(li)線分布(bu)趨勢,使(shi)電極周(zhou)圍🔞的磁(ci)場強度(du)不随外(wai)部條件(jian)的變化(hua)而變化(hua),從而實(shi)現高穩(wen)定♻️、高可(ke)靠、高精(jing)度的測(ce)量,由于(yu)采用了(le)單電☎️極(ji)結構,使(shi)得傳感(gan)器密封(feng)空間得(de)到了擴(kuo)展,可将(jiang)電極和(he)端面固(gu)定在金(jin)屬基體(ti)上,使傳(chuan)感器端(duan)面可打(da)壓到25MPa,而(er)耐溫180℃而(er)不發生(sheng)變形,确(que)保了♉密(mi)封性。
2.3　智(zhi)能轉換(huan)器的設(she)計
　　智能(neng)轉換器(qi)主要是(shi)爲傳感(gan)器勵磁(ci)線圈提(ti)供勵磁(ci)電磁,同(tong)🚩時接收(shou)傳感器(qi)電極檢(jian)測到的(de)電信号(hao),通過中(zhong)央處理(li)器進行(hang)數據的(de)運算和(he)處理,然(ran)後進行(hang)現💔場顯(xian)示和遠(yuan)程通信(xin)[6-7]。
2.4顯示部(bu)分設計(ji)
1)LCD顯示:顯(xian)示屏需(xu)對流量(liang)、累計流(liu)量、壓力(li)、溫度、時(shi)間等進(jin)行顯示(shi),普🌂通的(de)LED不能滿(man)足要求(qiu),故采用(yong)基于單(dan)片機的(de)📐液晶顯(xian)示産品(pin)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻更加适(shi)合。
2)A/D轉換(huan):采用A/D轉(zhuan)換器将(jiang)流量、壓(ya)力、溫度(du)等這些(xie)模拟信(xin)号輸入(ru)⁉️到顯🌂示(shi)模塊單(dan)片機。
3)D/A轉(zhuan)換:選定(ding)12位的D/A轉(zhuan)換器,該(gai)轉換器(qi)可與CPU直(zhi)接相連(lian),以減少(shao)🔆硬件占(zhan)用空間(jian)。D/A轉換器(qi)将完成(cheng)4～20mADC信号。
3　數(shu)字濾波(bo)設計
　　該(gai)方法是(shi)先在RAM中(zhong)建立一(yi)個數據(ju)緩沖區(qu),依順序(xu)存放N次(ci)采樣數(shu)據(即把(ba)N個測量(liang)數據看(kan)成一個(ge)隊列,隊(dui)✉️列的長(zhang)度固定(ding)爲N)。然後(hou)每采進(jin)一個新(xin)的數據(ju),就将新(xin)數據存(cun)入隊尾(wei),同時🤞将(jiang)緩沖區(qu)中最早(zao)采集(隊(dui)首📱)的一(yi)個數👄據(ju)去掉。再(zai)求出當(dang)前RAM緩沖(chong)區中的(de)N個數據(ju)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的算術(shu)平均值(zhi)或加權(quan)平均值(zhi)。這樣,每(mei)進行一(yi)次采樣(yang),就可計(ji)算出☂️一(yi)個新的(de)平均值(zhi),即測量(liang)數據取(qu)一✏️丢一(yi),測量一(yi)次便計(ji)算一次(ci)平均值(zhi),大大加(jia)快了數(shu)據處理(li)能力。

　　假(jia)設環形(xing)隊列的(de)地址爲(wei)40H～4FH,共16個單(dan)元,用R0作(zuo)隊尾指(zhi)示👣,并且(qie)INPUTA爲新采(cai)樣數據(ju)處理子(zi)程序,子(zi)程序已(yi)将新數(shu)據置入(ru)累加器(qi)🚩A中,其💁流(liu)程如圖(tu)3。
程序清(qing)單如下(xia):



4　結(jie)束語
　　在(zai)國民經(jing)濟各行(hang)業的生(sheng)産中,普(pu)通導電(dian)液以及(ji)強酸,強(qiang)堿等🈲強(qiang)腐蝕液(ye)體和泥(ni)漿、礦漿(jiang)、紙漿等(deng)均勻液(ye)固兩相(xiang)浮液體(ti)⭕都需💞要(yao)進行準(zhun)确地流(liu)量計量(liang)。但是以(yi)往常常(chang)采用的(de)渦街式(shi)、葉輪式(shi)、渦流式(shi)、超聲波(bo)式☔等流(liu)量計🧑🏾‍🤝‍🧑🏼或(huo)者因爲(wei)測量精(jing)度低,或(huo)者因爲(wei)價格高(gao)♊,或者不(bu)能适應(ying)惡劣環(huan)境等等(deng)因素不(bu)能被用(yong)戶使用(yong)。近年來(lai)電磁💜流(liu)量計以(yi)其精度(du)高、抗震(zhen)性好🌏、耐(nai)腐蝕等(deng)優勢脫(tuo)穎而♍出(chu),智能插(cha)入式電(dian)磁流量(liang)計與普(pu)通的電(dian)磁流量(liang)計相比(bi)由于采(cai)用了單(dan)電極,使(shi)得傳感(gan)器結構(gou)可以做(zuo)的很小(xiao),使用🙇🏻範(fan)圍可以(yi)擴大減(jian)小了密(mi)封點,使(shi)可靠性(xing)增強,保(bao)證了質(zhi)量。

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