插入式電磁流量計的研制
流量是一個動態(tài)量, 流量測量是一項復(fù)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(zhǔn)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(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
國家、省市計量機(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)展向流量計量提出更新更高的要求, 流量計量的現(xiàn)況遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要, 還有
大量的流量計量技術(shù)問題有待進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行了創(chuàng)新, 依據(jù)..拓普變換..原理對傳感器進(jìn)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(qiáng)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智能電磁流量計測量導(dǎo)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(dǎo)體長度, 流體流速v就是導(dǎo)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(zhǔn)確, 抗力強(qiáng), 而且還能長期
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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(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
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(jìn)行數(shù)據(jù)的運算和處理, 然后進(jìn)行現(xiàn)場顯示和遠(yuǎn)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(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。
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(jìn)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
采集(隊首)的一個數(shù)據(jù)去掉。再求出當(dāng)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(jìn)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。
其數(shù)學(xué)表達(dá)式為: yn =
1
N ..
N - 1
i= 0
yn- 1
式中: yn - 第n 次采樣值經(jīng)濾波后的輸出;
yn - 1 - 未經(jīng)濾波的第n- i次采樣值;
N - 遞推平均項數(shù)。
假設(shè)環(huán)形隊列的地址為40H ~ 4FH, 共16個單元, 用R 0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:
FLT30: ACALL INPUTA.. .. .. .. ; 采樣值放在A 中
MOV.. .. @ R0, A ; 排入隊尾
INC.. .. R0 ; 調(diào)整隊尾指針
MOV.. .. A, R0
ANL.. .. A, # 4FH
MOV .. .. R0, A ; 建新隊尾指針
MOV.. .. R1, # 40H ; 初始化
MOV.. .. R2, # 00H
MOV.. .. R3, # 00H
FLT31: MOV A, @ R1 ; 取一個采樣值
ADD A, R3 ; 累加到R2、R3中
MOV R3, A
CLR A
ADDC A, R2
MOV R2, A
INC R1
C JNE R1, # 50H, FLT31.. ; 累計完16次
FLT32: SWAP A ; ( R2, R3) /16
XCH A, R3
SWAP A
ADD A, # 80H ; 四舍五入
ANL A, # 0FH
ADDC A, R3
RET ; 結(jié)果在A 中
4.. 結(jié)束語
在國民經(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(kuò)大減小了密封點, 使可靠
性增強(qiáng), 保證了質(zhì)量。
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