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电磁流量计

微流量智能电磁流量计的变送器结构设计、样机标定及结果分析

微流量智能电磁流量计的研究,通过对几种信号处理方法的比较,选择了较佳的基线信号处理方法。在此基础上,围绕单片机展开设计,实现了仪表的智能化和有效的功能根据流量计检定规程对样机进行实液标定的结果表明,样机设计达到了预期效果。

                                                      

  纪五六十年代发展并逐步完善起来的流量仪表它是一种测量导电液体体积流量的感应式仪表,以法拉第电磁感应定律为蕞基本的理论依据目前电磁流量计的理论研究及产品发展已达到相当成熟的程度,但是,仍存在一些不足之处,例如,尚不能用来测量低电导率液体;对于极低(微)流量。由亍流量检测信号相对于干扰信号过弱,因而难以测量等问题为了满足工业生产和科学技术的需要,肚界各国的流量工作者正致力于解决上述问题本文的目的是报导一种作者近年来所研究开发的微流量智能电磁流量计,主要研究内容包括以下几个方面:a微流量电磁流量计的理论依据;b.微流量电磁流量计的变送器结构设计;c.信号处理方法选择;d智能化仪表(硬件和软件设计);e.样机标定及结果分析。

  1微流量电磁流量计的理论依据bookmark1 1.1电磁流量计工作原理及特点根据法拉第电磁感应定律,当一导体在磁场中作切割磁力线运动时,在导体的两端就会产生感应电动势。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极,在两电极间就会有感应电动势产生。这就是电磁流量计测量导电液体体积流量的原理C见)。

  电磁流量计的磁场是通过励磁来获得的。目前,有3种基本励磁方式即直流励磁、交流励磁和低频方波励磁其中低频方波励磁又可分为二值方波励磁、三值方波励磁两种形的影响。因此,R需经水标定以后,就可用来测量其他导电性液体的流量,而不需要作附加修正。

  电磁流量计的量程范围极宽,并只与被测介质的平均流速成正比,而与轴对称分布K的流动状态(层流、湍流)无关。

  电磁流量计无机械惯性,反应灵敏,可以测量瞬时脉动流量,而且线性好它可将测量信号直接用转换器线性地转换成标准信号输出,可就地指示,也可远距离传送。

  从上述特点可以看出,将电磁流量计进一步开发成为能够测量导电液体微流量的流量计是适宜的-但在微流量下,流量信号(感应电动势))分微弱所以,设计的关键之一是要设法采取窄(缝式)矩形过流断面等措施来增强流量信号为此,有必要对有关理论问题作较为深入的分析。

  1.2权重函数分析权重函数表示工作磁场有效区域中任何微小体积元在切割磁力线时,对电极间的信号所起的作用,也就是说权重函数是描述有效区域内各点产生的感应电动势不能全部贡献给电极间的流量信号所造成的衰减系数。

  在一般中只对圆形截面测量导管的权重函数给予介绍,而对矩形截面测量导管情况介绍较少这里就窄矩形测量导管的情况作一扼要分析(见)。

  矩形截面测量导管简图Fig.3众所周知,在建立电磁流量计基本方程之前需做如下假设:流体是非磁性的,且磁导率均匀;流体电导率均匀,并满足Ohm定律/= xB),其中/为电流密度,〃是流体电导率,£是电场强度,F是流体速度,《是磁感应强度;流体中位移电流可忽略;磁场是均磁场等。

  结合上述假设,应用麦克斯韦(Maxwell)电磁方程组,并引人格林函数G,可得感应电动势表达式在电极直径与窄矩形截面高度C2W相同时,电力线平行于电极连线。其相应的权重函数为矩形截面平均流速v)表达式为― >z(x,(3)此结果表明,矩形截面测量导管内的感应电动势与平均流速呈线性关系,与圆截面导管的情况一致。实际上,这一结论是进行微流量电磁流量计设计的理论基础。

  2微流量电磁流量计变送器结构设计电磁流量计变送器主要由测量导管、励磁系统、电极及干扰调整机构等部分构成。为了使传感器稳定可靠地r作,准确地感受流量信号,在结构上就必须认真考虑。

  对于微流量情况,由于流体速度很低,而电磁流量计是通过检测流体在磁场中切割磁力线时所产生的感应电动势来进行流量测量的仪表。如要获得较强的电压信号就必须提高l(流体切割磁力线长度)和k(流体平均速度)的值在前面所述理论的基础上,采用等效截面法进行测量管结构设计选用矩形管道可以提高L、F的值,并减少漏磁的干扰,从而提高感应电动势,以便于进行微流量的测量。

  选用绝缘材料玻璃纤维做外套,可消除涡电流的影响。由于聚四氟乙烯(Teflon)是化学上蕞稳定的实用物质之一,具有非常良好的高温适应性,几乎没有什么介质能粘附在它上面,并且具有相当好的耐磨性。所以,在本设计中选用聚四氟乙烯做内管材料励磁系统的作用是产生一个工作磁场。由于管道截面积很小,作者选用了变压器铁芯式结构,以较小的励磁电流来获得较强的磁场。

  电极的作用是把被测介质切割磁力线所产生的流量信号引出,它必须是非磁性导电材料,选用不锈钢材料可耐一般酸碱盐的腐蚀。

  干扰调整机构是为了抑制由于变压器效应而产生的正交干扰的一种装置,在电磁流量计仪表中已得到广泛应用,故本设计予以采用。

  此外,流量计接入管道后必然会带来一定的阻力损失,尽管电磁流量计的压力损失通常可以忽略不计,但在微流量的情况下必须予以考虑。这就是说,为了保证整个管路系统的正常运行,有必要对流量计的压力损失进行核算。

  定被测介质为水,并取常温下的参数来进行计算。由于流动状态可能是层流或湍流,而不同状态下的阻力系数不同,因此需要分别进行计算。

  算结果表明,管道局部阻力损失占总阻力损失的比重较大。但总阻力损失还是可以接受的。由于本文篇幅有限,具体计算从略。

  3信号处理方法及其比较电磁流量计的干扰问题是随着各种励磁方式而产生的例如:直流励磁方式易产生极化干扰;交流励磁方式产生正交干扰、同相干扰等;低频励磁方式尽管是一种较好的励磁方式,但仍然伴随着许多干扰。这些干扰信号与有用的流量信号混杂在一起,不仅成分复杂,而且通常比流量信号大因此,抑制和排除这些干扰信号,提高信噪比(S/N)是研制和使用电磁流量计的一个重要技术问题对于正交干扰,在变送器部分可以采用变送器调零法进行处理,而同相干扰则可根据其特点,通过差动放大电路来消除然而,正交干扰零点漂移等还需要通过相应的信号处理方法才能进一步受到抑制,以确保仪表的正常工作。目前,电磁流量计信号处理方法主要有以下几类121:电容隔离法是将零点漂移近似为直流处的一种方法,即通过电容耦合来隔离零点漂移干扰,实现对感应电势信号的有效放大。

  为了保证具有稳定的流量测量值,通常电容隔离法还要对信号处理输出进行较大时间常数的滤波这导致信号响应时间将远远大于励磁周期。实际的电容耦合法一般只用于励磁周期在8倍以上工频周期的情况当然,在一些流体流速变化不是很大的场含,电容隔离法是一种实用的信号处理方法。

  这种方法是希望在信号放大过程中实现对零点漂移干扰的动态消除。但零点漂移反馈法的实际信号动态响应时间并不是一个励磁周期,当流体流速变化时将使零点漂移反馈经多个励磁周期才能达到稳态的调整过程,并使信号处理输出也产生相应时间的响应过程。

  如果以负恒定励磁下的信号值作为一个基线值,则正恒定励磁下相对于此基线值的信号幅值就是一个励磁周期下的感应电势信号。

  经过1.5个励磁周期,基线控制法的信号动态响应过程结束,且在信号放大中消除了零点干扰,从而具有较高的精度显然,基线控制法信号处理方案可以充分体现电磁流量计的高动态响应特性由此可见,在低频矩形波励磁方式下,基线控制法是电磁流量计较为理想的信号处理方法,因而在本设计中被采用。

  4智能化微流量电磁流量计并不是传统仪器与微处理机的简单组合,而是一种经过综合考虑后的重新设计。

  智能化仪器仪表在结构上体现了微处理机、仪器的一体化设计,硬件与软件的相互融合,而且是综合结构,内部有数据总线、控制总线、地址总线及接「I总线由于硬件减少,仪器的体积和重量也随之减小,特别是面板上用键盘接触开关,代替了大多数的关和控制调节器,使面板既简明美观、又操作厅便智能化电磁流量计由丁采用了微处理机技术,可实现某些强大的功能,如空管检测、正反流测量、多量程切换等。

  智能化微流量电磁流量计转换器的设计主要包括微处理机的选择、硬件设计和软件设计等工作。

  4.1总体方案规划鉴于电磁流量计对流量信号的处理有很高要求,并有大量计算,故作者确定了以3个单片机芯片CPU来进行控制的设计力案。中央芯片CPU控制整个仪表的运行,并完成仪表的大部分功能(包括键盘和显示部分);励磁芯片CPU在中央芯片CPU的控制下产生励磁信号,并完成相应的功能等;输出芯片CPU完成仪表模拟信号(电流信号)输出和频率输出等功能(见)。

  部分方案选择:由于电磁流量计所测得的流量信号很弱,而干扰信号却很强,所以尽管通过一些信号处理可以消除某些干扰,但仍然会存在着一些干扰。经过V/F转换实现信号数字化,能进一步减少或避免某些干扰在模拟信号方面,通过软件编程实现010mA和420mA两种模式的直流信号输出。

  信号在传输过程中,极易受到外界干扰的影响,为消除干扰所造成的某些虚假信号,对信号采用数字滤波处理为了使阻尼时间可任意设置,采用了一阶滞后数字滤波。

  4.2硬件设计中央CPU芯片采用8032,通过138译码器控制各扩展芯片;励磁CPU芯片及输出CPU芯片均采用89C51所示为硬件系统简图。

  放大器计数器励磁通讯接口程序存储器扩展时,一般还需有锁存器a74LS373.用EPROM作为单片机外部程:器是蕞为常用的程序存储器扩展法,这里选用了EPROM27128.片,它采用CMOS工艺制作,由单一+5V电源供电,额定功耗200mW,典型存取时间为20ns,为28线双列封装。

  12MHz晶振用来提供CPU芯片的时钟信号及其他时序信号。前置放大器采用仪表运放128高性能芯片。

  可编程并行I/O扩展接口8255控制显示屏;8279控制键盘,键盘采用中断扫描方式,可充分发挥CPU的效能,中断响应后,执行相应的中断服务程序。

  MAX706,其作用是能够自动帮助机器从死循环或走飞状态中拉出来,恢复进入正常程序- V/F转换器使用AD652芯片,将模拟信号转换成数字信号,并抑制干扰* 8032串行口相连,进行机间通讯。

  转换器。AD694将模拟电压信号转换成电流信号,在硬件上接成020mA模式,通过软件编程,来实现010mA、420mA两种不同模式* 4.3软件设计信号输出及频率信号输出的编程工作如下所述:程:考虑当流量为额定值的110%时,输出电流为20mA或10mA.通过取得流量百分比信号C %),就可以借助于软件编程实现与瞬时流量对应的电流7输出。

  频率输出编程:单片机晶振采用12MHz,贝IJ内部计数频率为1MHz,取满量程频率设置FF及流量百分比(%)信号,可得对应的计数值。计数器采用16位计数方式工作,由初始化时状态控制字TMOD决定,并从相应地址取得脉宽PW设定值(规定为低电平或高电平),然后就可确定输出频率。

  在运算过程中,可能会出现多字节计数的情况。对此情况,采用了去掉低字节,对字节重复计数的方法这样,既避免了计数器只计很小值的情况,又保持了计数精度。

  5样机试验及结果分析样机(包括变送器和转换器)制作完成后,为了测试其各种性能并验证是否达到预期的设计效果,在上海大学自动化学院进行了流量计实液标定试验。

  样机试验采用标准表法C流速(;>0.3m/s)和容积法(流速(;<0.3m/s)相结合的力式,以水为测量介质,由高位水箱进行稳压。水箱容积为0.5高度为2.0m,水池体积1.0m3,标定装置的总精度为1.0级。标准流量计采用上海横河公司生产的AE100电磁流量计,流速范围为0.310m/s,精度为1.0*/*(满量程)试验管道直径为5mm.采用标准表法和容积法的试验结果如和所示(图中数据是3组数据的平均值)。

  数据处理结果表明,对于小流量(u的场含,样机精度为±1.5%,达到了预期的设计目标由于所用标准表和容积法标准装置自身精度容积法测量曲线的限制,目前尚无法对样机精度作出更高级别的评定,有待于今后进一步改进。

  在仪表设计中,实际上还包括频率输出和电流输出等功能。通过对所测输出电流信号和频率信号的测试和分析,证实了相应软件处理方法的可行性。限于篇幅,不加赘述。此外仪表其他功能的操作一切正常,说明设计是成功的* 6结论流体流量的测量和控制是工业生产中重要的环节。随着工业生产的发展,环境保护和节约能源的需要,微流量的精却测量必将引起人们更大的重视。电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律测量导电液体体积流量的感应式仪表其结构简单可靠、无可动部件、无压力损失、不受被测流体密度、黏度等参数的影响,具有响应速度快、精度高等特点。通过对微流量情况的研究,得出如下结论:与其他仪表相比,电磁流量计可较精却地实现微流量的测量;基线控制法不仅理论上是可行的,而且具有实用价值,可较好解决电磁流量计零点漂移问题;等效截面设计是完全可行的,而且对微流量的情况,具有较高的测量精度;流体力学理论和电子技术的成功结合,使仪表的设计更合理、性能更优越;样机设计及标定方案已在实践上迈出了很大一步。但产品化还有待于进一步努力,还需做大量的后继工作。

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点击次数:  更新时间:2016-08-31  【打印此页】  【关闭

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