摘要(yào):智能插入式電(diàn)磁流量計 是一(yī)種應用法拉第(dì)電磁感應定律(lü)的流量計。依據(ju)“拓普變換🥰”原理(lǐ)對傳感器進行(hang)設計。将傳統雙(shuang)電極結構變換(huàn)爲單電極結構(gòu),把另一個電極(jí)作爲虛拟電極(ji)對待,傳感器的(de)結構采用單電(dian)極,并将線圈分(fèn)💜置于電極☁️兩邊(biān),控制磁力線分(fen)布趨勢,從而實(shí)現高穩定、可靠(kào)、高精度的測量(liang),同時使傳感器(qi)密封空間得到(dào)擴展。
流量是一(yi)個動态量,流量(liang)測量是一項複(fu)雜的技術。從被(bèi)測流體來說,包(bao)括氣體、液體和(hé)混合流體這三(sān)🧡種具有不同物(wù)理特♌性的流體(tǐ);從測量流體流(liu)量時的條件來(lái)說,又是多種📱多(duō)樣的🤞,如測量時(shi)的溫度可以從(cóng)高溫到極低溫(wēn)☂️,測量時的壓力(li)可以從高壓到(dao)⚽低壓;被測流量(liang)的大小可以從(cong)微小流量到大(da)流量✨;被測流體(tǐ)的流動狀态可(ke)以是層流、紊流(liú)等等。此外就液(ye)體而言,還存在(zài)粘度大小不同(tong)等情況。因此,爲(wei)準确的測量流(liu)量,就必須研究(jiū)不同流🈲體在不(bú)同條件下的流(liu)量測量方法🍉,并(bìng)提供相應的測(ce)量儀♋表。這是流(liu)量計量的主要(yao)工作之一。目前(qian)國外投入使用(yòng)的流量計有100多(duo)種,國内定♍型投(tou)産的也有近20種(zhǒng)。
　　随着工業生産(chǎn)的自動化,管道(dào)化的發展,流量(liang)儀表在整個🤞儀(yi)表生産中所占(zhàn)比重越來越大(dà)。據國内外💚資料(liào)表明🌈,在不同的(de)工業部門中所(suǒ)使用的流量儀(yí)表占整個儀表(biao)總數的15%～30%。随着流(liú)😄量儀表的迅猛(měng)發展🐕,流量标準(zhun)裝置也得到較(jiào)快發展,流量量(liang)值傳遞網⭕絡已(yi)經形成。目前水(shuǐ)、油、氣、蒸汽高精(jing)度的流量标準(zhǔn)裝置已在國家(jiā)、省市計量機構(gou)建立,确保其流(liú)量量✔️值傳遞的(de)㊙️準确一緻。盡管(guǎn)💜如此,由于流量(liang)測量技術的複(fu)雜化,以及科學(xué)🏒技術的迅速發(fā)展向流量計量(liang)提出更新更高(gāo)的要求,流量計(jì)🤟量的現況遠不(bu)能滿足生産的(de)需要,還有大量(liang)的流量計量技(jì)術問題有待進(jin)一步研究解決(jue)。
1　智能插入式電(dian)磁流量計的工(gōng)作原理
　　電磁流(liu)量計是一種應(yīng)用法拉第電磁(cí)感應定律的流(liu)量計。流❌量計的(de)測量管是内襯(chen)絕緣材料的非(fēi)導磁合🔞金短✉️管(guan)。兩隻電極沿管(guan)徑方向貫通管(guǎn)壁固定在測量(liang)管上,其電極頭(tou)與内表面基本(běn)平齊。勵磁線😘圈(quan)由雙向脈沖勵(lì)磁時,将在與測(cè)量管軸線垂直(zhi)的🈲方向上産生(shēng)一磁通密度爲(wei)B的工作磁㊙️場。此(ci)時,如果具有一(yi)定電💰導率的流(liú)體流經🔞測量管(guǎn),将切割😍磁力線(xian)感應出電動勢(shì)🍉E。電動勢💃🏻E正比于(yu)磁通密度B、測量(liàng)管内徑D與平均(jun1)流速的乘積、電(dian)動勢E(電流信号(hào))由電極檢出并(bing)通過電纜這至(zhi)轉換器。轉換器(qì)将流量信号放(fang)大處理後,可顯(xian)示流量、總量,并(bing)能輸出模拟、脈(mò)沖等信号,用于(yú)流量的控制與(yǔ)調節[1-3]。
E=kBdv
式中:
E-爲電(diàn)極間的信号電(diàn)壓(V);
B-爲磁通密度(du)(T);
d-爲測量管内徑(jìng)(m);
v-爲平均流速(m/s).
　　K,d爲(wei)常數,由于勵磁(cí)電流是恒流的(de),故B也是常數,則(zé)由E=kBdv可知,體積💔流(liú)量Q與信号電壓(yā)E成正比,即流速(sù)感應的信号電(dian)壓E與體積Q成‼️線(xian)性關系。因此,隻(zhī)要測量出E就可(ke)确定流量Q,這🌍就(jiu)是電磁流量計(jì)的基本工作原(yuan)理。
2　儀表的硬件(jiàn)設計
2.1　儀表的電(diàn)極設計
　　電磁流(liu)量計是在“法拉(la)第電磁感應定(dìng)律”應用方面進(jin)🈚行了創新,依據(jù)“拓普變換”原理(lǐ)對傳感器進行(háng)創新設計。将傳(chuan)統雙電極結構(gòu)變換爲單電極(ji)結構,也就是把(ba)✍️另一個電極作(zuò)爲虛拟電極對(duì)待。通過控制勵(li)磁電流和線圈(quan)的☔分布位置,使(shi)其産生的磁場(chang)穩🧑🏽‍🤝‍🧑🏻定地分布在(zài)真實電極周圍(wéi),而使虛拟電極(jí)處磁場強度近(jin)似爲👈零,則感應(yīng)出的電動勢很(hěn)小,可以😄忽略不(bu)計,故隻留一個(ge)電極。
　　将上述的(de)這一理論用于(yu)電磁流量計測(cè)量導電液體的(de)流量時🚶,如圖1所(suǒ)示,磁場由勵磁(ci)線圈産生,兩電(dian)極之間距離L便(biàn)✊是導體長度,流(liu)體流速v就是導(dǎo)體運動速度。根(gēn)據電磁感應定(dìng)律将🌈在電極周(zhou)圍形成磁🌐場,而(ér)另一個電極周(zhou)圍形成的㊙️磁場(chang)可以忽略不計(jì),就可将其視爲(wèi)虛拟電極🚶‍♀️,從而(er)實現單電極檢(jiǎn)測流速,如圖2所(suo)示。


　　在電極(ji)方面由于采用(yòng)了單電極雙線(xiàn)圈,通過控制勵(lì)磁信🔴号🏃‍♂️和磁力(lì)線發射角度,使(shǐ)磁力線分布密(mì)度不受管道材(cái)質、管道直徑、插(cha)入管道深度等(děng)外部條件的影(yǐng)♌響,保證🔆了有效(xiào)磁場的穩定,從(cong)而大大提高了(le)測量精度。
2.2　傳感(gǎn)器的結構設計(ji)
　　傳感器是采集(jí)感應電動勢數(shù)據的關鍵部件(jian),不僅要🌍求采集(ji)🔴數據準确,抗幹(gàn)擾能力強,而且(qiě)還能長期♊工作(zuò)🈲在比較複雜的(de)外部環境中。傳(chuan)統的插入式流(liú)量計由于安裝(zhuang)的管道材質、管(guǎn)道的直徑等等(deng)外部🔅條件的變(biàn)化,使得傳感器(qi)内部磁力線分(fèn)布發生了變化(hua),磁場強度也發(fa)生了變化,引起(qǐ)了♻️測量誤差[4-5]。
　　智(zhi)能型插入式流(liu)量計利用拓普(pǔ)變換原理對傳(chuan)感器的😘結構進(jin)行重新設計。采(cǎi)用單電極,并将(jiāng)線圈分🤟置于電(diàn)極兩邊,控制磁(ci)力線分布趨勢(shi),使電極周圍的(de)磁場強度不🌈随(suí)外部♋條件的🤞變(bian)化而變化,從而(ér)實現高穩定、高(gāo)可靠、高精度的(de)測量,由于采用(yòng)了單電☀️極結構(gou),使得傳感器密(mì)封空間得到了(le)擴展,可将電極(ji)和端面固定在(zài)金屬基體上,使(shi)傳感器端面💋可(ke)打🚩壓到25MPa,而耐溫(wen)180℃而不發生變形(xing),确保了🧑🏾‍🤝‍🧑🏼密封性(xing)。
2.3　智能轉換器的(de)設計
　　智能轉換(huàn)器主要是爲傳(chuan)感器勵磁線圈(quan)提供勵磁電磁(cí),同時接收傳感(gan)器電極檢測到(dào)的電信号,通過(guò)㊙️中央處理器進(jin)行數據的運算(suan)和處理,然後進(jìn)行現☀️場顯示和(he)遠程🚶‍♀️通信[6-7]。
2.4顯示(shì)部分設計
1)LCD顯示(shi):顯示屏需對流(liú)量、累計流量、壓(yā)力、溫度、時間等(děng)進行顯示⛹🏻‍♀️,普通(tōng)的LED不能滿足要(yào)求,故采用基于(yú)單片⁉️機的液晶(jīng)顯示産品更加(jia)适合。
2)A/D轉換:采用(yong)A/D轉換器将流量(liang)、壓力、溫度等這(zhe)些模拟信号輸(shū)入到顯示模塊(kuai)單片機。
3)D/A轉換:選(xuǎn)定12位的D/A轉換器(qì),該轉換器可與(yǔ)CPU直接相連,以減(jiǎn)少‼️硬件占用空(kōng)間。D/A轉換器将完(wán)成4～20mADC信号。
3　數字濾(lü)波設計
　　該方法(fǎ)是先在RAM中建立(li)一個數據緩沖(chòng)區,依順序存放(fang)N次采樣數據(即(ji)把N個測量數據(jù)看成一個隊列(lie),隊列的⭕長度固(gu)定⛹🏻‍♀️爲N)。然後每采(cai)進一個新的數(shù)據,就将新數據(ju)存入隊尾,同時(shi)将緩沖區中最(zui)早采集(隊首)的(de)一個數據去掉(diao)。再求出當前RAM緩(huan)沖區中的N個數(shù)據👌的算術平均(jun)值或加權平均(jun1)值。這樣,每進行(hang)一次采🔱樣,就可(kě)計算出一個新(xin)的平均值,即測(ce)量數據取一丢(diū)一,測量一次便(biàn)計算一次平均(jun1)值,大大加快了(le)數據處理能力(lì)。

　　假設環形隊列(lie)的地址爲40H～4FH,共16個(ge)單元,用R0作隊尾(wei)指示,并且🐉INPUTA爲新(xīn)采🔆樣數據處理(li)子程序,子程序(xu)已将新數據置(zhì)入累加器A中,其(qi)流程如圖3。
程序(xu)清單如下:



4　結束語(yu)
　　在國民經濟各(ge)行業的生産中(zhong),普通導電液以(yi)及強酸,強堿等(deng)強腐蝕液體和(hé)泥漿、礦漿、紙漿(jiang)等均勻液固兩(liang)💯相浮液體👈都需(xū)要進行準确地(di)流量計量。但是(shì)以往常常采用(yòng)的渦街式、葉輪(lun)式、渦流式、超聲(sheng)波式等流量計(jì)♻️或者因爲測量(liàng)精度低,或者因(yīn)爲價格高🥵,或者(zhě)不能适🛀🏻應惡劣(liè)環境等等因素(su)不能被用戶使(shǐ)用。近年來電磁(ci)⚽流量計以其精(jing)度高、抗震性好(hǎo)、耐腐蝕等優勢(shi)脫穎而出,智能(neng)插入式電磁流(liu)量計與普通的(de)電磁流量計相(xiang)比由于采用了(le)單電極,使得傳(chuan)感器結構可以(yǐ)做的很小,使用(yong)範圍可以擴大(da)減小✏️了密封點(diǎn),使可靠性增強(qiáng),保證了質量。

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