摘要(yào):智(zhì)能插入(rù)式電磁(cí)流量(liàng)計 是(shì)一種應(yīng)用法拉(lā)第(dì)電磁感(gǎn)應定(dìng)律(lǜ)的流量(liàng)計。依據“拓普變換”原理對(duì)傳感(gǎn)器進行設計。将傳統(tǒng)雙電(diàn)極結(jié)構變換爲(wèi)單電(diàn)極結(jié)構,把另一(yī)個電(diàn)極作爲虛(xū)拟電(diàn)極(jí)對待,傳感器的結(jié)構采用單電極,并将(jiāng)線圈分置于電(diàn)極兩邊(biān),控制磁(cí)力線(xiàn)分布趨勢,從而實(shí)現高穩(wěn)定、可(kě)靠、高精度(dù)的測量,同時使(shǐ)傳(chuán)感器密(mì)封空(kōng)間得到擴展。
流(liú)量是一個(gè)動态量,流(liú)量(liàng)測量是一項複雜(zá)的技術。從被(bèi)測流體(tǐ)來說,包(bāo)括氣體、液體(tǐ)和混(hùn)合流(liú)體這三種(zhǒng)具有不同(tóng)物(wù)理(lǐ)特性(xìng)的(de)流(liú)體;從(cóng)測量(liàng)流體流(liú)量時的(de)條件來說(shuō),又是(shì)多種多樣的,如(rú)測量時的溫度可以從高溫到(dào)極低(dī)溫,測(cè)量時(shí)的壓力可(kě)以從(cóng)高壓(yā)到(dào)低壓;被(bèi)測流量的大小(xiǎo)可以從(cóng)微(wēi)小流(liú)量到(dào)大流量;被(bèi)測流體的(de)流動狀态可以是層(céng)流、紊流等等。此外(wài)就(jiù)液體(tǐ)而言(yán),還存在粘度大小不(bú)同等情況(kuàng)。因此,爲(wèi)準(zhǔn)确的(de)測量(liàng)流量,就必須研(yán)究(jiū)不(bú)同流(liú)體在不同條件(jiàn)下的流量(liàng)測量(liàng)方法(fǎ),并提(tí)供相(xiàng)應的測量(liàng)儀表。這是(shì)流量計量(liàng)的主要工作之(zhī)一。目前(qián)國外投(tóu)入使用(yòng)的流量(liàng)計有100多種,國内(nèi)定型(xíng)投産的也(yě)有近20種(zhǒng)。
　　随着工(gōng)業生(shēng)産的自動(dòng)化,管道化的發(fā)展,流量儀表在(zài)整個(gè)儀表(biǎo)生産(chǎn)中所(suǒ)占(zhàn)比(bǐ)重越來越大。據國内(nèi)外資料(liào)表(biǎo)明,在不同(tóng)的工(gōng)業部(bù)門中所使用的(de)流量(liàng)儀表(biǎo)占整個儀表總(zǒng)數的(de)15%～30%。随着(zhe)流(liú)量儀表(biǎo)的迅猛發(fā)展,流(liú)量标(biāo)準裝置也(yě)得到較快(kuài)發展,流量量值傳遞(dì)網絡已經形成(chéng)。目前水、油、氣、蒸(zhēng)汽高精度的流(liú)量标準裝(zhuāng)置已(yǐ)在國(guó)家、省市計量機(jī)構(gòu)建立,确(què)保其流量量值傳遞的準(zhǔn)确一(yī)緻。盡管如(rú)此,由于流量測量技(jì)術的複雜化,以(yǐ)及科(kē)學技術的迅速發展向流(liú)量計量提出(chū)更(gèng)新更(gèng)高(gāo)的要求(qiú),流量計(jì)量(liàng)的現況遠(yuǎn)不(bú)能(néng)滿足(zú)生産的需要,還(hái)有大(dà)量的流量計量技術(shù)問題有待進一(yī)步研究解決。
1　智能插(chā)入式電(diàn)磁流量(liàng)計的(de)工作原理(lǐ)
　　電磁流量(liàng)計是一種應用(yòng)法拉(lā)第電(diàn)磁感應定(dìng)律的(de)流量(liàng)計。流(liú)量計的測(cè)量管是内襯(chèn)絕(jué)緣材(cái)料的非導磁合(hé)金短(duǎn)管。兩(liǎng)隻電(diàn)極沿管徑方向(xiàng)貫通管壁固定(dìng)在測量(liàng)管上,其(qí)電極(jí)頭(tóu)與内表(biǎo)面基(jī)本平齊。勵磁線(xiàn)圈由雙向(xiàng)脈沖勵磁時(shí),将在與測量管軸(zhóu)線垂直(zhí)的方向(xiàng)上産生一磁通密度爲b的工作(zuò)磁場(chǎng)。此時,如果(guǒ)具有(yǒu)一定(dìng)電導(dǎo)率的(de)流體流經(jīng)測量管,将切割(gē)磁(cí)力線感應出(chū)電動勢e。電動勢e正比于磁通密(mì)度b、測量管(guǎn)内徑d與平(píng)均流速的(de)乘積、電動(dòng)勢e(電流信号(hào))由電極(jí)檢出(chū)并通過電(diàn)纜這至(zhì)轉(zhuǎn)換器(qì)。轉換器将流量(liàng)信号(hào)放大(dà)處理(lǐ)後,可顯示(shì)流量(liàng)、總量(liàng),并能輸出(chū)模拟(nǐ)、脈沖等信(xìn)号,用(yòng)于流(liú)量的(de)控制(zhì)與調(diào)節[1-3]。
e=kbdv
式(shì)中:
e-爲電極間的(de)信号電壓(yā)(v);
b-爲磁通密度(dù)(t);
d-爲測量(liàng)管内(nèi)徑(m);
v-爲(wèi)平均(jun1)流(liú)速(m/s).
　　k,d爲常數,由(yóu)于勵(lì)磁電流(liú)是恒流的,故b也是(shì)常數,則(zé)由e=kbdv可知(zhī),體積(jī)流量q與信(xìn)号(hào)電壓(yā)e成正比(bǐ),即流(liú)速感應的(de)信号電壓(yā)e與體積q成線性關系。因此,隻要(yào)測量(liàng)出e就(jiù)可确定流(liú)量q,這就是電磁(cí)流量(liàng)計的(de)基本工作原(yuán)理(lǐ)。
2　儀表(biǎo)的硬(yìng)件(jiàn)設計
2.1　儀表的電極設計
　　電磁(cí)流量計(jì)是(shì)在“法拉第電磁感應(yīng)定(dìng)律”應用(yòng)方面進(jìn)行(háng)了創(chuàng)新,依據“拓普變(biàn)換”原理對傳感(gǎn)器進行創新設(shè)計。将傳統(tǒng)雙電(diàn)極結(jié)構變換爲(wèi)單電(diàn)極結構,也就是(shì)把(bǎ)另一個(gè)電極作爲(wèi)虛拟(nǐ)電極(jí)對待。通過(guò)控制勵磁(cí)電流(liú)和線圈的分布(bù)位置,使其産生(shēng)的磁(cí)場(chǎng)穩定地(dì)分布在真(zhēn)實電極周圍,而使虛(xū)拟(nǐ)電極(jí)處(chù)磁場強度近似(sì)爲零(líng),則感應出(chū)的電動勢(shì)很小,可以(yǐ)忽略(luè)不(bú)計(jì),故隻(zhī)留一個電極。
　　将(jiāng)上述的(de)這一理(lǐ)論用(yòng)于電磁流量計測量(liàng)導電(diàn)液體的流量時(shí),如圖1所示,磁場(chǎng)由勵(lì)磁線圈産(chǎn)生,兩(liǎng)電極(jí)之間(jiān)距離l便(biàn)是(shì)導體(tǐ)長度(dù),流體(tǐ)流速(sù)v就(jiù)是(shì)導(dǎo)體運動(dòng)速度(dù)。根(gēn)據(jù)電磁感應定律(lǜ)将在(zài)電極周圍形成磁場,而(ér)另一個(gè)電極周圍形成的磁場可以忽(hū)略不計,就可将(jiāng)其視爲虛拟電(diàn)極,從而實現單電極(jí)檢測流速(sù),如圖2所示(shì)。


　　在電極方(fāng)面由(yóu)于采用了單電(diàn)極雙線圈,通過(guò)控制勵(lì)磁(cí)信号(hào)和磁力(lì)線發射(shè)角度,使(shǐ)磁力線(xiàn)分布密(mì)度不受(shòu)管道材質、管道(dào)直徑(jìng)、插入管(guǎn)道深度等外部條(tiáo)件的影響,保證(zhèng)了有效磁場的(de)穩定,從而(ér)大大(dà)提高了測量精(jīng)度。
2.2　傳感器(qì)的結(jié)構設計
　　傳感器是采集感應電(diàn)動勢數(shù)據的關(guān)鍵部(bù)件,不僅要(yào)求采(cǎi)集數據準(zhǔn)确,抗幹(gàn)擾(rǎo)能力(lì)強,而且還(hái)能長(zhǎng)期工(gōng)作在比較(jiào)複雜的外部環(huán)境中。傳統(tǒng)的插(chā)入式流量(liàng)計由于安裝(zhuāng)的管道(dào)材質、管道的直(zhí)徑等等外部條(tiáo)件的變化(huà),使得(dé)傳感器内部磁(cí)力線(xiàn)分布發生了變化,磁場強(qiáng)度也(yě)發生(shēng)了變化,引起了(le)測量(liàng)誤差[4-5]。
　　智能型插(chā)入式流量計利(lì)用拓普變換原(yuán)理對傳感(gǎn)器的(de)結構進行(háng)重新(xīn)設計。采用單電(diàn)極,并将線圈分(fèn)置于(yú)電極(jí)兩邊(biān),控制磁力線分(fèn)布趨勢,使電極周圍的磁(cí)場強度不(bú)随外(wài)部條(tiáo)件的變化而變(biàn)化,從(cóng)而實現高(gāo)穩定(dìng)、高可靠、高精度(dù)的測量,由(yóu)于采(cǎi)用(yòng)了單電(diàn)極結(jié)構,使得傳(chuán)感器(qì)密封空間(jiān)得到了擴(kuò)展,可(kě)将電(diàn)極和(hé)端面(miàn)固定(dìng)在金屬基(jī)體上,使傳感器(qì)端面可(kě)打壓到25mpa,而耐溫180℃而不發生變形(xíng),确保了(le)密封性。
2.3　智(zhì)能轉(zhuǎn)換(huàn)器的設計
　　智(zhì)能轉(zhuǎn)換器主要是爲傳感器勵(lì)磁線圈(quān)提供勵(lì)磁電(diàn)磁(cí),同時接(jiē)收傳感器電極(jí)檢測(cè)到的電(diàn)信(xìn)号,通過(guò)中(zhōng)央處(chù)理器(qì)進行數據(jù)的運算和處理(lǐ),然後(hòu)進行現場(chǎng)顯示(shì)和遠(yuǎn)程通信[6-7]。
2.4顯(xiǎn)示(shì)部分設(shè)計
1)lcd顯示:顯(xiǎn)示屏(píng)需對(duì)流量、累計流(liú)量(liàng)、壓力、溫度(dù)、時間(jiān)等(děng)進行顯(xiǎn)示,普通的led不能(néng)滿足要求(qiú),故采(cǎi)用基(jī)于單片機(jī)的液(yè)晶(jīng)顯示産(chǎn)品更(gèng)加适合。
2)a/d轉(zhuǎn)換:采(cǎi)用a/d轉換器(qì)将流量、壓(yā)力、溫(wēn)度等(děng)這些模拟(nǐ)信号輸入到顯(xiǎn)示模(mó)塊單片機(jī)。
3)d/a轉換:選定12位的(de)d/a轉換(huàn)器(qì),該轉換(huàn)器可與cpu直接相連,以(yǐ)減少硬件(jiàn)占用空間(jiān)。d/a轉換器将(jiāng)完成4～20madc信号。
3　數字濾波設計(jì)
　　該方法是先在(zài)ram中建(jiàn)立一個數(shù)據緩沖區,依順(shùn)序存放n次(cì)采樣(yàng)數據(jù)(即(jí)把(bǎ)n個測(cè)量數據看成一個隊列,隊列的(de)長度固定(dìng)爲n)。然(rán)後每(měi)采(cǎi)進(jìn)一個(gè)新的數(shù)據,就将(jiāng)新數(shù)據存(cún)入隊(duì)尾(wěi),同時将(jiāng)緩沖(chòng)區中最早(zǎo)采(cǎi)集(jí)(隊首)的一(yī)個數據去掉。再(zài)求出(chū)當前ram緩沖區中(zhōng)的n個數據(jù)的算(suàn)術平均值(zhí)或加(jiā)權平(píng)均值(zhí)。這樣(yàng),每進行(háng)一(yī)次采(cǎi)樣,就(jiù)可計算出(chū)一(yī)個新的平均值,即測(cè)量數(shù)據(jù)取一丢(diū)一,測量(liàng)一次便(biàn)計算一次平均(jun1)值,大大加快(kuài)了數據處(chù)理能力。

　　假設環形隊(duì)列的地址(zhǐ)爲40h～4fh,共16個單元,用(yòng)r0作隊(duì)尾指示,并(bìng)且inputa爲新采樣數(shù)據處理(lǐ)子程(chéng)序(xù),子程序已(yǐ)将新(xīn)數據置入累加器a中,其流(liú)程如圖3。
程序(xù)清單如(rú)下:



4　結束語
　　在(zài)國民(mín)經濟(jì)各(gè)行(háng)業的生産中,普(pǔ)通導電液(yè)以及(jí)強酸(suān),強堿等強腐蝕液體和泥漿、礦(kuàng)漿、紙漿等均勻液固兩相浮液(yè)體都需(xū)要(yào)進行(háng)準确(què)地流量計(jì)量(liàng)。但是以往常(cháng)常采用的渦街(jiē)式、葉輪式、渦流式、超(chāo)聲波式等(děng)流量(liàng)計或者因(yīn)爲測量精(jīng)度低(dī),或者因爲(wèi)價格(gé)高,或(huò)者不能适應惡(è)劣(liè)環境等(děng)等因(yīn)素(sù)不能被用戶使用(yòng)。近年(nián)來電磁流量計(jì)以其(qí)精(jīng)度高、抗震性好(hǎo)、耐腐蝕(shí)等優勢脫(tuō)穎而(ér)出,智(zhì)能插(chā)入式(shì)電磁流(liú)量(liàng)計(jì)與(yǔ)普通的(de)電磁流(liú)量計相比由于(yú)采用(yòng)了單(dān)電極(jí),使得傳感器結構可(kě)以(yǐ)做的很(hěn)小,使用(yòng)範圍可(kě)以擴大(dà)減(jiǎn)小了(le)密封點(diǎn),使可靠性增強,保證了(le)質量。

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