摘要:智(zhì)能插入式電(dian)磁流量計 是(shì)一種應用法(fǎ)拉第電磁感(gan)應定律的流(liú)量計。依據“拓(tuo)🌍普變換”原理(lǐ)對傳感器進(jìn)行設計。将傳(chuan)統雙電極結(jié)構變換爲單(dan)電極結構😘,把(ba)另一個電極(ji)作爲虛拟電(dian)極對待,傳感(gan)🐉器的結構采(cai)用單電極,并(bing)将線圈分置(zhi)于電極兩邊(bian),控制磁力線(xian)分布趨勢,從(cong)而實現高穩(wen)定、可靠、高精(jing)度的測量,同(tóng)時使傳感器(qì)密封空間得(dé)到擴展。
流量(liàng)是一個動态(tai)量,流量測量(liang)是一項複雜(za)的技術。從被(bei)測流💘體來說(shuō),包括氣體、液(yè)體和混合流(liú)體這三種具(ju)有不同物理(lǐ)特💞性的流體(ti);從測量流體(ti)流量時🔴的條(tiao)件來說,又是(shì)多種多樣的(de),如測量時的(de)溫度可以從(cong)高溫到極低(di)溫⭕,測量時的(de)㊙️壓力可以♉從(cóng)高壓到低壓(ya);被測流量的(de)大小可🧑🏾‍🤝‍🧑🏼以從(cóng)微小流量到(dao)大流量;被測(cè)流體的流動(dòng)狀态可以是(shì)💚層流、紊流等(děng)等。此外就液(ye)體而言,還存(cún)⛹🏻‍♀️在粘度大小(xiao)不同等情況(kuang)。因此,爲準确(què)的測量流量(liang),就🙇‍♀️必須研究(jiu)不同流🔆體在(zài)不同條👨‍❤️‍👨件下(xià)的流量測量(liàng)方法,并提供(gòng)相應的測量(liang)儀表。這是流(liu)量計量的主(zhu)💘要工作之一(yi)。目前國外投(tóu)入使用的流(liu)量計有100多種(zhǒng),國内定✉️型投(tou)産的也有近(jìn)20種。
　　随着工業(ye)生産的自動(dong)化,管道化的(de)發展,流量儀(yi)表🏃在整個儀(yi)表生産中所(suǒ)占比重越來(lái)越大。據國内(nèi)外資料表明(míng),在不同的工(gōng)業部門中所(suo)使用的流量(liang)儀表占整個(gè)儀表總數的(de)15%～30%。随着流量儀(yi)表的迅猛發(fā)展,流量标準(zhǔn)裝置也得💯到(dào)較快發展,流(liú)量量🙇‍♀️值傳遞(di)網❗絡已經形(xing)成。目前水、油(you)、氣、蒸汽高精(jing)度的流量标(biao)準裝置已在(zài)國家🏃‍♂️、省市計(ji)量機構建立(li),确保其流量(liang)量🌍值傳遞的(de)準确一緻。盡(jìn)管如此,由于(yu)流量測量技(jì)術的複雜化(huà),以及科學技(jì)術的迅速發(fa)展向流量計(ji)量提出更新(xīn)更高的要求(qiu),流量計量的(de)現況遠不能(néng)滿⭐足生産的(de)需要,還有大(dà)量💁的流量計(ji)量技術問題(ti)有⛱️待進一步(bu)研究解決。
1　智(zhi)能插入式電(dian)磁流量計的(de)工作原理
　　電(diàn)磁流量計是(shi)一種應用法(fa)拉第電磁感(gǎn)應定律的流(liu)量計🚩。流量計(ji)的測量管是(shì)内襯絕緣材(cai)料的非導磁(cí)合金短管。兩(liang)隻電㊙️極沿管(guǎn)徑方向貫通(tong)管壁固定在(zai)測量管上,其(qí)👄電極頭與内(nèi)表面基本平(píng)齊。勵磁線圈(quan)由雙向脈沖(chòng)勵磁🎯時,将在(zài)與✔️測量管軸(zhóu)線垂直的方(fāng)向上産生🛀🏻一(yī)磁通密度🔞爲(wèi)B的工作磁場(chang)。此時,如果具(ju)有一定電導(dǎo)率的流體流(liu)經測量管,将(jiang)切割磁力線(xiàn)感應出⭕電動(dòng)勢E。電動勢E正(zheng)比于磁通密(mi)度B、測量管内(nèi)徑D與平均流(liú)速的🔞乘積、電(diàn)動勢E(電流⭐信(xin)号)由電極檢(jiǎn)出并通♍過電(dian)纜這至轉換(huàn)器。轉換器将(jiāng)流量信号放(fàng)大處理後,可(ke)顯示流量、總(zǒng)量,并能輸出(chu)模拟、脈沖等(deng)信号,用于流(liu)量的控制與(yu)調節[1-3]。
E=kBdv
式中:
E-爲(wèi)電極間的信(xin)号電壓(V);
B-爲磁(ci)通密度(T);
d-爲測(ce)量管内徑(m);
v-爲(wèi)平均流速(m/s).
　　K,d爲(wei)常數,由于勵(lì)磁電流是恒(heng)流的,故B也是(shi)常數,則由E=kBdv可(kě)🌈知,體積🏃🏻‍♂️流量(liàng)Q與信号電壓(ya)E成正比,即流(liu)速感應的信(xìn)号電壓E與體(tǐ)積Q成線性關(guān)系。因此,隻要(yao)測量出E就可(ke)确定流量Q,這(zhe)就是電磁流(liu)量計的基本(běn)工作原理。
2　儀(yi)表的硬件設(shè)計
2.1　儀表的電(dian)極設計
　　電磁(cí)流量計是在(zài)“法拉第電磁(ci)感應定律”應(ying)用方面進行(hang)了創新,依據(ju)“拓普變換”原(yuán)理對傳感器(qi)進行創新設(shè)計。将傳統雙(shuang)電🧑🏾‍🤝‍🧑🏼極結構變(biàn)換爲單電極(ji)結構,也就是(shi)把另一個電(diàn)極作爲虛拟(nǐ)❓電極對🙇‍♀️待。通(tong)過控制勵磁(ci)電流和線圈(quān)的分布位置(zhì),使其産生的(de)磁場穩定地(di)分布在真實(shí)電極周♉圍,而(er)使虛拟✂️電極(jí)處磁場強度(du)近似爲零❄️,則(zé)感應出的電(dian)動勢很小,可(ke)以忽略不計(jì),故隻留一個(ge)電極。
　　将上述(shu)的這一理論(lun)用于電磁流(liú)量計測量導(dǎo)電液體的流(liú)量時❓,如圖1所(suo)示,磁場由勵(li)磁線圈産生(shēng),兩電極之間(jiān)距離L便是導(dǎo)體長度,流體(tǐ)流速v就是導(dao)體運✊動速度(du)。根據電磁感(gǎn)應🌂定律将在(zài)電極周圍形(xíng)成磁⛷️場,而另(ling)一個電極周(zhou)圍形成的磁(cí)場可以忽略(luè)不計🥰,就可将(jiāng)其視爲虛拟(nǐ)電極,從而實(shí)現單電極檢(jian)測流🏃‍♀️速,如圖(tu)2所示。


　　在電極方面(mian)由于采用了(le)單電極雙線(xian)圈,通過控制(zhi)勵磁信号和(hé)磁力線發射(she)角度,使磁力(li)線分布密度(dù)不受管道材(cái)質、管道㊙️直徑(jìng)💯、插入管道深(shēn)度等外部條(tiao)🔴件的影響,保(bao)證了有效磁(ci)場的穩定,從(cong)而大大提高(gao)了測量精度(du)。
2.2　傳感器的結(jie)構設計
　　傳感(gan)器是采集感(gan)應電動勢數(shu)據的關鍵部(bu)件,不僅✊要💛求(qiú)采集數據準(zhǔn)确,抗幹擾能(néng)力強,而且還(hái)能長期工作(zuo)在比💘較複雜(za)的外部環境(jìng)中。傳統的插(chā)入式流量計(jì)由于安裝的(de)管道🍓材質、管(guǎn)道的直💋徑等(deng)等外部條件(jiàn)的變化,使得(dé)傳⛷️感器内部(bù)磁力線分🧑🏾‍🤝‍🧑🏼布(bù)發生了變化(huà),磁場強度也(yě)發生了變化(huà),引起了測量(liang)誤差[4-5]。
　　智能型(xíng)插入式流量(liang)計利用拓普(pu)變換原理對(dui)傳感器的結(jié)構進行重新(xīn)設計。采用單(dān)電極,并将線(xian)圈分☂️置于電(diàn)極兩邊🏒,控制(zhi)磁力線分布(bu)趨勢,使電極(jí)周圍的磁場(chang)強度不随外(wài)部條件的💛變(biàn)化而變化,從(cóng)而實現高穩(wěn)定、高可靠、高(gāo)精度的測🤩量(liang),由于采用了(le)單電🏃‍♂️極結構(gòu),使得🥰傳感器(qi)密封空間得(de)到了擴展,可(kě)将電極和端(duan)面固♋定♻️在金(jin)屬基體上,使(shi)傳感器端面(miàn)可打㊙️壓到25MPa,而(er)耐溫180℃而不發(fā)生變形,确保(bao)了密封性。
2.3　智(zhì)能轉換器的(de)設計
　　智能轉(zhuǎn)換器主要是(shi)爲傳感器勵(lì)磁線圈提供(gong)勵磁電磁,同(tong)時接✍️收傳感(gan)器電極檢測(cè)到的電信号(hào),通過中央處(chu)理🏃🏻器進行數(shù)據的運算和(he)處理,然後進(jin)行現♈場顯示(shi)🆚和遠程通信(xin)[6-7]。
2.4顯示部分設(shè)計
1)LCD顯示:顯示(shì)屏需對流量(liang)、累計流量、壓(ya)力、溫度、時間(jian)等進行♉顯示(shi),普通的LED不能(néng)滿足要求,故(gù)采用基于單(dan)片機的液晶(jing)顯示産品更(gèng)加适合。
2)A/D轉換(huàn):采用A/D轉換器(qì)将流量、壓力(lì)、溫度等這些(xie)模拟信号輸(shu)入到顯示模(mo)塊單片機。
3)D/A轉(zhuan)換:選定12位的(de)D/A轉換器,該轉(zhuǎn)換器可與CPU直(zhí)接相連,以減(jian)少硬件占用(yong)空間。D/A轉換器(qi)将完成4～20mADC信号(hao)。
3　數字濾波設(shè)計
　　該方法是(shi)先在RAM中建立(li)一個數據緩(huan)沖區,依順序(xù)存✊放N次⛱️采樣(yang)🐪數據(即把N個(ge)測量數據看(kan)成一個隊列(lie),隊列的長度(du)固定💘爲N)。然後(hòu)每🙇‍♀️采進一個(ge)新的數據,就(jiù)将新數據存(cún)入隊尾,同時(shí)将緩沖⁉️區中(zhong)最早采集(隊(duì)首)的一個數(shu)據去掉。再求(qiú)出當前RAM緩沖(chong)區中的N個數(shu)據的算術平(ping)均值或加權(quan)平均值。這樣(yang),每進行一次(cì)采樣,就可計(jì)算出一個新(xīn)的平均值,即(ji)測量數據取(qu)一丢一,測量(liang)一次便計算(suan)一次平均值(zhi),大大加快了(le)數據處理能(néng)力。

　　假設環形(xing)隊列的地址(zhǐ)爲40H～4FH,共16個單元(yuan),用R0作隊尾指(zhi)示,并且INPUTA爲新(xin)采樣數據處(chu)理子程序,子(zi)程序已将新(xin)數✨據置入累(lei)加器A中,其流(liu)程如圖3。
程序(xù)清單如下:



4　結束語(yu)
　　在國民經濟(ji)各行業的生(shēng)産中,普通導(dǎo)電液以及強(qiang)酸,強堿等強(qiang)腐蝕液體和(he)泥漿、礦漿、紙(zhi)漿等均勻液(yè)固兩相浮液(ye)體都需要進(jin)行準确地流(liu)量計量。但是(shì)以往常常采(cai)用的渦街式(shì)、葉輪🧑🏾‍🤝‍🧑🏼式、渦流(liú)式、超聲波式(shì)等流量計或(huo)者因爲測量(liàng)精度低,或者(zhě)因🍉爲價格高(gao),或者不能适(shì)應惡劣環境(jing)等等因素不(bu)能被用戶使(shi)⛷️用。近年來電(dian)磁流量計以(yi)其精💘度高、抗(kàng)震性好、耐腐(fǔ)蝕等優勢脫(tuō)穎而出,智能(neng)插入式電磁(cí)流量計與普(pu)通的電磁流(liu)量計相♍比由(you)于采用了單(dan)電極,使得傳(chuan)♈感器結構可(kě)以做的很㊙️小(xiao),使用範圍可(kě)以擴大減小(xiao)👉了密封點,使(shi)可靠性增強(qiáng),保證了質量(liàng)。

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