摘要:智(zhì)能插入式電(dian)磁流量計 是(shi)一種應用法(fa)拉第電磁感(gan)應定律的流(liu)量計。依據“拓(tuò)☀️普變☔換”原理(lǐ)對傳感器進(jìn)行設計。将傳(chuan)統雙電極結(jie)構變換爲單(dān)電極結構,把(bǎ)另一個電極(ji)作爲虛拟電(dian)極對⭐待,傳感(gǎn)器的結構采(cǎi)用📞單電極,并(bìng)将線圈分🧑🏾‍🤝‍🧑🏼置(zhì)于電極兩邊(bian),控制磁力線(xiàn)分布趨勢,從(cong)❌而實現高🍉穩(wěn)定、可靠、高精(jīng)度的測量,同(tóng)時使傳感器(qi)密封空間得(de)到擴展。
流量(liang)是一個動态(tài)量,流量測量(liang)是一項複雜(za)的技術。從被(bei)測流🥵體來說(shuo),包括氣體、液(yè)體和混合流(liu)體這三種具(jù)有不同物理(li)特🌈性的流體(tǐ);從測量流體(tǐ)流量時的條(tiáo)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(dī)溫✨,測量時的(de)👣壓力可以從(cóng)高壓到🆚低壓(yā);被測流量的(de)大小可以從(cóng)微小流⭐量到(dào)大流量;被測(ce)流體的流動(dòng)狀态可以是(shi)層流、紊流等(deng)等。此外㊙️就液(ye)體而言,還存(cun)在粘度✍️大小(xiao)不同等情況(kuang)。因此,爲準确(què)的測量流量(liàng),就🔆必須研究(jiū)不同流體在(zai)不同條件下(xia)的流量測量(liàng)方法,并提供(gong)相應的測量(liang)儀表。這是流(liu)量計量的主(zhu)⛷️要工作之一(yī)。目前國外投(tou)入使用⛹🏻‍♀️的流(liú)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(dòng)化,管道化的(de)發展,流量儀(yí)表在整個儀(yí)表🈚生産中所(suǒ)占比重越來(lái)越大。據國内(nèi)外資料表明(ming),在不同的工(gong)業😄部門中所(suǒ)使用的流量(liang)儀表占整個(ge)儀表總數的(de)15%～30%。随着流量儀(yí)表✔️的迅猛發(fā)展,流量标準(zhǔn)🔅裝置也得到(dao)較快發展,流(liú)量量值傳遞(dì)網絡已經形(xíng)成。目前水、油(you)、氣、蒸汽高精(jīng)度的流量标(biao)準♈裝置已在(zai)國家、省市計(ji)量機構建立(lì),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(fā)展向流量計(jì)量🍉提出更新(xin)更高的要求(qiú),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(jì)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(dian)磁流量計是(shì)一種應用法(fa)拉第電磁感(gan)應定律的流(liú)量計。流量計(ji)的測量管是(shi)内襯絕緣材(cái)料的非導磁(ci)合金短管。兩(liǎng)隻電極沿管(guan)徑方向貫通(tōng)管壁固定在(zai)測量管上,其(qí)⛷️電極頭與内(nei)表面基本平(ping)齊。勵磁線圈(quān)由雙向脈沖(chong)勵磁時,将在(zài)與測量管軸(zhou)線垂直的👄方(fāng)向上産生一(yī)磁通密度🌈爲(wèi)B的工作磁場(chǎng)。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(xian)感應出電動(dong)勢E。電動勢E正(zheng)比于磁通密(mi)度B、測量管内(nei)🌈徑D與平均流(liú)速的🙇‍♀️乘積、電(diàn)動勢E(電流信(xìn)⛷️号)由電極🐕檢(jiǎn)出并通過電(dian)纜這至轉換(huan)器。轉換器将(jiāng)流量信号🔴放(fang)大處理後,可(kě)顯示流量、總(zong)量,并能輸出(chu)模拟、脈沖等(děng)信号,用于流(liú)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(cè)量管内徑(m);
v-爲(wei)平均流速(m/s).
　　K,d爲(wèi)常數,由于勵(lì)磁電流是恒(héng)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(yā)E成正比,即流(liu)速感應的信(xin)号電壓E與體(ti)積Q成線性🈲關(guān)系。因此,隻要(yào)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(ben)工作原理。
2　儀(yi)表的硬件設(she)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(yīng)用方面🔱進行(háng)⭐了💞創新,依據(jù)“拓普變換”原(yuán)理對傳感器(qi)進行創🌈新設(she)計。将傳統🌂雙(shuāng)電極結構變(bian)換爲單電極(jí)結構,也就是(shì)把另一個電(dian)極作爲虛拟(ni)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻電極對待。通(tong)過控制勵磁(cí)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(shi)電極周圍,而(er)使虛拟電極(ji)處磁場🔱強度(dù)近似爲零,則(ze)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(shù)的這一理論(lun)用于電磁流(liú)量計測量導(dao)電液體的流(liú)量時🚶,如圖1所(suǒ)示,磁場由勵(lì)磁線圈産生(sheng),兩電極之間(jian)距離L便是導(dǎo)體長度,流體(ti)流速v就是導(dao)體運動速度(dù)。根據電🆚磁感(gǎn)應定律将在(zai)電極💯周圍形(xing)成磁場,而另(lìng)一個電極周(zhōu)圍形成的磁(ci)場可以忽略(lue)不計🔅,就可将(jiang)其視爲虛拟(nǐ)電極,從而實(shi)現單電極檢(jiǎn)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(xiàn)圈,通過控制(zhì)勵🔴磁信♌号和(hé)磁力線發射(she)角度,使磁力(lì)線分布密度(dù)不受管道材(cái)質、管道✍️直徑(jing)、插入管道深(shēn)度等外部條(tiáo)件的影響,保(bǎo)證了有效㊙️磁(ci)場的穩定,從(cóng)而大大提高(gāo)了測量精度(dù)。
2.2　傳感器的結(jié)構設計
　　傳感(gǎn)器是采集感(gǎn)應電動勢數(shù)據的關鍵部(bù)件,不僅要求(qiú)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻采☀️集數據準(zhun)确,抗幹擾能(néng)力強,而且還(hái)能長期🔱工作(zuò)在比較複雜(za)的⭐外部環境(jing)中。傳統的插(chā)入式流量計(ji)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(bu)磁力線分布(bu)發生了變化(hua),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(xing)插入式流量(liang)計利用拓普(pǔ)變換原理對(duì)傳感🏃器的結(jie)構進行重新(xin)設計。采用單(dān)電極,并将線(xiàn)圈分置于電(dian)極兩邊,控制(zhì)磁力線分布(bù)趨勢,使電極(ji)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(gao)🏃‍♂️精度的測♻️量(liàng),由于采用了(le)單電極結構(gou),使得傳感器(qì)密封空間得(dé)到了擴展,可(ke)将電極和端(duān)面固定在金(jin)屬基體上,使(shi)傳感器端面(mian)可打壓到25MPa,而(ér)耐溫180℃而不發(fā)生變形,确保(bǎo)了密封性。
2.3　智(zhi)能轉換器的(de)設計
　　智能轉(zhuan)換器主要是(shi)爲傳感器勵(li)磁線圈提供(gòng)勵磁電磁,同(tóng)✌️時接收傳感(gan)器電極檢測(ce)到的電信号(hao),通過中央處(chu)理器進行數(shù)⭕據的運算和(he)處理,然後進(jìn)行現場顯示(shì)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(yā)力、溫度、時間(jian)等進行🙇🏻顯🏃🏻示(shi),普通的LED不能(neng)滿足要求,故(gù)采用基于單(dān)片機的液晶(jīng)顯示産品更(gèng)加适合。
2)A/D轉換(huàn):采用A/D轉換器(qi)将流量、壓力(li)、溫度等這些(xie)模拟信🌈号輸(shū)入到顯示模(mó)塊單片機。
3)D/A轉(zhuan)換:選定12位的(de)D/A轉換器,該轉(zhuan)換器可與CPU直(zhi)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(she)計
　　該方法是(shi)先在RAM中建立(li)一個數據緩(huan)沖區,依順序(xu)存放N次采👨‍❤️‍👨樣(yàng)📞數據(即把N個(ge)測量數據看(kàn)成一個隊列(liè),隊列的長度(dù)固定🈲爲N)。然後(hou)每🌐采進一個(gè)新的數據,就(jiu)将📧新數據存(cun)入隊尾,同時(shí)将緩沖區中(zhōng)最早采集(隊(duì)首)的一個數(shù)據去掉。再求(qiu)出當前RAM緩沖(chong)區中的N個數(shù)據的算術平(ping)均值或加權(quan)平均值。這樣(yàng),每進行一次(ci)采樣,就可計(ji)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(zhí)🏒,大大加快了(le)數🏃‍♀️據處理能(neng)力。

　　假設環形(xíng)隊列的地址(zhi)爲40H～4FH,共16個單元(yuan),用R0作隊尾指(zhǐ)示,并且INPUTA爲新(xin)采💋樣數據處(chu)理子程序,子(zi)程序已将新(xīn)數據置入累(lèi)加器A中,其☔流(liu)程如圖3。
程序(xu)清單如下:



4　結束語(yǔ)
　　在國民經濟(jì)各行業的生(sheng)産中,普通導(dao)電液以及強(qiáng)📞酸,強堿等強(qiáng)🏃🏻‍♂️腐蝕液體和(hé)泥漿、礦漿、紙(zhi)漿等均勻液(yè)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼固兩相浮液(yè)體都需🏃‍♀️要進(jin)🐪行準确地流(liu)量計量。但是(shi)以往常常采(cai)用的渦街🌈式(shì)、葉輪式、渦流(liu)式、超聲波式(shi)等流量計或(huò)者因爲🌈測量(liàng)精度✂️低,或者(zhě)因爲價格高(gao)🈲,或者不能适(shi)☎️應惡劣環境(jìng)等等因素不(bú)⛷️能被用戶使(shǐ)♊用。近年來電(dian)磁流量計以(yi)其精度高、抗(kang)震性好、耐腐(fǔ)蝕等優勢脫(tuo)穎而出,智能(neng)插入式電磁(cí)流量計與普(pu)通的電磁流(liú)量計相✂️比由(yóu)于采用了單(dan)電極,使得傳(chuán)感器結構🔅可(ke)以做的很小(xiao),使用範圍可(ke)以擴大減小(xiǎo)了密封點,使(shi)可靠性增強(qiáng),保證了質量(liàng)。

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