摘要(yao):智能插入式電(dian)磁流量計 是一(yī)種應用法拉第(dì)電磁感應定律(lǜ)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(shuāng)電極結構變換(huàn)✉️爲單電極結構(gou),把另一個電極(ji)作爲虛拟電極(ji)對待,傳感器的(de)結✍️構采用單電(diàn)極,并将線圈分(fen)置于電極兩邊(bian),控制♈磁力線分(fèn)布趨勢,從而實(shi)現高穩定、可靠(kào)、高精度的測量(liàng),同時使傳感器(qì)密封空間得到(dao)擴展。
流量是一(yi)個動态量,流量(liàng)測量是一項複(fú)雜的技術。從被(bèi)測流體來說,包(bāo)括氣體、液體和(hé)混合流體這三(san)種具有不🏃同物(wu)理特性的流體(tǐ);從測量流體流(liú)量時的條件來(lái)說,又💚是多種📧多(duo)樣的,如測量時(shí)的溫度可以從(cóng)高溫到極低溫(wēn)🐉,測量時的⭕壓力(lì)可以從高壓到(dào)低壓;被測流量(liàng)的大小可以從(cóng)微小流量到大(dà)流量;被測流體(ti)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(tóng)等情況。因此,爲(wei)準确的測量流(liú)量,就必須研究(jiu)不同流體🐅在不(bú)同條件下的流(liu)量測量方法,并(bing)提供🍉相應的測(cè)量儀表。這是流(liu)量計量的主要(yào)工作之一。目前(qián)國外♋投入使用(yòng)👣的流量計有100多(duō)種,國内定型投(tóu)産的也有近20種(zhǒng)。
　　随着工業生産(chan)的自動化,管道(dào)化的發展,流量(liàng)儀表在整個儀(yí)表生産中所占(zhàn)比重越來越大(dà)。據國内外資料(liao)表明🍉,在不同的(de)工業部門中所(suo)使用的流量儀(yí)表占整個儀表(biao)總數的15%～30%。随着流(liu)量儀表的迅猛(měng)發展,流量标準(zhǔn)裝置也得到較(jiao)快發展,流量量(liang)值傳遞網🧑🏽‍🤝‍🧑🏻絡已(yǐ)經形成。目前水(shuǐ)、油、氣❗、蒸汽高精(jīng)度的流量标準(zhun)裝置已在國家(jiā)、省市計量機構(gòu)💯建立,确保其流(liu)量量🐆值傳遞的(de)準确一緻。盡管(guan)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(liàng)♊提出更新更高(gao)的要求,流量計(ji)🚶量的現況遠不(bú)能滿足生産的(de)需要,還有大量(liang)👄的流量計量技(ji)🏃🏻‍♂️術問題有🏃🏻‍♂️待進(jin)一步研究解決(jue)。
1　智能插入式電(diàn)磁流量計的工(gong)作原理
　　電磁流(liu)量計是一種應(yīng)用法拉第電磁(ci)感應定律的流(liu)量計。流💯量計的(de)測量管是内襯(chèn)絕緣材料的非(fei)導🐇磁合金短管(guan)。兩🔅隻電極沿♉管(guǎn)徑方向貫通管(guan)壁固定在測量(liàng)管上,其電極頭(tóu)與内表面基本(běn)平齊。勵磁線圈(quān)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(sheng)一磁通密度爲(wei)B的工作磁場。此(cǐ)時,如果具有一(yi)定電導率的流(liú)體流經測量管(guan),将切割磁力線(xian)感應出電動勢(shi)E。電動勢E正比于(yú)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(bìng)通過電纜這至(zhì)轉換器。轉換器(qì)将流量🥰信号放(fang)大處理後,可顯(xiǎn)示流量、總量,并(bing)能輸出模拟、脈(mò)沖🐪等信号,用于(yu)流量的控制與(yǔ)調節[1-3]。
E=kBdv
式中:
E-爲電(dian)極間的信号電(dian)壓(V);
B-爲磁通密度(dù)(T);
d-爲測量管内徑(jing)(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(ze)由E=kBdv可知🙇🏻,體積流(liu)量Q與信号電壓(ya)E成正比,即流速(su)感應的📱信号電(diàn)壓E與體積Q成線(xian)性關系。因此,隻(zhi)要測量出E就可(kě)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(liú)量計是在“法拉(la)第電磁感應定(dìng)律”應用方面💞進(jìn)行☂️了創新🈲,依據(jù)“拓普變換”原理(li)對傳感器進行(háng)創新設計。将傳(chuán)統雙電極結構(gou)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(dui)✨待。通過控制勵(lì)磁電流和線圈(quan)的分布位置,使(shǐ)其産生的磁場(chǎng)穩定地分布在(zai)真實電極周圍(wei),而使虛拟電極(jí)處磁場㊙️強度近(jin)似爲❗零,則感應(ying)出的電動勢很(hěn)小,可以忽略🛀🏻不(bú)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(ce)量導電液體的(de)流量時,如圖1所(suo)示,磁場由勵磁(ci)線圈産生,兩電(dian)極之間距離L便(bian)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(ding)律将在電極周(zhōu)圍形成磁場,而(ér)另一個電極周(zhōu)圍形成的磁場(chǎng)可以忽略不計(ji)⛹🏻‍♀️,就可将其視爲(wei)虛拟電極,從而(er)實現單電極檢(jiǎn)測流速,如圖2所(suǒ)示。


　　在電極(jí)方面由于采用(yong)了單電極雙線(xiàn)圈,通過控制勵(lì)磁信号和磁力(li)線發射角度,使(shi)磁力線分布密(mi)度不受管道材(cái)質🏃、管道直徑、插(chā)入管道深度等(deng)外部條件的影(ying)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(ji)感應電動勢數(shù)據的關鍵部件(jiàn),不僅要求采集(ji)數⛷️據準确,抗幹(gàn)擾能力強,而且(qie)還能長期🙇‍♀️工作(zuo)在比較複雜的(de)外部環境中。傳(chuan)統的插入式流(liu)量計由于安裝(zhuāng)的管道🔆材質、管(guǎn)😍道的直徑等等(deng)外部條件的變(bian)化,使得傳⛹🏻‍♀️感器(qi)内部磁力線分(fèn)布發生了♋變化(huà),磁場強度也發(fa)生了🔞變化,引起(qi)了測量誤差[4-5]。
　　智(zhì)能型插入式流(liú)量計利用拓普(pu)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(sui)外部條件的變(biàn)化而變化,從而(er)實現高穩定、高(gao)可靠、高精度的(de)測量,由于采用(yòng)了單電⭕極結構(gòu),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(kě)打壓到25MPa,而耐溫(wēn)180℃而不發生變形(xing),确保了密封性(xìng)。
2.3　智能轉換器的(de)設計
　　智能轉換(huàn)器主要是爲傳(chuán)感器勵磁線圈(quān)提供勵磁電磁(cí),同時接收傳感(gan)器電極檢測到(dao)的電信号,通過(guò)中央處理器進(jin)行數據的運算(suàn)和處理,然後進(jin)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(shì):顯示屏需對流(liú)量、累計流量、壓(yā)力、溫度、時間等(deng)⛷️進行顯示,普通(tōng)的LED不能滿足要(yào)求,故采用基于(yu)單片機的液晶(jing)顯示産品更加(jia)适合。
2)A/D轉換:采用(yòng)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(xuan)定12位的D/A轉換器(qì),該轉換器可與(yu)CPU直接相連,以減(jiǎn)少🈲硬件占用空(kong)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(lì)一個數據緩沖(chòng)區,依順序存放(fàng)N次采樣數據(即(ji)把N個測量數據(ju)看成一個隊列(liè),隊💞列的長度💞固(gù)定爲N)。然♊後每采(cai)進一個新的數(shù)據,就将新數據(jù)🔞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(huǎn)沖區中的N個數(shù)據👄的算術平均(jun1)值或加權平均(jun1)值。這樣,每進行(háng)一次采😍樣,就可(kě)計算出一個新(xin)的平均值,即測(cè)量數據取一👨‍❤️‍👨丢(diu)一,測量🐇一次便(bian)計算一次平均(jun1)值,大大加快了(le)數據🈲處理能力(li)。

　　假設環形隊列(lie)的地址爲40H～4FH,共16個(ge)單元,用R0作隊尾(wěi)指示,并⚽且INPUTA爲♌新(xīn)采樣數據處理(lǐ)子程序,子程序(xu)已将新數據置(zhi)入累🚩加器A中,其(qí)流程㊙️如圖3。
程序(xu)清單如下:



4　結束語(yǔ)
　　在國民經濟各(gè)行業的生産中(zhōng),普通導電液以(yi)及強酸,強堿等(děng)強腐蝕液體和(he)泥漿、礦漿、紙漿(jiang)等均勻液🐪固兩(liang)相浮液體都需(xu)⭕要進行準确地(dì)流量計量。但是(shì)以往常🤞常采用(yòng)👌的渦街式、葉輪(lún)式、渦流式、超聲(shēng)波式🌈等流量計(ji)或者因爲測量(liàng)精度低,或者因(yīn)爲價格高💃🏻,或者(zhe)不能适應惡劣(liè)環境等等因素(su)不💚能被用戶使(shi)🔴用。近年來電磁(cí)流量計以其精(jīng)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(yòng)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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