一、低電壓微功耗電磁流量計(jì)的工作原理
任何一種電磁流量計(jì)都遵循著法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí),在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e。
與此相仿,在垂直于磁場方向放一個(gè)內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道,當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速u流動(dòng)時(shí),導(dǎo)電流體就切割磁力線。在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極,則兩電極之間即產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e,這就是電磁流量計(jì)測量導(dǎo)電液體體積流量的原理,如圖1所示。
電磁流量計(jì)的主要特點(diǎn):電磁流量計(jì)的變送器結(jié)構(gòu)簡單,沒有可動(dòng)部件,也沒有任何阻礙流體流動(dòng)的節(jié)流部件。電磁流量計(jì)是一種體積流量測量儀表,在測量過程中,不受被測介質(zhì)溫度、黏度、密度以及電導(dǎo)率(在一定范圍內(nèi))的影響。因此,只需經(jīng)水標(biāo)定以后,就可用來測量其他導(dǎo)電性液體的流量,而不需要作附加修正。電磁流量計(jì)的量程范圍極寬,并只與被測介質(zhì)的平均流速成正比,而與軸對稱分布下的流動(dòng)狀態(tài)(層流、湍流)無關(guān)。電磁流量計(jì)無機(jī)械慣性,反應(yīng)靈敏,可以測量瞬時(shí)脈動(dòng)流量,而且線性好。它可將測量信號直接用轉(zhuǎn)換器線性地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出,可現(xiàn)場指示,也可遠(yuǎn)距離傳送。
從上述特點(diǎn)可以看出,將電磁流量計(jì)進(jìn)一步開發(fā)成為低電壓微功耗電磁流量計(jì)是適宜的。但在低電壓微功耗狀態(tài)下,一般采用電池供電,要求在不更換電池的情況下能連續(xù)工作數(shù)年。這樣就得解決勵(lì)磁電路系統(tǒng)功耗大的問題,一方面要求減少勵(lì)磁電路系統(tǒng)功耗,另一方面要求得到足夠的流量信號(感應(yīng)電動(dòng)勢e)。要滿足這些要求必須在設(shè)計(jì)中解決好勵(lì)磁電路系統(tǒng)的變送器結(jié)構(gòu)問題。
二、勵(lì)磁電路系統(tǒng)變送器結(jié)構(gòu)分析
電磁流量計(jì)變送器主要由測量導(dǎo)管、勵(lì)磁系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。為了使傳感器穩(wěn)定可靠地工作,準(zhǔn)確地感受流量信號,在結(jié)構(gòu)上就必須認(rèn)真分析考慮。為了減少勵(lì)磁線圈消耗太多的電能,在導(dǎo)線的線徑和勵(lì)磁線圈的口徑方面,根據(jù)勵(lì)磁線圈磁場原理,制作了特殊的結(jié)構(gòu)來擴(kuò)大電極傳導(dǎo)電流面積。變送器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
三、勵(lì)磁信號的處理方法
電磁流量計(jì)的磁場是通過勵(lì)磁線圈來獲得的。目前,有直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁三種基本勵(lì)磁方式。其中,低頻方波勵(lì)磁又可分為二值方波勵(lì)磁、三值方波勵(lì)磁兩種形式。
特別是三值方波勵(lì)磁,它能夠很好地減弱正負(fù)周期之間所產(chǎn)生的相互干擾問題,另外,該流量計(jì)為了降低功耗借助勵(lì)磁涌流增強(qiáng)勵(lì)磁磁場強(qiáng)度,達(dá)到三值低頻方波勵(lì)磁的性能和效果,如圖3所示。
勵(lì)磁系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生一個(gè)工作磁場。根據(jù)管道截面積大小,該流量計(jì)選用了高磁導(dǎo)率的鐵氧體鐵芯結(jié)構(gòu),以較小的勵(lì)磁電流來獲得較強(qiáng)的磁場,勵(lì)磁電路盡量處于低功耗的運(yùn)行狀態(tài),并通過線圈中的軟鐵氧體鐵芯,增強(qiáng)導(dǎo)磁性和均勻分布磁力線。電極的作用是把被測介質(zhì)切割磁力線所產(chǎn)生的流量信號引出,它必須是非磁性導(dǎo)電材料,選用不銹鋼材料可耐一般酸堿鹽的腐蝕。
四、流量信號處理方法
整個(gè)電路組成如圖4所示。
圖4中的低功耗大規(guī)模集成電路MPU(Micro Pro- cessor Unit)微處理器,是由日本日立公司生產(chǎn)的6B68-0031。該芯片作為中央控制器設(shè)計(jì)方案,芯片中的CPU控制整個(gè)儀表的運(yùn)行,并完成儀表的全部功能,包括鍵盤和顯示部分;其與74HC02A和SL130組合,完成控制勵(lì)磁信號、存儲(chǔ)與運(yùn)算和儀表輸出部分信號等功能。
測量管段中的電極接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢,首先經(jīng)過可變增益前置放大器對接收到的微弱信號進(jìn)行放大,然后進(jìn)行**級信號放大,放大了的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入CPU微處理器,同時(shí)把處理的流量數(shù)據(jù)結(jié)果送至顯示器,另外,在智能化設(shè)計(jì)中CPU微處理器對外I/O接口電路中,以脈沖信號和數(shù)字信號(數(shù)據(jù)流)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
硬件設(shè)計(jì)中,主要在放大電路上采用了高性能的集成電路和**的設(shè)計(jì)思想,對強(qiáng)干擾背景下微弱信號的放大與A/D轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行了研究。采用了準(zhǔn)確度很高的雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換,對各種尖脈沖及交流工頻干擾有很好的消除作用。在軟件設(shè)計(jì)中,單片機(jī)采用省電模式工作,每次信號采集、運(yùn)算、顯示處理后等待中斷喚醒再進(jìn)行下一次的測量過程。
在模擬信號方面,實(shí)現(xiàn)(0~10)mA和(4~20)mA兩種模式的直流信號輸出。在顯示部分流量計(jì)設(shè)置有6位累計(jì)流量;同時(shí)設(shè)有瞬時(shí)流量、流量方向、空管報(bào)警、電池電量報(bào)警和過流報(bào)警等功能。
五、電磁流量計(jì)校驗(yàn)情況分析
下面列舉該電磁流量計(jì)在兩種條件下校驗(yàn)的結(jié)果:在實(shí)驗(yàn)室里,標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)臺(tái)為容積式標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)裝置,準(zhǔn)確度是±0.2%,以水為測量介質(zhì),校驗(yàn)流量計(jì)儀表口徑為DN100,校驗(yàn)臺(tái)容積罐為(2~5)m³,“流量-誤差”關(guān)系如圖5所示。
在使用現(xiàn)場,該流量計(jì)在線測量供水流量。檢測設(shè)備采用日本富士便攜式超聲波流量計(jì)作為比對表(該比對表通過國家水大流量檢測站校準(zhǔn),并取得了檢定證書),準(zhǔn)確度為±1.5%,對在線電磁流量計(jì)進(jìn)行比對,比對結(jié)果如表1所示。
六、結(jié)論
通過上述分析可以看出,隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源的需要,電池供電的電磁流量計(jì)在眾多流量測量儀表中,以其du有的特點(diǎn),在很多行業(yè)有著非常**的應(yīng)用。電池供電的電磁流量計(jì)在硬件和軟件設(shè)計(jì)方面都不同于交流供電的電磁流量計(jì)。該設(shè)計(jì)思路是流體力學(xué)理論和低功耗電子技術(shù)的成功結(jié)合,使儀表的設(shè)計(jì)更合理、性能更優(yōu)越、測量更精確,未來必將引起人們更大的重視。
智能鋰電池供電的電磁流量計(jì)產(chǎn)品圖
上一條：
電磁流量計(jì)在工程應(yīng)用中的案例分析
下一條：
智能電磁流量計(jì)在鋼鐵行業(yè)中的計(jì)量
