摘要(yao):智能插入式電磁(ci)流量計 是一種應(yīng)用法拉第電磁感(gan)應定律的流量計(ji)。依據“拓普變♌換”原(yuan)理對傳感器進行(háng)設計。将傳統雙電(dian)極結構變換🌐爲單(dān)電極結構,把另一(yī)個電極作爲虛拟(ni)㊙️電極對待,傳感😄器(qì)的結構采用單電(diàn)極,并将線圈分置(zhì)于電極兩邊,控制(zhì)🐅磁力線分布趨勢(shi),從而實現高穩定(ding)、可靠、高精度的測(cè)量🏒,同時使傳感器(qì)密封空間得到擴(kuò)展。
流量是一個動(dòng)态量,流量測量是(shi)一項複雜的技術(shù)。從被測流體🌏來說(shuo),包括氣體、液體和(he)混合流體這三種(zhǒng)具有不同物理特(te)性的😍流體;從測量(liang)流體流量時的條(tiao)件🎯來說,又❤️是多種(zhǒng)多樣的,如測量時(shi)的溫度可以從高(gao)溫到極低溫,測量(liang)時的壓力可以從(cong)高壓到低壓;被測(ce)流量的大小可以(yi)從微小流量到大(dà)流量;被測流體的(de)流動狀态可以是(shì)層流、紊流等等。此(ci)外👌就液體而言,還(hai)存在粘度大小不(bú)同等情況。因此,爲(wèi)📧準确的測量流量(liàng),就必須研究不同(tóng)流體✂️在不同條⚽件(jian)下的流量測量方(fang)法,并提供相應的(de)測量儀表。這❓是流(liú)量計量的主要工(gōng)作⛱️之一。目前國外(wai)投入使用的流量(liàng)計有100多種,國内定(ding)型🔞投産的也有近(jìn)20種。
　　随着工業生産(chǎn)的自動化,管道化(hua)的發展,流量儀表(biǎo)🌍在整個儀表生産(chǎn)中所占比重越來(lái)越大。據國内外資(zī)料🐅表明,在不同的(de)工業部門中所使(shi)用的流量儀🤟表占(zhan)整個儀表總數的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻15%～30%。随着流量儀表的(de)迅猛發展,流量标(biao)準裝置也得到較(jiao)快發展,流量量值(zhí)傳遞網絡已經形(xíng)成。目前水、油、氣、蒸(zheng)汽高精度的流量(liang)标準💯裝置已在國(guo)家、省市計量機構(gou)建立,确保其流量(liang)量值傳遞的❤️準确(que)一緻。盡管🆚如此,由(you)于流量測量技術(shù)的複雜化,以及科(ke)學技術的迅速發(fā)展向流量計量提(ti)出更新更高的要(yao)求,流量計量的現(xiàn)況遠不能滿足生(sheng)産的需要,還🏃🏻有大(da)量的流量計量技(jì)術問題有待進一(yī)步研♍究解決。
1　智能(neng)插入式電磁流量(liang)計的工作原理
　　電(dian)磁流量計是一種(zhǒng)應用法拉第電磁(cí)感應定律的流量(liàng)🚩計。流量計的測量(liàng)管是内襯絕緣材(cai)料的非導🔞磁合金(jin)短管。兩📧隻電極沿(yan)🔴管徑方向貫通管(guan)壁固定在測量管(guǎn)上,其電極頭❄️與内(nei)表面基本平齊。勵(lì)磁線圈由雙向脈(mò)沖勵磁時,将在與(yu)測量管軸線垂直(zhi)的方向上産生一(yi)磁通密度爲B的工(gong)作磁場。此時,如果(guo)具有一定電導率(lǜ)的流體流經測量(liàng)管,将切割磁力線(xiàn)感應出電動勢E。電(dian)動勢E正比于磁通(tōng)密度B、測量管🚩内徑(jing)D與平均流速的💘乘(chéng)積、電動勢E(電流信(xin)号)由電極檢出并(bìng)通過電纜這至轉(zhuǎn)換器。轉換器将流(liu)量信号放大處理(li)後,可顯示流量、總(zong)量,并能輸出模拟(ni)、脈沖等信号,用于(yú)流量的控制與調(diào)節[1-3]。
E=kBdv
式中:
E-爲電極間(jiān)的信号電壓(V);
B-爲磁(ci)通密度(T);
d-爲測量管(guǎn)内徑(m);
v-爲平均流速(su)(m/s).
　　K,d爲常數,由于勵磁(cí)電流是恒流的,故(gu)B也是常數,則由E=kBdv可(ke)知👅,體積流量Q與信(xin)号電壓E成正比,即(ji)流速感應的信号(hao)❤️電壓E與體積Q成♊線(xian)性🌈關系。因此,隻要(yao)測量出E就可确定(dìng)流量Q,這就是電🌈磁(ci)流量👌計的基本工(gong)作原理。
2　儀表的硬(yìng)件設計
2.1　儀表的電(dian)極設計
　　電磁流量(liàng)計是在“法拉第電(dian)磁感應定律”應用(yòng)方面進行了創新(xīn)🔴,依據“拓普變換”原(yuan)理對傳感器進行(hang)創新設計。将傳統(tǒng)雙電極結構變換(huàn)爲單電極結構,也(ye)‼️就是把另一個電(diàn)極作🔞爲虛拟電極(jí)對待。通過控制🌍勵(li)磁電流和線圈的(de)🐉分布位置,使其産(chǎn)生的磁場穩💰定地(di)分布在☂️真實電極(jí)周👣圍,而使虛拟電(dian)極處磁場強度近(jin)似爲零,則感應出(chū)的電動勢很小,可(ke)以忽略不計,故隻(zhi)留一個電極。
　　将上(shàng)述的這一理論用(yong)于電磁流量計測(cè)量導電液體的流(liú)量㊙️時,如圖1所示,磁(ci)場由勵磁線圈産(chan)生,兩電⛷️極之間距(ju)離L便是導體長度(du),流體流速v就是導(dao)體運動速度。根據(jù)電磁感應定律将(jiāng)在電極🙇🏻周圍形成(cheng)磁場,而另一個電(diàn)極周圍形成的磁(cí)場可以忽略不計(ji)🥵,就可将其視爲虛(xū)拟電極,從而實現(xian)單電極檢測流速(sù),如圖2所示。


　　在電極方面由于(yú)采用了單電極雙(shuang)線圈,通過控制勵(li)磁信号♉和磁力線(xiàn)發射角度,使磁力(li)線分布密度不受(shòu)管道材質、管道直(zhí)徑、插入管道深度(du)等外部條件的影(yǐng)響,保證了有效磁(ci)場的穩定,從而大(da)大提高了測量精(jīng)度。
2.2　傳感器的結構(gòu)設計
　　傳感器是采(cǎi)集感應電動勢數(shù)據的關鍵部件,不(bu)僅要求采集數據(ju)準确,抗幹擾能力(lì)強,而且還能長期(qi)工作在比較複🏒雜(za)的⭐外部環境中。傳(chuán)統的插入式流量(liang)計由于安裝✊的管(guǎn)道材質、管道的直(zhí)徑等等外部條件(jiàn)的變化,使得傳感(gan)器内部磁力線分(fen)布發生了🧡變化,磁(ci)場強度也發生了(le)變化,引起了測量(liang)誤差[4-5]。
　　智能型插入(rù)式流量計利用拓(tuo)普變換原理對傳(chuán)感🥵器📞的結構💃🏻進行(hang)重新設計。采用單(dān)電極,并将線圈分(fen)置于電極兩邊🙇🏻,控(kong)制磁力🤞線分布趨(qu)勢,使電極周圍🙇‍♀️的(de)磁場強度不随外(wai)部條件的變化而(ér)變化,從而實現高(gāo)穩定、高可靠、高精(jing)度的測✍️量,由于采(cai)用了單電🧑🏽‍🤝‍🧑🏻極結構(gòu),使得傳感器密封(feng)空間得到了擴展(zhǎn),可将電極和端面(miàn)固定在金屬基體(ti)上,使傳感器端面(miàn)可打壓到25MPa,而耐溫(wen)180℃而不發生變形,确(que)保了❄️密封性。
2.3　智能(néng)轉換器的設計
　　智(zhì)能轉換器主要是(shi)爲傳感器勵磁線(xiàn)圈提供勵磁🤩電♈磁(ci)🐕,同時📐接收傳感器(qi)電極檢測到的電(diàn)信号,通過中央處(chu)理器進行數據的(de)運算和處理,然後(hou)進行現場顯示🚶‍♀️和(hé)遠程通信[6-7]。
2.4顯示部(bù)分設計
1)LCD顯示:顯示(shi)屏需對流量、累計(ji)流量、壓力、溫度、時(shi)間等進行💰顯☎️示,普(pǔ)通的LED不能滿足要(yào)求,故采用基于單(dān)片機的液晶🌈顯示(shì)産品更加适合。
2)A/D轉(zhuan)換:采用A/D轉換器将(jiāng)流量、壓力、溫度等(deng)這些模拟信号輸(shū)入㊙️到顯示模塊單(dan)片機。
3)D/A轉換:選定12位(wèi)的D/A轉換器,該轉換(huan)器可與CPU直接相連(lián),以減少硬件🙇‍♀️占用(yòng)空間。D/A轉換器将完(wan)成4～20mADC信号。
3　數字濾波(bo)設計
　　該方法是先(xiān)在RAM中建立一個數(shù)據緩沖區,依順序(xu)存放N次采樣數據(ju)(即把N個測量數據(jù)看成一個隊列,隊(dui)列的長度固定爲(wei)N)。然㊙️後每采進一個(gè)新的數據,就将新(xīn)數據🔴存入隊尾,同(tong)時将緩沖區中最(zui)早采集(隊首)的一(yī)個數據去掉。再求(qiú)出當前RAM緩沖區中(zhōng)的N個數據的算術(shù)平均⭐值或加權平(píng)均值。這樣,每👌進行(háng)一次采🔴樣,就可計(ji)算出一個新的平(ping)均值,即測量數據(jù)取一丢一,測量♉一(yī)次便計算一次平(píng)均值,大大加快了(le)數據處理能力。

　　假(jia)設環形隊列的地(di)址爲40H～4FH,共16個單元,用(yong)R0作隊尾指示,并且(qie)INPUTA爲新采樣數據處(chù)理子程序,子程序(xù)已将新數據置入(rù)累加器A中,其流程(cheng)如圖3。
程序清單如(ru)下:



4　結束語
　　在(zai)國民經濟各行業(yè)的生産中,普通導(dǎo)電液以及強酸,強(qiáng)💁堿等強腐蝕液體(ti)和泥漿、礦漿、紙漿(jiang)等均勻液固兩相(xiang)浮液體都需要進(jìn)🛀🏻行準确地流量計(jì)量。但是☀️以往常常(chang)采用的渦街🏃🏻式、葉(ye)輪🏃‍♀️式、渦流式、超聲(sheng)波式等流量計或(huo)者因爲測量精度(dù)低,或者因爲價格(gé)高,或者不能适應(ying)惡劣環境等等因(yin)素不能被用戶使(shi)用。近年來電👣磁🔴流(liú)量計以其精度高(gāo)、抗震性好、耐腐💯蝕(shí)等優勢脫穎而出(chu),智能插入式電磁(ci)流量計與普🈲通的(de)電磁流量計相比(bi)由于采用了單電(diàn)極,使得傳🍉感器結(jie)構可以做的很小(xiao),使用範圍可以擴(kuo)大減小❓了密封點(dian),使可靠性增強,保(bǎo)證了質量。

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