低電壓微功耗電磁流量計

  一、低電壓微功耗電磁流量計的工作原理
   任何一種電磁流量計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)動切割磁力線時, 在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e。與此相仿, 在垂直于磁場方向放一個內(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流動時, 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)電動勢e, 這就是電磁流量計測量導(dǎo)電液體體積流量的原理, 如圖1 所示。
   電磁流量計的主要特點(diǎn): 電磁流量計的變送器結(jié)構(gòu)簡單, 沒有可動部件, 也沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流部件。電磁流量計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狀態(tài)( 層流、湍流) 無關(guān)。電磁流量計無機(jī)械慣性, 反應(yīng)靈敏, 可以測量瞬時脈動流量, 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, 將電磁流量計進(jìn)一步開發(fā)成為低電壓微功耗電磁流量計是適宜的。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。這樣就得解決勵磁電路系統(tǒng)功耗大的問題, 一方面要求減少勵磁電路系統(tǒng)功耗, 另一方面要求得到足夠的流量信號( 感應(yīng)電動勢e) 。要滿足這些要求必須在設(shè)計中解決好勵磁電路系統(tǒng)的變送器結(jié)構(gòu)問題。
   二、勵磁電路系統(tǒng)變送器結(jié)構(gòu)分析
   電磁流量計變送器主要由測量導(dǎo)管、勵磁系統(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。為了減少勵磁線圈消耗太多的電能, 在導(dǎo)線的線徑和勵磁線圈的口徑方面, 根據(jù)勵磁線圈磁場原理, 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、勵磁信號的處理方法
   電磁流量計的磁場是通過勵磁線圈來獲得的。目前, 有直流勵磁、交流勵磁和低頻方波勵磁三種基本勵磁方式。其中, 低頻方波勵磁又可分為二值方波勵磁、三值方波勵磁兩種形式。特別是三值方波勵磁, 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, 該流量計為了降低功耗借助勵磁涌流增強(qiáng)勵磁磁場強(qiáng)度, 達(dá)到三值低頻方波勵磁的性能和效果, 如圖3所示。勵磁系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生一個工作磁場。根據(jù)管道截面積大小, 該流量計選用了優(yōu)質(zhì)的超高磁導(dǎo)率的鐵氧體鐵芯結(jié)構(gòu), 以較小的勵磁電流來獲得較強(qiáng)的磁場, 勵磁環(huán)保節(jié)能的低電壓微功耗電磁流量計圖1 電磁流量計工作原理簡圖圖2 電磁流量計結(jié)構(gòu)圖勵磁線圈電極極板測量管道勵磁鐵芯電極1 電極2 N S 感應(yīng)電動勢e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 Processor Unit) 微處理器, 是由日本日立公司生產(chǎn)的6B68- 0031。該芯片作為控制器設(shè)計方案, 芯片中的CPU控制整個儀表的運(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, 完成控制勵磁信號、存儲與運(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。在顯示部分流量計設(shè)置有6位累計流量; 同時設(shè)有瞬時流量、流量方向、空管報警、電池電量報警和過流報警等功能。五、電磁流量計校驗情況分析下面列舉該電磁流量計在兩種條件下校驗的結(jié)果: 在實驗室里, 標(biāo)準(zhǔn)校驗臺為容積式標(biāo)準(zhǔn)校驗裝置, 準(zhǔn)確度是±0.2%, 以水為測量介質(zhì), 校驗流量計儀表口徑為DN100, 校驗臺容積罐為( 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在眾多流量測量儀表中, 以其的特點(diǎn), 在很多行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用。電池供電的電磁流量計在硬件和軟件設(shè)計方面都不同于交流供電的電磁流量計。該設(shè)計思路是流體力學(xué)理論和低功耗電子技術(shù)的成功結(jié)合, 使儀表的設(shè)計更合理、性能更*、測量更精確, 未來必將引起人們更大的重視。表1 比對結(jié)果技術(shù)篇┃ 現(xiàn)代計量儀器與技術(shù)圖5 “流量- 誤差”關(guān)系圖4 電磁流量計電路結(jié)構(gòu)圖顯示器MPU 微處理器信號處理回路光電輸出回路勵磁回路A/D 轉(zhuǎn)換回路可變增益放大器電源回路前置放大器傳感器勵磁線圈圖3 低頻脈沖波形圖±5% ±2% q 流量δ--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站：