电磁流量计三值方波励磁信号的励磁控制方案
发布日期:2017-10-05 08:36
电磁流量计广泛应用于各种导电液体的流量检测,励磁技术是电磁流量计中最关键的技术,经历了直流励磁、工频正弦励磁、低频矩形波励磁和低频三值矩形波励磁等几个阶段。本文将从电磁流量计的工作原理出发,进行励磁关键部分设计的阐述,并详细设计励磁控制电路的软硬件结构。
  1.1电磁流量计工作原理
  电磁流量计是用来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表,它根据法拉第电磁感应定律工作,能够把流速流量信号变换成感应电动势信号。法拉第电磁感应定律在电磁流量计中应用的公式如下:
  其中U为产生的感应电动势的大小,B为瞥道所在区域的匀强磁场大小,l为导电液体切割磁感线的长度(等效为管道内径D), V为液休流过的速度大小,可见在磁感应强度B和管道内径D确定的情况下,感应电动势L和流速V为线性关系,原理如图1所示。
  1.2励磁方式的选择
  电磁流量计的低频知形波励磁和低频二值知形波励磁叫以克服H.流励磁产生的电极极化效应等,而}}一也叫以克服止弦波励磁产生的止交十扰影}}向。低频二值知形波励磁方式叫以进行零点动态补偿,进步提iy电磁流量计的零点稳定性,此外,低频频二值知形波励磁方式与知形波方式相比有更低的励磁功率,所以,本文选择低频二值知形波作为电磁流量计的励磁信号。
  2励磁系统的硬件设计
  2.1系统设计分析
  般来说,电磁流量计的流速测量范围为0.01 m/s一15m/s,管径大小从15mm到400mm,这里选取管径大小D=80mm的电磁流量计进行模刑建立。同时,为了保持电磁流量计的感应电动势小能太小,以免造成后续信号处理,信号放大电路难以匹配,设定感应电动势数量级范围为:10-'-10-SV。因此,由公式(1) 可以求得,所需要的磁感应强度I3的范围为8.3 * 10-4——125*10-4,单位为T(1T=10'G s) 。
  通过上述分析,计算出在管径D=80mm,流速范围为0.01-15m/s时,所需要的磁感应强度大小为8.3-125Gs,同时,考虑到所需的I3小能太小,小然会造成小流速信号的无法测量,所以选定I3=80G、作为电磁流量计励磁电路的磁感应强度大小。
  2.2励磁线圈的设计
  理论计算证明:线圈间距等于线圈半径R时,两个线圈的介磁场在轴附近较大范围内是均匀的,这时线倦}称为Hchnholt:线圈,如图2所示。
  图3为COMSOL中,对Hchnholt线倦进行建模之后的磁场仿真,从图中也可以肴出其磁场分布的特点也是均匀的。根据利用霍尔效应法测量Helmh0ltz线圈空间磁场均匀区、实际测量中得到的大量数据,可以得出相对的经验公式,中间的均匀矩形区的范围为轴向0.7R.径向D.67R.
  2.3线圈参数的确定
  这样设计的线圈为一共32层,每层32根导线。这里,选择SWG22号线作为励磁线圈的原材料,外经D=0.776mm,铜芯横截面积S=0.4072mm2,直流电阻k=43.0Ω/Km。所以,线圈截面的长宽为:32*0.776=24.832mm。本文设计的线圈的尺寸参数如图4所示,为了匹配其它电路器件。可以计算出单个线圈长度、线圈的电阻值以及线圈两端的电压等物理参数分别为738.832m、31.77Ω和31.77V。
  2.4励磁电路的设计
  运用BP4610双极性直流电源的可编程功能能够输出三值矩形波的电压波形。程序输入方式采用分步界面式输入,根据产生一个三值矩形波的需要,设置相关参数后产生如5所示的三值方波。但是,BP4610 双极性直流电源价格昂贵,所以,本文采用Labjack -U12单片机与固态继电器构成开关系统,用以控制励磁电路中线圈电流的反相。
  利用四个固态继电器构成一个电流换向的开关组合系统,其中每两个继电器一组构成一路开关,每路开关的两个继电器的控制端采用并联,用Labjack -U12上的模拟输出口A0、A1以达到同时控制,开关端采用串联构成组合开关,如图6所示。
 
  A1、A2两个继电器为一组,控制端由LABJACK模拟输出口A0控制,A3、A4为一组,由模拟输出口A1控制。工作时,A0口输出合适的电压和电流驱动继电器A1、A2控制端,使开关A1、A2吸合,使线圈有右方向的电流导通,持续0.3秒以后,A0口停止输出0.5秒,此期间开关断开,线圈中无电流;然后控制A1口输出0.3秒,控制开关A3、A4闭合,这样线圈中就有了左方向的电路导通,0.3秒以后,停止输出0.5秒,然后重复上面步骤进行。这样我们就能得到一个正—零—负—零的电路状态,即是设计的励磁电路能够产生一个三值矩形波的励磁信号。
  Labjack U12有两个模拟电压输出端———AO0 和 AO1。其电压输出在0和电源电压(一般为+5伏)之间,具有10位分辨率。输出电压是线性的,精度一般为±5%。在 Labjack 中可以采用EAnalogOut或AOUpdate来输出电压,它们的执行时间为20ms。固态继电器(简称SSR)是采用固体半导体元件组装而成的一种新颖的无触点开关,由于它的接通和断开没有机械接触部件,因而其具有开关速度快,工作频率高,使用寿命长,噪声低和动作可靠等一系列优点,尤其适用于动作频繁的特殊场
  在前面对电磁流量计励磁电路的一些参数进行了确定,直流稳压电源采用32V,总干路电流2A,Labjack输出电压0~5V,输出的电流30mA。根据这些数据,选择合适的固态继电器来进行匹配。选型要求:开关电压大于 32V,开关电流大于2A,控制电压范围包括5V,控制电流范围小于30mA,并且考虑到需要输入的控制电流较低,需要采用双极性固态继电器。根据上述要求选用了Celduc公司生产的固态继电器,参数如表1所示
  3励磁系统的软件设计
  在软件设计中,分别用LABJACK -U12的EAnalogOut函数控制周期内的各个步骤,具体程序如下。
本文选用Labjack作为控制器,其模拟输出端口的输出电压和驱动电流分别是5V和30mA,Celduc公司的固态继电器需要的控制电压和驱动电流分别是3~16V和1~30mA,因此利用Labjack作为控制器,可以很好的驱动固态继电器,再选择合适的直流电源,就可以为电磁流量的线圈提供1A的电流,从而产生80高斯左右的磁场,可以很好地满足电磁流量计的试验需要,为电磁流量计的性能测试提供了一种性价比较高的途径。
本文作者的创新点在于,使用Labjack分辨率为10位的模拟量输出端口控制固态继电器的通断实现电磁流量计所需要的低频三值方波励磁信号,并在实际的实验中进行了应用。作者对本文版权全权负责,无抄袭。
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