电磁流量计根据法拉第电磁感应定律原理制成,测量导电流体的体积流量,由于其独特优点,广 泛应用于腐蚀性介质、易燃易爆介质以及污水处理、化工、医药工业中各种浆液流量测量。在结构上, 电磁流量计由传感器和转换器两部分组成:传感器安装在工业过程管道上,将液体体积流量变换成感应 电势信号,并传输到转换器;转换器将传感器送来的流量信号进行放大,并转换成标准电信号输出,以 进行显示、累积和调节控制流量值。本文设计了一种新型的多电极电磁流量计,以低频三值方波励磁方 式,基于权函数理论进行流场速度分布重构,在转换器部分采用 VM1微处理器作为控制与计算单元,提 高了电磁流量计零点稳定性和测量准确性,实验证明该设计对于单相不对称流动与固 — 液两相流倾斜管 测量具有较高的精度与可靠性。
多电极电磁流量计系统设计
本文中阐述的多电极电磁流量计传感器部分的磁路系统采用 Helmholtz 线圈作为励磁线圈,激 励产生均匀磁场;内径 80mm 的非导磁材料聚甲醛树脂管段作为测量管组件; 16个不锈钢材质的电极 对阵列用来测量感应电势差:由于不锈钢价格经济且具备很高的抗腐蚀性及极低的相对磁导率,适合实 际工业领域的应用。
分体式多电极电磁流量计,传感器部分安装在测量管道,并采用不锈钢外壳设计,以屏蔽外界电 磁信号对测量截面处磁场的干扰,而转换器部分同样采用不锈钢外壳,提高了流量计的电磁兼容性,两 者之间由屏蔽线缆连接。
多电极电磁流量计转换器以 VM1微处理器为核心, 结合 I/O模块与前置面板模块 构成整个微处理器系统; 并设计前端电路建立与传感器之间的联系, 将控制信号经磁路系统转换后激励 H elmholtz 线圈,并将传感器中电极对之间获取的原始感应电压处理转换为适合单片机内部运算的数字信 号,输入 VM1进行速度重构和流量计算。
多电极电磁流量计转换器系统构成
励磁系统与信号处理电路设计
在实际应用中, 由 VM1微处理器内部发出两路数字信号, 经由 D/A转换器后转换为模拟信号 D AC0/1输入到励磁时序产生电路的比较器中,结合固态继电器网络产生三值方波电流信号,经由驱动电 路触发激励 Helmholtz 线圈*终得到低频三值方波的磁场,由此在电极对间获得同样时序的感应电压, 电磁流量计实际测量感应电压信号时序 S 1~S 4将一个激励周期分成 4个时间序列。
本设计采用多电极测量, 7对在管道内壁圆周处对称分布的电极采集感应电势差,因此,转换器 部分包含 7路布局严格对称、设计完全相同的信号处理电路。感应电压经电路处理后再由 A/D转换器转 换为数字信号送入微处理器。
由于在实际测量中, 电磁流量计感应电势差是一个微弱的交变信号, 1m/s的流速仅对应大约 0. 1mV 的电势差,且信号内阻很高,为 MΩ级,同时噪声信号很多,并存在零点漂移干扰,即一个不期望 的电压 U0,并且数值远远大于感应电势差 Uj (j=1, 2, … , 7)。根据感应电动势特点,信 号处理电路前端需要高倍差分放大电路设计(见图 2),而偏置补偿电路的作用就是将零点电压值 U 0实 时测量, 并反馈补偿至信号处理电路以消除零点漂移, 使感应电压不超出 A/D采样可接收的数值。 另外, 多级模拟滤波电路也消除了因磁场方向快速转换而产生的尖刺干扰电压并滤除纹波,消除矩形波的衰减。
图 2中(a ),(b )对比了实际测量的感应电压信号 Uj 与电路未经优化时取得的电压 U *j ,很 明显看出:设计合宜的信号处理电路可以大幅度改善感应电压信号的质量,保证电压幅值始终控制在 A/ D 采样范围内,并提供更长的有效采样时间,从而提高电磁流量计的测量精度。
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