摘(zhai)要:智(zhi)能插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計 是(shi)一種(zhong)應用(yong)法拉(la)第電(dian)磁感(gan)應定(ding)律的(de)流量(liang)計。依(yi)據“拓(tuo)普變(bian)換”原(yuan)⭐理對(dui)傳感(gan)器進(jin)行設(she)計。将(jiang)傳統(tong)雙電(dian)極結(jie)構變(bian)換爲(wei)單電(dian)極🔆結(jie)構☔,把(ba)另一(yi)個電(dian)極作(zuo)爲虛(xu)拟電(dian)極對(dui)待,傳(chuan)感器(qi)的結(jie)構采(cai)用單(dan)電極(ji),并将(jiang)線圈(quan)分置(zhi)于電(dian)極🈲兩(liang)邊,控(kong)制磁(ci)力線(xian)分🥰布(bu)趨勢(shi),從而(er)實現(xian)高😘穩(wen)定、可(ke)靠、高(gao)精度(du)的測(ce)量,同(tong)時使(shi)傳感(gan)💛器密(mi)封空(kong)間得(de)到擴(kuo)展。
流(liu)量是(shi)一個(ge)動态(tai)量,流(liu)量測(ce)量是(shi)一項(xiang)複雜(za)的技(ji)術。從(cong)😍被測(ce)✉️流體(ti)來說(shuo),包括(kuo)氣體(ti)、液體(ti)和混(hun)合流(liu)體這(zhe)三種(zhong)具✍️有(you)不同(tong)物理(li)特性(xing)的流(liu)體;從(cong)測量(liang)流體(ti)流量(liang)時的(de)條件(jian)來說(shuo),又是(shi)多種(zhong)多樣(yang)的👨‍❤️‍👨,如(ru)測量(liang)時的(de)溫度(du)可🏃🏻‍♂️以(yi)從高(gao)溫到(dao)極低(di)溫,測(ce)量時(shi)的壓(ya)力可(ke)以從(cong)高壓(ya)到💚低(di)壓;被(bei)測流(liu)量的(de)大小(xiao)可以(yi)從微(wei)小流(liu)量到(dao)大流(liu)量;被(bei)測流(liu)體的(de)流動(dong)狀态(tai)可以(yi)是層(ceng)流、紊(wen)流等(deng)等。此(ci)外就(jiu)液體(ti)而言(yan),還存(cun)在粘(zhan)度大(da)小不(bu)同等(deng)情況(kuang)。因此(ci),爲準(zhun)确的(de)測量(liang)流量(liang),就必(bi)須研(yan)究不(bu)同流(liu)體在(zai)不同(tong)條件(jian)下的(de)流🎯量(liang)測量(liang)方法(fa),并提(ti)供🏃相(xiang)應的(de)測量(liang)儀表(biao)。這是(shi)流量(liang)計量(liang)的主(zhu)⛹🏻‍♀️要工(gong)作之(zhi)一。目(mu)前國(guo)外投(tou)入使(shi)用⭐的(de)流量(liang)計有(you)100多種(zhong),國内(nei)定🈚型(xing)投産(chan)的也(ye)有近(jin)20種。
　　随(sui)着工(gong)業生(sheng)産的(de)自動(dong)化,管(guan)道化(hua)的發(fa)展,流(liu)量儀(yi)表在(zai)😍整個(ge)儀表(biao)生産(chan)中所(suo)占比(bi)重越(yue)來越(yue)大。據(ju)國内(nei)外資(zi)料表(biao)明,在(zai)不同(tong)的工(gong)業部(bu)門中(zhong)所使(shi)用的(de)流量(liang)儀表(biao)占整(zheng)個儀(yi)表總(zong)數的(de)15%～30%。随着(zhe)流量(liang)儀表(biao)的迅(xun)猛發(fa)展,流(liu)量标(biao)準裝(zhuang)置也(ye)得到(dao)較快(kuai)發展(zhan),流量(liang)量值(zhi)傳遞(di)網絡(luo)已經(jing)形成(cheng)💘。目前(qian)水、油(you)、氣、蒸(zheng)汽高(gao)精度(du)的流(liu)量标(biao)準裝(zhuang)置已(yi)在國(guo)家、省(sheng)市計(ji)量機(ji)構建(jian)立,确(que)保其(qi)流量(liang)量值(zhi)傳遞(di)的準(zhun)确一(yi)緻。盡(jin)管🆚如(ru)此,由(you)于流(liu)量測(ce)量技(ji)術的(de)複雜(za)化,以(yi)及科(ke)學技(ji)術的(de)迅速(su)發展(zhan)向流(liu)量計(ji)量提(ti)出更(geng)新更(geng)高的(de)要求(qiu)🆚,流量(liang)計量(liang)的現(xian)況遠(yuan)不能(neng)滿🙇🏻足(zu)生産(chan)的需(xu)要,還(hai)👅有大(da)量的(de)流量(liang)計量(liang)技術(shu)問題(ti)有待(dai)進一(yi)步研(yan)究解(jie)決。
1　智(zhi)能插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計的(de)工作(zuo)原理(li)
　　電磁(ci)流量(liang)計是(shi)一種(zhong)應用(yong)法拉(la)第電(dian)磁感(gan)應定(ding)律的(de)流量(liang)計❓。流(liu)♍量計(ji)的測(ce)量管(guan)是内(nei)襯絕(jue)緣材(cai)料的(de)非導(dao)磁合(he)金短(duan)管。兩(liang)隻電(dian)☎️極沿(yan)管徑(jing)方向(xiang)貫通(tong)管壁(bi)固定(ding)在測(ce)量管(guan)上,其(qi)♋電極(ji)頭✨與(yu)内表(biao)🌈面基(ji)本平(ping)齊。勵(li)磁線(xian)圈由(you)雙向(xiang)脈沖(chong)勵磁(ci)時,将(jiang)在與(yu)測量(liang)管軸(zhou)線垂(chui)直的(de)方向(xiang)上産(chan)生一(yi)磁通(tong)密度(du)爲B的(de)工作(zuo)磁場(chang)。此時(shi),如果(guo)具有(you)一定(ding)電✍️導(dao)率的(de)流體(ti)流經(jing)測量(liang)管,将(jiang)切割(ge)💋磁力(li)線感(gan)應出(chu)電動(dong)勢💯E。電(dian)動勢(shi)♋E正比(bi)于磁(ci)通密(mi)度B、測(ce)量管(guan)内徑(jing)D與平(ping)均流(liu)速的(de)💚乘積(ji)、電動(dong)勢E(電(dian)流👈信(xin)号)由(you)電極(ji)🥵檢出(chu)并通(tong)❤️過電(dian)纜這(zhe)至轉(zhuan)換器(qi)。轉換(huan)器将(jiang)流量(liang)信号(hao)放大(da)處理(li)後,可(ke)顯示(shi)流量(liang)、總量(liang),并能(neng)輸出(chu)模拟(ni)、脈沖(chong)等信(xin)号,用(yong)于流(liu)量的(de)控制(zhi)與調(diao)節[1-3]。
E=kBdv
式(shi)中:
E-爲(wei)電極(ji)間的(de)信号(hao)電壓(ya)(V);
B-爲磁(ci)通密(mi)度(T);
d-爲(wei)測量(liang)管内(nei)徑(m);
v-爲(wei)平均(jun)流速(su)(m/s).
　　K,d爲常(chang)數,由(you)于勵(li)磁電(dian)流是(shi)恒流(liu)的,故(gu)B也是(shi)常數(shu),則由(you)E=kBdv可知(zhi),體積(ji)流量(liang)Q與信(xin)号電(dian)壓E成(cheng)正比(bi),即流(liu)速感(gan)應的(de)信号(hao)電壓(ya)E與體(ti)積Q成(cheng)線性(xing)🌏關系(xi)。因此(ci),隻要(yao)測量(liang)出E就(jiu)可确(que)定⭐流(liu)量Q,這(zhe)🔱就是(shi)電磁(ci)流量(liang)計的(de)基本(ben)工作(zuo)原理(li)♌。
2　儀表(biao)的硬(ying)件設(she)計
2.1　儀(yi)表的(de)電極(ji)設計(ji)
　　電磁(ci)流量(liang)計是(shi)在“法(fa)拉第(di)電磁(ci)感應(ying)定律(lü)”應用(yong)方面(mian)進行(hang)了創(chuang)🎯新,依(yi)據“拓(tuo)普變(bian)換”原(yuan)理對(dui)傳感(gan)器進(jin)行創(chuang)新設(she)計。将(jiang)傳統(tong)👌雙電(dian)極結(jie)構變(bian)換爲(wei)單電(dian)極結(jie)構,也(ye)就是(shi)把💛另(ling)一個(ge)電極(ji)作爲(wei)虛拟(ni)電極(ji)對待(dai)。通過(guo)控制(zhi)勵磁(ci)電流(liu)和線(xian)圈的(de)分布(bu)位置(zhi),使其(qi)産生(sheng)的磁(ci)場穩(wen)定地(di)分布(bu)在真(zhen)實電(dian)極周(zhou)圍,而(er)使虛(xu)拟🐇電(dian)極處(chu)磁場(chang)強度(du)近似(si)爲零(ling),則感(gan)應出(chu)的電(dian)動勢(shi)很小(xiao),可以(yi)🚶‍♀️忽略(lue)不計(ji),故隻(zhi)留一(yi)個電(dian)極。
　　将(jiang)上述(shu)的這(zhe)一理(li)論用(yong)于電(dian)磁流(liu)量計(ji)測量(liang)導電(dian)液體(ti)的流(liu)量🔆時(shi),如圖(tu)1所示(shi),磁場(chang)由勵(li)磁線(xian)圈産(chan)生,兩(liang)電極(ji)之🔞間(jian)距離(li)L便是(shi)導體(ti)長度(du),流體(ti)流速(su)v就是(shi)導體(ti)運動(dong)速度(du)。根據(ju)電磁(ci)感應(ying)定律(lü)将在(zai)電極(ji)周圍(wei)形成(cheng)磁場(chang),而另(ling)一個(ge)電極(ji)周圍(wei)形成(cheng)的磁(ci)場可(ke)以❓忽(hu)略不(bu)計👄,就(jiu)可将(jiang)其視(shi)爲虛(xu)拟電(dian)極🌂,從(cong)而實(shi)現單(dan)電極(ji)檢測(ce)流⛱️速(su),如圖(tu)2所示(shi)。


　　在電(dian)極方(fang)面由(you)于采(cai)用了(le)單電(dian)極雙(shuang)線圈(quan),通過(guo)控制(zhi)勵磁(ci)信号(hao)和磁(ci)力線(xian)發射(she)角度(du),使磁(ci)力線(xian)分布(bu)密度(du)不受(shou)管道(dao)材質(zhi)、管道(dao)直徑(jing)、插入(ru)管道(dao)深度(du)等外(wai)部條(tiao)件的(de)影響(xiang),保證(zheng)了有(you)效磁(ci)場的(de)穩定(ding),從而(er)大大(da)提高(gao)了測(ce)量精(jing)度。
2.2　傳(chuan)感器(qi)的結(jie)構設(she)計
　　傳(chuan)感器(qi)是采(cai)集感(gan)應電(dian)動勢(shi)數據(ju)的關(guan)鍵部(bu)件,不(bu)僅📧要(yao)☔求㊙️采(cai)💜集數(shu)據準(zhun)确,抗(kang)幹擾(rao)能力(li)強,而(er)且還(hai)能長(zhang)期㊙️工(gong)作在(zai)比較(jiao)複雜(za)的外(wai)部環(huan)境中(zhong)。傳統(tong)的插(cha)入式(shi)流💰量(liang)計由(you)于安(an)裝的(de)管道(dao)材質(zhi)、管道(dao)的直(zhi)徑等(deng)等外(wai)部條(tiao)件的(de)變化(hua),使得(de)傳♌感(gan)器内(nei)部磁(ci)力線(xian)分🐪布(bu)發生(sheng)了變(bian)化,磁(ci)場強(qiang)度也(ye)發生(sheng)了變(bian)化,引(yin)起了(le)測量(liang)誤差(cha)[4-5]。
　　智能(neng)型插(cha)入式(shi)流量(liang)計利(li)用拓(tuo)普變(bian)換原(yuan)理對(dui)傳感(gan)⁉️器的(de)結⭐構(gou)進❌行(hang)重新(xin)設計(ji)。采用(yong)單電(dian)極,并(bing)将線(xian)圈分(fen)置于(yu)電極(ji)💯兩邊(bian)🚩,控制(zhi)磁力(li)線分(fen)布趨(qu)勢,使(shi)電極(ji)周圍(wei)的磁(ci)場強(qiang)度不(bu)随外(wai)部條(tiao)件的(de)變化(hua)而變(bian)化,從(cong)而實(shi)現高(gao)穩定(ding)、高可(ke)靠、高(gao)精度(du)的測(ce)👣量,由(you)于采(cai)用了(le)單電(dian)極結(jie)構,使(shi)得傳(chuan)感器(qi)密封(feng)空間(jian)得到(dao)了擴(kuo)展,可(ke)将電(dian)極和(he)端面(mian)固定(ding)🥰在金(jin)屬基(ji)體上(shang),使傳(chuan)感器(qi)端面(mian)可打(da)壓到(dao)25MPa,而耐(nai)溫180℃而(er)不發(fa)生變(bian)⛹🏻‍♀️形,确(que)保了(le)密封(feng)性。
2.3　智(zhi)能轉(zhuan)換器(qi)的設(she)計
　　智(zhi)能轉(zhuan)換器(qi)主要(yao)是爲(wei)傳感(gan)器勵(li)磁線(xian)圈提(ti)供勵(li)磁電(dian)磁🔴,同(tong)時‼️接(jie)㊙️收傳(chuan)感器(qi)電極(ji)檢測(ce)到的(de)電信(xin)号,通(tong)過中(zhong)央處(chu)理器(qi)進行(hang)數據(ju)的運(yun)算和(he)處理(li),然後(hou)進行(hang)現🏃🏻場(chang)顯示(shi)和遠(yuan)程通(tong)信[6-7]。
2.4顯(xian)示部(bu)分設(she)計
1)LCD顯(xian)示:顯(xian)示屏(ping)需對(dui)流量(liang)、累計(ji)流量(liang)、壓力(li)、溫度(du)、時間(jian)等進(jin)行顯(xian)🔆示,普(pu)通的(de)LED不能(neng)滿足(zu)要求(qiu),故采(cai)用基(ji)于單(dan)片機(ji)的液(ye)晶顯(xian)示産(chan)品更(geng)加适(shi)合。
2)A/D轉(zhuan)換:采(cai)用A/D轉(zhuan)換器(qi)将流(liu)量、壓(ya)力、溫(wen)度等(deng)這些(xie)模拟(ni)信号(hao)輸入(ru)到🐆顯(xian)示模(mo)塊單(dan)片機(ji)。
3)D/A轉換(huan):選定(ding)12位的(de)D/A轉換(huan)器,該(gai)轉換(huan)器可(ke)與CPU直(zhi)接相(xiang)連,以(yi)🔞減少(shao)硬件(jian)占☎️用(yong)空間(jian)。D/A轉換(huan)器将(jiang)完成(cheng)4～20mADC信号(hao)。
3　數字(zi)濾波(bo)設計(ji)
　　該方(fang)法是(shi)先在(zai)RAM中建(jian)立一(yi)個數(shu)據緩(huan)沖區(qu),依順(shun)序存(cun)✔️放N次(ci)采樣(yang)數據(ju)(即把(ba)N個測(ce)量數(shu)據看(kan)成一(yi)個隊(dui)列,隊(dui)列的(de)長度(du)💞固定(ding)爲N)。然(ran)後每(mei)采進(jin)一個(ge)新的(de)數據(ju),就将(jiang)新數(shu)據存(cun)入隊(dui)尾,同(tong)時将(jiang)緩沖(chong)區中(zhong)最早(zao)采集(ji)(隊首(shou))的一(yi)個數(shu)據去(qu)掉。再(zai)求出(chu)當前(qian)RAM緩沖(chong)區中(zhong)的N個(ge)數據(ju)的算(suan)術平(ping)均值(zhi)或加(jia)權平(ping)均值(zhi)。這樣(yang),每☎️進(jin)行一(yi)次采(cai)☔樣,就(jiu)可計(ji)算🈚出(chu)一個(ge)新的(de)平均(jun)值,即(ji)測量(liang)數據(ju)取一(yi)丢一(yi),測量(liang)一次(ci)便㊙️計(ji)算一(yi)次平(ping)均值(zhi),大大(da)加快(kuai)了數(shu)據處(chu)理能(neng)力。

　　假(jia)設環(huan)形隊(dui)列的(de)地址(zhi)爲40H～4FH,共(gong)16個單(dan)元,用(yong)R0作隊(dui)尾指(zhi)示,并(bing)👈且INPUTA爲(wei)新采(cai)樣數(shu)據處(chu)理子(zi)程序(xu),子程(cheng)序已(yi)将新(xin)數據(ju)置入(ru)累🤩加(jia)器A中(zhong),其流(liu)程如(ru)圖3。
程(cheng)序清(qing)單如(ru)下:



4　結束(shu)語
　　在(zai)國民(min)經濟(ji)各行(hang)業的(de)生産(chan)中,普(pu)通導(dao)電液(ye)以及(ji)強🌐酸(suan),強堿(jian)等強(qiang)腐蝕(shi)液體(ti)和泥(ni)漿、礦(kuang)漿、紙(zhi)漿等(deng)均勻(yun)液✌️固(gu)兩相(xiang)浮液(ye)體都(dou)需要(yao)進行(hang)準确(que)地流(liu)量計(ji)量。但(dan)是🍉以(yi)往常(chang)常采(cai)用🐆的(de)渦街(jie)式、葉(ye)輪式(shi)、渦流(liu)式、超(chao)聲波(bo)式等(deng)流量(liang)計☀️或(huo)者因(yin)爲測(ce)量精(jing)度低(di),或者(zhe)因爲(wei)價格(ge)高💯,或(huo)者不(bu)能适(shi)應惡(e)劣環(huan)境等(deng)等因(yin)素不(bu)能被(bei)用戶(hu)使用(yong)。近年(nian)來電(dian)磁💜流(liu)量計(ji)以其(qi)精😘度(du)高、抗(kang)震性(xing)好、耐(nai)腐蝕(shi)等優(you)勢脫(tuo)穎而(er)出,智(zhi)能插(cha)入式(shi)電🏃🏻磁(ci)流量(liang)計與(yu)普通(tong)🔞的電(dian)磁流(liu)量計(ji)相比(bi)由于(yu)采用(yong)了單(dan)電極(ji),使得(de)傳感(gan)器結(jie)構可(ke)以做(zuo)的很(hen)小,使(shi)用範(fan)圍可(ke)以擴(kuo)大減(jian)小了(le)密封(feng)點,使(shi)可靠(kao)性增(zeng)強,保(bao)證了(le)質量(liang)。

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