智能插入式电磁流量计工作原理

摘要:智能插入式电磁流量计是一种应用法拉第电磁感应定律的流量计。依据“拓普变换”原理对传感器进行设计。将传统双电极结构变换为单电极结构,把另一个电极作为虚拟电极对待,传感器的结构采用单电极,并将线圈分置于电极两边,控制磁力线分布趋势,从而实现高稳定、可靠、高精度的测量,同时使传感器密封空间得到扩展。
流量是一个动态量,流量测量是一项复杂的技术。从被测流体来说,包括气体、液体和混合流体这三种具有不同物理特性的流体;从测量流体流量时的条件来说,又是多种多样的,如测量时的温度可以从高温到极低温,测量时的压力可以从高压到低压;被测流量的大小可以从微小流量到大流量;被测流体的流动状态可以是层流、紊流等等。此外就液体而言,还存在粘度大小不同等情况。因此,为准确的测量流量,就必须研究不同流体在不同条件下的流量测量方法,并提供相应的测量仪表。这是流量计量的主要工作之一。目前国外投入使用的流量计有100多种,国内定型投产的也有近20种。
随着工业生产的自动化,管道化的发展,流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。据国内外资料表明,在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15%～30%。随着流量仪表的迅猛发展,流量标准装置也得到较快发展,流量量值传递网络已经形成。目前水、油、气、蒸汽高精度的流量标准装置已在国家、省市计量机构建立,确保其流量量值传递的准确一致。尽管如此,由于流量测量技术的复杂化,以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求,流量计量的现况远不能满足生产的需要,还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。
1　智能插入式电磁流量计的工作原理
电磁流量计是一种应用法拉第电磁感应定律的流量计。流量计的测量管是内衬绝缘材料的非导磁合金短管。两只电极沿管径方向贯通管壁固定在测量管上,其电极头与内表面基本平齐。励磁线圈由双向脉冲励磁时,将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通密度为B的工作磁场。此时,如果具有一定电导率的流体流经测量管,将切割磁力线感应出电动势E。电动势E正比于磁通密度B、测量管内径D与平均流速的乘积、电动势E(电流信号)由电极检出并通过电缆这至转换器。转换器将流量信号放大处理后,可显示流量、总量,并能输出模拟、脉冲等信号,用于流量的控制与调节[1-3]。
E=kBdv
式中:
E-为电极间的信号电压(V);
B-为磁通密度(T);
d-为测量管内径(m);
v-为平均流速(m/s).
K,d为常数,由于励磁电流是恒流的,故B也是常数,则由E=kBdv可知,体积流量Q与信号电压E成正比,即流速感应的信号电压E与体积Q成线性关系。因此,只要测量出E就可确定流量Q,这就是电磁流量计的基本工作原理。
2　仪表的硬件设计
2.1　仪表的电极设计
电磁流量计是在“法拉第电磁感应定律”应用方面进行了创新,依据“拓普变换”原理对传感器进行创新设计。将传统双电极结构变换为单电极结构,也就是把另一个电极作为虚拟电极对待。通过控制励磁电流和线圈的分布位置,使其产生的磁场稳定地分布在真实电极周围,而使虚拟电极处磁场强度近似为零,则感应出的电动势很小,可以忽略不计,故只留一个电极。
将上述的这一理论用于电磁流量计测量导电液体的流量时,如图1所示,磁场由励磁线圈产生,两电极之间距离L便是导体长度,流体流速v就是导体运动速度。根据电磁感应定律将在电极周围形成磁场,而另一个电极周围形成的磁场可以忽略不计,就可将其视为虚拟电极,从而实现单电极检测流速,如图2所示。

　在电极方面由于采用了单电极双线圈,通过控制励磁信号和磁力线发射角度,使磁力线分布密度不受管道材质、管道直径、插入管道深度等外部条件的影响,保证了有效磁场的稳定,从而大大提高了测量精度。
2.2　传感器的结构设计
传感器是采集感应电动势数据的关键部件,不仅要求采集数据准确,抗干扰能力强,而且还能长期工作在比较复杂的外部环境中。传统的插入式流量计由于安装的管道材质、管道的直径等等外部条件的变化,使得传感器内部磁力线分布发生了变化,磁场强度也发生了变化,引起了测量误差[4-5]。
智能型插入式流量计利用拓普变换原理对传感器的结构进行重新设计。采用单电极,并将线圈分置于电极两边,控制磁力线分布趋势,使电极周围的磁场强度不随外部条件的变化而变化,从而实现高稳定、高可靠、高精度的测量,由于采用了单电极结构,使得传感器密封空间得到了扩展,可将电极和端面固定在金属基体上,使传感器端面可打压到25MPa,而耐温180℃而不发生变形,确保了密封性。
2.3　智能转换器的设计
智能转换器主要是为传感器励磁线圈提供励磁电磁,同时接收传感器电极检测到的电信号,通过中央处理器进行数据的运算和处理,然后进行现场显示和远程通信[6-7]。
2.4显示部分设计
1)LCD显示:显示屏需对流量、累计流量、压力、温度、时间等进行显示,普通的LED不能满足要求,故采用基于单片机的液晶显示产品更加适合。
2)A/D转换:采用A/D转换器将流量、压力、温度等这些模拟信号输入到显示模块单片机。
3)D/A转换:选定12位的D/A转换器,该转换器可与CPU直接相连,以减少硬件占用空间。D/A转换器将完成4～20mADC信号。
3　数字滤波设计
该方法是先在RAM中建立一个数据缓冲区,依顺序存放N次采样数据(即把N个测量数据看成一个队列,队列的长度固定为N)。然后每采进一个新的数据,就将新数据存入队尾,同时将缓冲区中最早采集(队首)的一个数据去掉。再求出当前RAM缓冲区中的N个数据的算术平均值或加权平均值。这样,每进行一次采样,就可计算出一个新的平均值,即测量数据取一丢一,测量一次便计算一次平均值,大大加快了数据处理能力。

假设环形队列的地址为40H～4FH,共16个单元,用R0作队尾指示,并且INPUTA为新采样数据处理子程序,子程序已将新数据置入累加器A中,其流程如图3。