電磁流量計根據法拉第電磁感應定律原理制成,測量導電流體的體積流量,由于其獨特優點,廣 泛應用于腐蝕性介質、易燃易爆介質以及污水處理、化工、醫藥工業中各種漿液流量測量。在結構上, 電磁流量計由傳感器和轉換器兩部分組成:傳感器安裝在工業過程管道上,將液體體積流量變換成感應 電勢信號,并傳輸到轉換器;轉換器將傳感器送來的流量信號進行放大,并轉換成標準電信號輸出,以 進行顯示、累積和調節控制流量值。本文設計了一種新型的多電極電磁流量計,以低頻三值方波勵磁方 式,基于權函數理論進行流場速度分布重構,在轉換器部分采用 VM1微處理器作為控制與計算單元,提 高了電磁流量計零點穩定性和測量準確性,實驗證明該設計對于單相不對稱流動與固 — 液兩相流傾斜管 測量具有較高的精度與可靠性。
多電極電磁流量計系統設計
本文中闡述的多電極電磁流量計傳感器部分的磁路系統采用 Helmholtz 線圈作為勵磁線圈,激 勵產生均勻磁場;內徑 80mm 的非導磁材料聚甲醛樹脂管段作為測量管組件; 16個不銹鋼材質的電極 對陣列用來測量感應電勢差:由于不銹鋼價格經濟且具備很高的抗腐蝕性及極低的相對磁導率,適合實 際工業領域的應用。
分體式多電極電磁流量計,傳感器部分安裝在測量管道,并采用不銹鋼外殼設計,以屏蔽外界電 磁信號對測量截面處磁場的干擾,而轉換器部分同樣采用不銹鋼外殼,提高了流量計的電磁兼容性,兩 者之間由屏蔽線纜連接。
多電極電磁流量計轉換器以 VM1微處理器為核心, 結合 I/O模塊與前置面板模塊 構成整個微處理器系統; 并設計前端電路建立與傳感器之間的聯系, 將控制信號經磁路系統轉換后激勵 H elmholtz 線圈,并將傳感器中電極對之間獲取的原始感應電壓處理轉換為適合單片機內部運算的數字信 號,輸入 VM1進行速度重構和流量計算。
多電極電磁流量計轉換器系統構成
勵磁系統與信號處理電路設計
在實際應用中, 由 VM1微處理器內部發出兩路數字信號, 經由 D/A轉換器后轉換為模擬信號 D AC0/1輸入到勵磁時序產生電路的比較器中,結合固態繼電器網絡產生三值方波電流信號,經由驅動電 路觸發激勵 Helmholtz 線圈*終得到低頻三值方波的磁場,由此在電極對間獲得同樣時序的感應電壓, 電磁流量計實際測量感應電壓信號時序 S 1~S 4將一個激勵周期分成 4個時間序列。
本設計采用多電極測量, 7對在管道內壁圓周處對稱分布的電極采集感應電勢差,因此,轉換器 部分包含 7路布局嚴格對稱、設計完全相同的信號處理電路。感應電壓經電路處理后再由 A/D轉換器轉 換為數字信號送入微處理器。
由于在實際測量中, 電磁流量計感應電勢差是一個微弱的交變信號, 1m/s的流速僅對應大約 0. 1mV 的電勢差,且信號內阻很高,為 MΩ級,同時噪聲信號很多,并存在零點漂移干擾,即一個不期望 的電壓 U0,并且數值遠遠大于感應電勢差 Uj (j=1, 2, … , 7)。根據感應電動勢特點,信 號處理電路前端需要高倍差分放大電路設計(見圖 2),而偏置補償電路的作用就是將零點電壓值 U 0實 時測量, 并反饋補償至信號處理電路以消除零點漂移, 使感應電壓不超出 A/D采樣可接收的數值。 另外, 多級模擬濾波電路也消除了因磁場方向快速轉換而產生的尖刺干擾電壓并濾除紋波,消除矩形波的衰減。
圖 2中(a ),(b )對比了實際測量的感應電壓信號 Uj 與電路未經優化時取得的電壓 U *j ,很 明顯看出:設計合宜的信號處理電路可以大幅度改善感應電壓信號的質量,保證電壓幅值始終控制在 A/ D 采樣范圍內,并提供更長的有效采樣時間,從而提高電磁流量計的測量精度。
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電磁流量計在污水處理中傳感器的應用選型
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智能電磁流量計抗干擾技術的研究
