電磁流量計(jì)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律原理制成,測(cè)量導(dǎo)電流體的體積流量,由于其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),廣 泛應(yīng)用于腐蝕性介質(zhì)、易燃易爆介質(zhì)以及污水處理、化工、醫(yī)藥工業(yè)中各種漿液流量測(cè)量。在結(jié)構(gòu)上, 電磁流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成:傳感器安裝在工業(yè)過程管道上,將液體體積流量變換成感應(yīng) 電勢(shì)信號(hào),并傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器;轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的流量信號(hào)進(jìn)行放大,并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出,以 進(jìn)行顯示、累積和調(diào)節(jié)控制流量值。本文設(shè)計(jì)了一種新型的多電極電磁流量計(jì),以低頻三值方波勵(lì)磁方 式,基于權(quán)函數(shù)理論進(jìn)行流場(chǎng)速度分布重構(gòu),在轉(zhuǎn)換器部分采用 VM1微處理器作為控制與計(jì)算單元,提 高了電磁流量計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)對(duì)于單相不對(duì)稱流動(dòng)與固 — 液兩相流傾斜管 測(cè)量具有較高的精度與可靠性。
多電極電磁流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文中闡述的多電極電磁流量計(jì)傳感器部分的磁路系統(tǒng)采用 Helmholtz 線圈作為勵(lì)磁線圈,激 勵(lì)產(chǎn)生均勻磁場(chǎng);內(nèi)徑 80mm 的非導(dǎo)磁材料聚甲醛樹脂管段作為測(cè)量管組件; 16個(gè)不銹鋼材質(zhì)的電極 對(duì)陣列用來測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)差:由于不銹鋼價(jià)格經(jīng)濟(jì)且具備很高的抗腐蝕性及極低的相對(duì)磁導(dǎo)率,適合實(shí) 際工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
分體式多電極電磁流量計(jì),傳感器部分安裝在測(cè)量管道,并采用不銹鋼外殼設(shè)計(jì),以屏蔽外界電 磁信號(hào)對(duì)測(cè)量截面處磁場(chǎng)的干擾,而轉(zhuǎn)換器部分同樣采用不銹鋼外殼,提高了流量計(jì)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(jì)轉(zhuǎn)換器以 VM1微處理器為核心, 結(jié)合 I/O模塊與前置面板模塊 構(gòu)成整個(gè)微處理器系統(tǒng); 并設(shè)計(jì)前端電路建立與傳感器之間的聯(lián)系, 將控制信號(hào)經(jīng)磁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后激勵(lì) H elmholtz 線圈,并將傳感器中電極對(duì)之間獲取的原始感應(yīng)電壓處理轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算的數(shù)字信 號(hào),輸入 VM1進(jìn)行速度重構(gòu)和流量計(jì)算。
多電極電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)構(gòu)成
勵(lì)磁系統(tǒng)與信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
在實(shí)際應(yīng)用中, 由 VM1微處理器內(nèi)部發(fā)出兩路數(shù)字信號(hào), 經(jīng)由 D/A轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào) D AC0/1輸入到勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路的比較器中,結(jié)合固態(tài)繼電器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生三值方波電流信號(hào),經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電 路觸發(fā)激勵(lì) Helmholtz 線圈*終得到低頻三值方波的磁場(chǎng),由此在電極對(duì)間獲得同樣時(shí)序的感應(yīng)電壓, 電磁流量計(jì)實(shí)際測(cè)量感應(yīng)電壓信號(hào)時(shí)序 S 1~S 4將一個(gè)激勵(lì)周期分成 4個(gè)時(shí)間序列。
本設(shè)計(jì)采用多電極測(cè)量, 7對(duì)在管道內(nèi)壁圓周處對(duì)稱分布的電極采集感應(yīng)電勢(shì)差,因此,轉(zhuǎn)換器 部分包含 7路布局嚴(yán)格對(duì)稱、設(shè)計(jì)完全相同的信號(hào)處理電路。感應(yīng)電壓經(jīng)電路處理后再由 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)送入微處理器。
由于在實(shí)際測(cè)量中, 電磁流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)差是一個(gè)微弱的交變信號(hào), 1m/s的流速僅對(duì)應(yīng)大約 0. 1mV 的電勢(shì)差,且信號(hào)內(nèi)阻很高,為 MΩ級(jí),同時(shí)噪聲信號(hào)很多,并存在零點(diǎn)漂移干擾,即一個(gè)不期望 的電壓 U0,并且數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感應(yīng)電勢(shì)差 Uj (j=1, 2, … , 7)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特點(diǎn),信 號(hào)處理電路前端需要高倍差分放大電路設(shè)計(jì)(見圖 2),而偏置補(bǔ)償電路的作用就是將零點(diǎn)電壓值 U 0實(shí) 時(shí)測(cè)量, 并反饋補(bǔ)償至信號(hào)處理電路以消除零點(diǎn)漂移, 使感應(yīng)電壓不超出 A/D采樣可接收的數(shù)值。 另外, 多級(jí)模擬濾波電路也消除了因磁場(chǎng)方向快速轉(zhuǎn)換而產(chǎn)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(duì)比了實(shí)際測(cè)量的感應(yīng)電壓信號(hào) Uj 與電路未經(jīng)優(yōu)化時(shí)取得的電壓 U *j ,很 明顯看出:設(shè)計(jì)合宜的信號(hào)處理電路可以大幅度改善感應(yīng)電壓信號(hào)的質(zhì)量,保證電壓幅值始終控制在 A/ D 采樣范圍內(nèi),并提供更長(zhǎng)的有效采樣時(shí)間,從而提高電磁流量計(jì)的測(cè)量精度。
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電磁流量計(jì)在污水處理中傳感器的應(yīng)用選型
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智能電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)的研究
