低電壓微功耗電磁流量計(jì)

  一、低電壓微功耗電磁流量計(jì)的工作原理
   任何一種電磁流量計(jì)都遵循著法拉第電磁感應(yīng)定律, 當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí), 在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。與此相仿, 在垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道, 當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速u流動(dòng)時(shí), 導(dǎo)電流體就切割磁力線。在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極, 則兩電極之間即產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e, 這就是電磁流量計(jì)測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的原理, 如圖1 所示。
   電磁流量計(jì)的主要特點(diǎn): 電磁流量計(jì)的變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 沒有可動(dòng)部件, 也沒有任何阻礙流體流動(dòng)的節(jié)流部件。電磁流量計(jì)是一種體積流量測(cè)量?jī)x表, 在測(cè)量過程中, 不受被測(cè)介質(zhì)溫度、黏度、密度以及電導(dǎo)率( 在一定范圍內(nèi)) 的影響。因此, 只需經(jīng)水標(biāo)定以后, 就可用來(lái)測(cè)量其他導(dǎo)電性液體的流量, 而不需要作附加修正。電磁流量計(jì)的量程范圍極寬, 并只與被測(cè)介質(zhì)的平均流速成正比, 而與軸對(duì)稱分布下的流動(dòng)狀態(tài)( 層流、湍流) 無(wú)關(guān)。電磁流量計(jì)無(wú)機(jī)械慣性, 反應(yīng)靈敏, 可以測(cè)量瞬時(shí)脈動(dòng)流量, 而且線性好。它可將測(cè)量信號(hào)直接用轉(zhuǎn)換器線性地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出, 可現(xiàn)場(chǎng)指示, 也可遠(yuǎn)距離傳送。
   從上述特點(diǎn)可以看出, 將電磁流量計(jì)進(jìn)一步開發(fā)成為低電壓微功耗電磁流量計(jì)是適宜的。但在低電壓微功耗狀態(tài)下, 一般采用電池供電, 要求在不更換電池的情況下能連續(xù)工作數(shù)年。這樣就得解決勵(lì)磁電路系統(tǒng)功耗大的問題, 一方面要求減少勵(lì)磁電路系統(tǒng)功耗, 另一方面要求得到足夠的流量信號(hào)( 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e) 。要滿足這些要求必須在設(shè)計(jì)中解決好勵(lì)磁電路系統(tǒng)的變送器結(jié)構(gòu)問題。
   二、勵(lì)磁電路系統(tǒng)變送器結(jié)構(gòu)分析
   電磁流量計(jì)變送器主要由測(cè)量導(dǎo)管、勵(lì)磁系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。為了使傳感器穩(wěn)定可靠地工作, 準(zhǔn)確地感受流量信號(hào), 在結(jié)構(gòu)上就必須認(rèn)真分析考慮。為了減少勵(lì)磁線圈消耗太多的電能, 在導(dǎo)線的線徑和勵(lì)磁線圈的口徑方面, 根據(jù)勵(lì)磁線圈磁場(chǎng)原理, 制作了特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大電極傳導(dǎo)電流面積。變送器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
   三、勵(lì)磁信號(hào)的處理方法
   電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)是通過勵(lì)磁線圈來(lái)獲得的。目前, 有直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁三種基本勵(lì)磁方式。其中, 低頻方波勵(lì)磁又可分為二值方波勵(lì)磁、三值方波勵(lì)磁兩種形式。特別是三值方波勵(lì)磁, 它能夠很好地減弱正負(fù)周期之間所產(chǎn)生的相互干擾問題, 另外, 該流量計(jì)為了降低功耗借助勵(lì)磁涌流增強(qiáng)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度, 達(dá)到三值低頻方波勵(lì)磁的性能和效果, 如圖3所示。勵(lì)磁系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生一個(gè)工作磁場(chǎng)。根據(jù)管道截面積大小, 該流量計(jì)選用了優(yōu)質(zhì)的超高磁導(dǎo)率的鐵氧體鐵芯結(jié)構(gòu), 以較小的勵(lì)磁電流來(lái)獲得較強(qiáng)的磁場(chǎng), 勵(lì)磁環(huán)保節(jié)能的低電壓微功耗電磁流量計(jì)圖1 電磁流量計(jì)工作原理簡(jiǎn)圖圖2 電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖勵(lì)磁線圈電極極板測(cè)量管道勵(lì)磁鐵芯電極1 電極2 N S 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e電路盡量處于低功耗的運(yùn)行狀態(tài), 并通過線圈中的軟鐵氧體鐵芯, 增強(qiáng)導(dǎo)磁性和均勻分布磁力線。電極的作用是把被測(cè)介質(zhì)切割磁力線所產(chǎn)生的流量信號(hào)引出, 它必須是非磁性導(dǎo)電材料, 選用不銹鋼材料可耐一般酸堿鹽的腐蝕。
   四、流量信號(hào)處理方法
   整個(gè)電路組成如圖4所示。圖4中的低功耗大規(guī)模集成電路MPU (Micro Processor Unit) 微處理器, 是由日本日立公司生產(chǎn)的6B68- 0031。該芯片作為控制器設(shè)計(jì)方案, 芯片中的CPU控制整個(gè)儀表的運(yùn)行, 并完成儀表的全部功能, 包括鍵盤和顯示部分; 其與74HC02A和SL130組合, 完成控制勵(lì)磁信號(hào)、存儲(chǔ)與運(yùn)算和儀表輸出部分信號(hào)等功能。
   測(cè)量管段中的電極接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 首先經(jīng)過可變?cè)鲆媲爸梅糯笃鲗?duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大, 然后進(jìn)行級(jí)信號(hào)放大, 放大了的信號(hào)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)入CPU微處理器, 同時(shí)把處理的流量數(shù)據(jù)結(jié)果送至顯示器, 另外, 在智能化設(shè)計(jì)中CPU微處理器對(duì)外I/O接口電路中, 以脈沖信號(hào)和數(shù)字信號(hào)( 數(shù)據(jù)流) 進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
   硬件設(shè)計(jì)中, 主要在放大電路上采用了高性能的集成電路和*的設(shè)計(jì)思想, 對(duì)強(qiáng)干擾背景下微弱信號(hào)的放大與A/D轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行了研究。采用了準(zhǔn)確度很高的雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換, 對(duì)各種尖脈沖及交流工頻干擾有很好的消除作用。在軟件設(shè)計(jì)中, 單片機(jī)采用省電模式工作, 每次信號(hào)采集、運(yùn)算、顯示處理后等待中斷喚醒再進(jìn)行下一次的測(cè)量過程。在模擬信號(hào)方面, 實(shí)現(xiàn)( 0～10)mA和( 4～20)mA兩種模式的直流信號(hào)輸出。在顯示部分流量計(jì)設(shè)置有6位累計(jì)流量; 同時(shí)設(shè)有瞬時(shí)流量、流量方向、空管報(bào)警、電池電量報(bào)警和過流報(bào)警等功能。五、電磁流量計(jì)校驗(yàn)情況分析下面列舉該電磁流量計(jì)在兩種條件下校驗(yàn)的結(jié)果: 在實(shí)驗(yàn)室里, 標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)臺(tái)為容積式標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)裝置, 準(zhǔn)確度是±0.2%, 以水為測(cè)量介質(zhì), 校驗(yàn)流量計(jì)儀表口徑為DN100, 校驗(yàn)臺(tái)容積罐為( 2~5)m3, “流量- 誤差”關(guān)系如圖5所示。在使用現(xiàn)場(chǎng), 該流量計(jì)在線測(cè)量供水流量。檢測(cè)設(shè)備采用日本富士便攜式超聲波流量計(jì)作為比對(duì)表( 該比對(duì)表通過國(guó)家水大流量檢測(cè)站校準(zhǔn), 并取得了檢定證書) , 準(zhǔn)確度為±1.5%, 對(duì)在線電磁流量計(jì)進(jìn)行比對(duì), 比對(duì)結(jié)果如表1所示。
   六、結(jié)論
   通過上述分析可以看出, 隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展, 環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源的需要, 電池供電的電磁流量計(jì)在眾多流量測(cè)量?jī)x表中, 以其的特點(diǎn), 在很多行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用。電池供電的電磁流量計(jì)在硬件和軟件設(shè)計(jì)方面都不同于交流供電的電磁流量計(jì)。該設(shè)計(jì)思路是流體力學(xué)理論和低功耗電子技術(shù)的成功結(jié)合, 使儀表的設(shè)計(jì)更合理、性能更*、測(cè)量更精確, 未來(lái)必將引起人們更大的重視。表1 比對(duì)結(jié)果技術(shù)篇┃ 現(xiàn)代計(jì)量?jī)x器與技術(shù)圖5 “流量- 誤差”關(guān)系圖4 電磁流量計(jì)電路結(jié)構(gòu)圖顯示器MPU 微處理器信號(hào)處理回路光電輸出回路勵(lì)磁回路A/D 轉(zhuǎn)換回路可變?cè)鲆娣糯笃麟娫椿芈非爸梅糯笃鱾鞲衅鲃?lì)磁線圈圖3 低頻脈沖波形圖±5% ±2% q 流量δ--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：