一、低電壓微功耗電磁流量計的工作原理

任何一種電磁流量計都遵循著法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運動切割磁力線時,在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e。

與此相仿,在垂直于磁場方向放一個內(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流動時,導(dǎo)電流體就切割磁力線。在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極,則兩電極之間即產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e,這就是電磁流量計測量導(dǎo)電液體體積流量的原理,如圖1所示。

電磁流量計的主要特點:電磁流量計的變送器結(jié)構(gòu)簡單,沒有可動部件,也沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流部件。電磁流量計是一種體積流量測量儀表,在測量過程中,不受被測介質(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,就可用來測量其他導(dǎo)電性液體的流量,而不需要作附加修正。電磁流量計的量程范圍極寬,并只與被測介質(zhì)的平均流速成正比,而與軸對稱分布下的流動狀態(tài)(層流、湍流)無關(guān)。電磁流量計無機械慣性,反應(yīng)靈敏,可以測量瞬時脈動流量,而且線性好。它可將測量信號直接用轉(zhuǎn)換器線性地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出,可現(xiàn)場指示,也可遠(yuǎn)距離傳送。

從上述特點可以看出,將電磁流量計進一步開發(fā)成為低電壓微功耗電磁流量計是適宜的。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。這樣就得解決勵磁電路系統(tǒng)功耗大的問題,一方面要求減少勵磁電路系統(tǒng)功耗,另一方面要求得到足夠的流量信號(感應(yīng)電動勢e)。要滿足這些要求必須在設(shè)計中解決好勵磁電路系統(tǒng)的變送器結(jié)構(gòu)問題。

二、勵磁電路系統(tǒng)變送器結(jié)構(gòu)分析

電磁流量計變送器主要由測量導(dǎo)管、勵磁系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機構(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,在結(jié)構(gòu)上就必須認(rèn)真分析考慮。為了減少勵磁線圈消耗太多的電能,在導(dǎo)線的線徑和勵磁線圈的口徑方面,根據(jù)勵磁線圈磁場原理,制作了特殊的結(jié)構(gòu)來擴大電極傳導(dǎo)電流面積。變送器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

三、勵磁信號的處理方法

電磁流量計的磁場是通過勵磁線圈來獲得的。目前,有直流勵磁、交流勵磁和低頻方波勵磁三種基本勵磁方式。其中,低頻方波勵磁又可分為二值方波勵磁、三值方波勵磁兩種形式。

特別是三值方波勵磁,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,該流量計為了降低功耗借助勵磁涌流增強勵磁磁場強度,達到三值低頻方波勵磁的性能和效果,如圖3所示。

勵磁系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生一個工作磁場。根據(jù)管道截面積大小,該流量計選用了高磁導(dǎo)率的鐵氧體鐵芯結(jié)構(gòu),以較小的勵磁電流來獲得較強的磁場,勵磁電路盡量處于低功耗的運行狀態(tài),并通過線圈中的軟鐵氧體鐵芯,增強導(dǎo)磁性和均勻分布磁力線。電極的作用是把被測介質(zhì)切割磁力線所產(chǎn)生的流量信號引出,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、流量信號處理方法

整個電路組成如圖4所示。

圖4中的低功耗大規(guī)模集成電路MPU(Micro Pro- cessor Unit)微處理器,是由日本日立公司生產(chǎn)的6B68-0031。該芯片作為中央控制器設(shè)計方案,芯片中的CPU控制整個儀表的運行,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,完成控制勵磁信號、存儲與運算和儀表輸出部分信號等功能。

測量管段中的電極接收到的感應(yīng)電動勢,首先經(jīng)過可變增益前置放大器對接收到的微弱信號進行放大,然后進行**級信號放大,放大了的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進入CPU微處理器,同時把處理的流量數(shù)據(jù)結(jié)果送至顯示器,另外,在智能化設(shè)計中CPU微處理器對外I/O接口電路中,以脈沖信號和數(shù)字信號(數(shù)據(jù)流)進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

硬件設(shè)計中,主要在放大電路上采用了高性能的集成電路和**的設(shè)計思想,對強干擾背景下微弱信號的放大與A/D轉(zhuǎn)換方式進行了研究。采用了準(zhǔn)確度很高的雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換,對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)計中,單片機采用省電模式工作,每次信號采集、運算、顯示處理后等待中斷喚醒再進行下一次的測量過程。

在模擬信號方面,實現(xiàn)(0~10)mA和(4~20)mA兩種模式的直流信號輸出。在顯示部分流量計設(shè)置有6位累計流量;同時設(shè)有瞬時流量、流量方向、空管報警、電池電量報警和過流報警等功能。

五、電磁流量計校驗情況分析

下面列舉該電磁流量計在兩種條件下校驗的結(jié)果:在實驗室里,標(biāo)準(zhǔn)校驗臺為容積式標(biāo)準(zhǔn)校驗裝置,準(zhǔn)確度是±0.2%,以水為測量介質(zhì),校驗流量計儀表口徑為DN100,校驗臺容積罐為(2~5)m3,“流量-誤差”關(guān)系如圖5所示。

在使用現(xiàn)場,該流量計在線測量供水流量。檢測設(shè)備采用日本富士便攜式超聲波流量計作為比對表(該比對表通過國家水大流量檢測站校準(zhǔn),并取得了檢定證書),準(zhǔn)確度為±1.5%,對在線電磁流量計進行比對,比對結(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)境保護和節(jié)約能源的需要,電池供電的電磁流量計在眾多流量測量儀表中,以其du有的特點,在很多行業(yè)有著非常**的應(yīng)用。電池供電的電磁流量計在硬件和軟件設(shè)計方面都不同于交流供電的電磁流量計。該設(shè)計思路是流體力學(xué)理論和低功耗電子技術(shù)的成功結(jié)合,使儀表的設(shè)計更合理、性能更優(yōu)越、測量更精確,未來必將引起人們更大的重視。
智能鋰電池供電的電磁流量計產(chǎn)品圖