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環保節能的低電壓微功耗電磁流量計
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定律,當導體在磁場中運動切割磁力線時,在導體的兩端即產生感應電動勢e。
與此相仿,在垂直于磁場方向放一個內徑為D的不導磁管道,當導電液體在管道中以流速u流動時,導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,則兩電極之間即產生感應電動勢e,這就是電磁流量計測量導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構簡單,沒有可動部件,也沒有任何阻礙流體流動的節流部件。電磁流量計是一種體積流量測量儀表,在測量過程中,不受被測介質溫度、黏度、密度以及電導率(在一定范圍內)的影響。因此,只需經水標定以后,就可用來測量其他導電性液體的流量,而不需要作附加修正。電磁流量計的量程范圍極寬,并只與被測介質的平均流速成正比,而與軸對稱分布下的流動狀態(層流、湍流)無關。電磁流量計無機械慣性,反應靈敏,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換器線性地轉換成標準信號輸出,可現場指示,也可遠距離傳送。
從上述特點可以看出,將電磁流量計進一步開發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下,一般采用電池供電,要求在不更換電池的情況下能連續工作數年。這樣就得解決勵磁電路系統功耗大的問題,一方面要求減少勵磁電路系統功耗,另一方面要求得到足夠的流量信號(感應電動勢e)。要滿足這些要求必須在設計中解決好勵磁電路系統的變送器結構問題。
 
二、勵磁電路系統變送器結構分析
電磁流量計變送器主要由測量導管、勵磁系統、電極及干擾調整機構等部分構成。為了使傳感器穩定可靠地工作,準確地感受流量信號,在結構上就必須認真分析考慮。為了減少勵磁線圈消耗太多的電能,在導線的線徑和勵磁線圈的口徑方面,根據勵磁線圈磁場原理,制作了特殊的結構來擴大電極傳導電流面積。變送器的結構圖如圖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周期之間所產生的相互干擾問題,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。
勵磁系統的作用是產生一個工作磁場。根據管道截面積大小,該流量計選用了高磁導率的鐵氧體鐵芯結構,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,并通過線圈中的軟鐵氧體鐵芯,增強導磁性和均勻分布磁力線。電極的作用是把被測介質切割磁力線所產生的流量信號引出,它必須是非磁性導電材料,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中的低功耗大規模集成電路MPU(Micro Pro- cessor Unit)微處理器,是由日本日立公司生產的6B68-0031。該芯片作為中央控制器設計方案,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電動勢,首先經過可變增益前置放大器對接收到的微弱信號進行放大,然后進行第一級信號放大,放大了的信號經過A/D轉換進入CPU微處理器,同時把處理的流量數據結果送至顯示器,另外,在智能化設計中CPU微處理器對外I/O接口電路中,以脈沖信號和數字信號(數據流)進行遠程數據傳輸。
硬件設計中,主要在放大電路上采用了高性能的集成電路和先進的設計思想,對強干擾背景下微弱信號的放大與A/D轉換方式進行了研究。采用了準確度很高的雙積分模數轉換,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(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置有6位累計流量;同時設有瞬時流量、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果:在實驗室里,標準校驗臺為容積式標準校驗裝置,準確度是±0.2%,以水為測量介質,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”關系如圖5所示。
在使用現場,該流量計在線測量供水流量。檢測設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,并取得了檢定證書),準確度為±1.5%,對在線電磁流量計進行比對,比對結果如表1所示。
 
六、結論
通過上述分析可以看出,隨著工業生產的發展,環境保護和節約能源的需要,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,在很多行業有著非常廣泛的應用。電池供電的電磁流量計在硬件和軟件設計方面都不同于交流供電的電磁流量計。該設計思路是流體力學理論和低功耗電子技術的成功結合,使儀表的設計更合理、性能更優越、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品圖


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