一、低电压微功耗电磁流量计的工作原理
任何一种电磁流量计都遵循着法拉第电磁感应定律,当导体在磁场中运动切割磁力线时,在导体的两端即产生感应电动势e。
与此相仿,在垂直于磁场方向放一个内径为d的不导磁管道,当导电液体在管道中以流速u流动时,导电流体就切割磁力线。在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极,则两电极之间即产生感应电动势e,这就是电磁流量计测量导电液体体积流量的原理,如图1所示。
电磁流量计的主要特点:电磁流量计的变送器结构简单,没有可动部件,也没有任何阻碍流体流动的节流部件。电磁流量计是一种体积流量测量仪表,在测量过程中,不受被测介质温度、黏度、密度以及电导率(在一定范围内)的影响。因此,只需经水标定以后,就可用来测量其他导电性液体的流量,而不需要作附加修正。电磁流量计的量程范围极宽,并只与被测介质的平均流速成正比,而与轴对称分布下的流动状态(层流、湍流)无关。电磁流量计无机械惯性,反应灵敏,可以测量瞬时脉动流量,而且线性好。它可将测量信号直接用转换器线性地转换成标准信号输出,可现场指示,也可远距离传送。
从上述特点可以看出,将电磁流量计进一步开发成为低电压微功耗电磁流量计是适宜的。但在低电压微功耗状态下,一般采用电池供电,要求在不更换电池的情况下能连续工作数年。这样就得解决励磁电路系统功耗大的问题,一方面要求减少励磁电路系统功耗,另一方面要求得到足够的流量信号(感应电动势e)。要满足这些要求必须在设计中解决好励磁电路系统的变送器结构问题。
二、励磁电路系统变送器结构分析
电磁流量计变送器主要由测量导管、励磁系统、电极及干扰调整机构等部分构成。为了使传感器稳定可靠地工作,准确地感受流量信号,在结构上就必须认真分析考虑。为了减少励磁线圈消耗太多的电能,在导线的线径和励磁线圈的口径方面,根据励磁线圈磁场原理,制作了特殊的结构来扩大电极传导电流面积。变送器的结构图如图2所示。
三、励磁信号的处理方法
电磁流量计的磁场是通过励磁线圈来获得的。目前,有直流励磁、交流励磁和低频方波励磁三种基本励磁方式。其中,低频方波励磁又可分为二值方波励磁、三值方波励磁两种形式。
特别是三值方波励磁,它能够很好地减弱正负周期之间所产生的相互干扰问题,另外,该流量计为了降低功耗借助励磁涌流增强励磁磁场强度,达到三值低频方波励磁的性能和效果,如图3所示。
励磁系统的作用是产生一个工作磁场。根据管道截面积大小,该流量计选用了高磁导率的铁氧体铁芯结构,以较小的励磁电流来获得较强的磁场,励磁电路尽量处于低功耗的运行状态,并通过线圈中的软铁氧体铁芯,增强导磁性和均匀分布磁力线。电极的作用是把被测介质切割磁力线所产生的流量信号引出,它必须是非磁性导电材料,选用不锈钢材料可耐一般酸碱盐的腐蚀。
四、流量信号处理方法
整个电路组成如图4所示。
图4中的低功耗大规模集成电路mpu(micro pro- cessor unit)微处理器,是由日本日立公司生产的6b68-0031。该芯片作为中央控制器设计方案,芯片中的cpu控制整个仪表的运行,并完成仪表的全部功能,包括键盘和显示部分;其与74hc02a和sl130组合,完成控制励磁信号、存储与运算和仪表输出部分信号等功能。
测量管段中的电极接收到的感应电动势,首先经过可变增益前置放大器对接收到的微弱信号进行放大,然后进行第一级信号放大,放大了的信号经过a/d转换进入cpu微处理器,同时把处理的流量数据结果送至显示器,另外,在智能化设计中cpu微处理器对外i/o接口电路中,以脉冲信号和数字信号(数据流)进行远程数据传输。
硬件设计中,主要在放大电路上采用了高性能的集成电路和先进的设计思想,对强干扰背景下微弱信号的放大与a/d转换方式进行了研究。采用了准确度很高的双积分模数转换,对各种尖脉冲及交流工频干扰有很好的消除作用。在软件设计中,单片机采用省电模式工作,每次信号采集、运算、显示处理后等待中断唤醒再进行下一次的测量过程。
在模拟信号方面,实现(0~10)ma和(4~20)ma两种模式的直流信号输出。在显示部分流量计设置有6位累计流量;同时设有瞬时流量、流量方向、空管报警、电池电量报警和过流报警等功能。
五、电磁流量计校验情况分析
下面列举该电磁流量计在两种条件下校验的结果:在实验室里,标准校验台为容积式标准校验装置,准确度是±0.2%,以水为测量介质,校验流量计仪表口径为dn100,校验台容积罐为(2~5)m³,“流量-误差”关系如图5所示。
在使用现场,该流量计在线测量供水流量。检测设备采用日本富士便携式超声波流量计作为比对表(该比对表通过国家水大流量检测站校准,并取得了检定证书),准确度为±1.5%,对在线电磁流量计进行比对,比对结果如表1所示。
六、结论
通过上述分析可以看出,随着工业生产的发展,环境保护和节约能源的需要,电池供电的电磁流量计在众多流量测量仪表中,以其du有的特点,在很多行业有着非常广泛的应用。电池供电的电磁流量计在硬件和软件设计方面都不同于交流供电的电磁流量计。该设计思路是流体力学理论和低功耗电子技术的成功结合,使仪表的设计更合理、性能更优越、测量更精确,未来必将引起人们更大的重视。
智能锂电池供电的电磁流量计产品图
