【正文】 erter is successfully developed for the sample, and passed not only the simulation test but also the real flow calibration . Compared with other EMF, it did well in measuring the impurity liquid with below 2% relative error and rapid response. It is much better than other EMF on the market with some performance specifications. Key words： electromagic flow meter, AC excitation, ASIC, MCU, cross –interference， 90176。也就是要根 據(jù)檢測(cè)對(duì)象的特性和檢測(cè)的具體問(wèn)題，合理設(shè)計(jì)、科學(xué)組建控制系統(tǒng)，以正確使用各種檢測(cè)工具、設(shè)備和檢測(cè)方法，正確地進(jìn)行測(cè)量。因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到廣泛的應(yīng)用。其他原理熱學(xué)原理、光學(xué)原理等。 其主要的優(yōu)點(diǎn)： 1． EMF 的測(cè)量是通過(guò)一段無(wú)阻流檢測(cè)件的光滑直管，因不易阻塞適用于測(cè)量含有固體顆粒或纖維的液固二相 流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等。 6． 可測(cè)正反雙向流量，也可測(cè)脈動(dòng)流量，只要脈動(dòng)頻率低于激磁頻率很多。若干年后， 1917 年，史密斯和斯皮雷安曾將電磁感應(yīng)原理用于制造船舶測(cè)速儀，并推薦應(yīng)用交流磁場(chǎng)來(lái)消除極化作用。 1961 年德國(guó)Krohne公司把電磁流量計(jì)應(yīng)用于工業(yè)。 4 178。 目前直流勵(lì)磁技術(shù)僅在原子能工業(yè)中用 于電導(dǎo)率極高，而又不產(chǎn)生極化效應(yīng)的液態(tài)金屬流量測(cè)量中。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，由式 （ 225 ） 可知該干擾電動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)對(duì)時(shí)間的變率的負(fù)值成正比。電源波動(dòng)工頻正弦波供電電源存在電源電壓和頻率的波動(dòng)，造 成對(duì)測(cè)量的影響。 70 年代前期以章極性低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)為主，后期以雙極性低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)為主而開(kāi)始其工業(yè)應(yīng)用 [14]。所以，為了排除微分干擾對(duì)流量信號(hào)的影響，通常在勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的恒定階段（即矩形波的平頂部分）后，再對(duì)流量信號(hào)電壓進(jìn)行同步采樣。 三值低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù) 三值 低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)是人們?cè)诳偨Y(jié)低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了使儀表零點(diǎn)穩(wěn)定而提出的一種勵(lì)磁技術(shù)，其最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)在過(guò)零時(shí)動(dòng)態(tài)校正零點(diǎn)，因而具有更優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性 [16]。人們?cè)诜治龈鞣N勵(lì)磁技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù) [19][20]。 Porter公司首家向市場(chǎng)推出非滿(mǎn)管 自然流 電磁流量計(jì)以來(lái)， 到 1996年還有愛(ài)知時(shí)計(jì) (1994)、東芝 (1995)、 Krohne(1996)共四家向社會(huì)提供該類(lèi)儀表 [4][19]。 Porter(1994)、橫河電機(jī) (1995)、 Krohne(1997)共 4家提供該類(lèi)產(chǎn)品。 2022 年，原 Baily Fischer and Porter （現(xiàn)并入 ABB ）已銷(xiāo)售 1300臺(tái)，約占其電磁流量計(jì)銷(xiāo)售總臺(tái)數(shù)的 3 % ～ 4% 。 從電磁流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，我們看到電磁流量計(jì)原理性的理論以及本完善，目前電磁流量計(jì)的研制也是以改進(jìn)勵(lì)磁方式、提高部分功能環(huán)節(jié)的性能以及數(shù)字化設(shè)計(jì)著手。 4． 采用傳統(tǒng)差動(dòng)運(yùn)算放大器和可編程放大結(jié)合方法實(shí)現(xiàn)毫伏級(jí)信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及同相干擾的克服，擴(kuò)大了對(duì)流體電阻率的限制。 圖 基本原理 Fig. Basic principle 在推導(dǎo)表述電磁流量計(jì)的原理和特征的基本方程式時(shí)，先作以下幾個(gè) 基本假設(shè)： 1. 均流體的磁導(dǎo)率 μ 均勻，且同真空中是一樣的。 1，位移電流可以忽略。在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下，根據(jù)給定的 V 和 B 間的空間分布，就可求得流速矢量 V 和電位 U 的相對(duì)應(yīng)關(guān)系。故可歸結(jié)為二維問(wèn)題 xvByvBU zyzx ??????? 2 （ 212 ） 討論的問(wèn)題為線性問(wèn)題，電位可以重合，所以若將式 （ 212 ）的格林函數(shù)取為 G(x， y， ξ ， η )，則電位 U為： ? ? ?????? ddvBvByxGU zyzxD ?????? ?????? ?? , （ 213 ） 按照邊界條件，在管壁 r=a時(shí)， ?U/?r=0 或流速 =vz=0時(shí)， 式中， r=(x2+y2)1/2 若取電極 A、 B的電位差為 e，則對(duì)式 （ 213 )部分積分得 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 電磁流量計(jì) 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 整體設(shè)計(jì) 178。 16 178。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)，傳感器應(yīng)滿(mǎn)足如下要求。電導(dǎo)率低于閾值會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差直至不能使用，超過(guò)閾值即使變化也可以測(cè)量，示值誤差變化不大，通用型 EMF的閾值在 （ 104～ 5179。假 設(shè)電極直徑為 1cm，那么根據(jù)上式可得被測(cè)介質(zhì)最低電導(dǎo)率為 (～ 1)179。因?yàn)橹圃鞆S儀表規(guī) 范規(guī)定的下限值是在各種使用條件較好狀態(tài)下測(cè)量的最低值。按照這種關(guān)系，如果介質(zhì)溫度上升 200C時(shí)，電導(dǎo)率就要提高一倍左右。 2. 被測(cè)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài) 由流體力學(xué)可知，液體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，在管道橫截面上各點(diǎn)的流速是不等的。也就是說(shuō)，為了減小磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)的影響，激磁線圈的長(zhǎng)度應(yīng)為測(cè)量管內(nèi)徑的 — 倍。 采用非接觸型電磁流量計(jì)附著非導(dǎo)電膜層，儀表仍能工作，但若為高導(dǎo)電層則同樣不能工作。 干擾信號(hào)主要來(lái)源以下兩種。 干擾電動(dòng)勢(shì)，可用楞次定律表示如下： )2s i n(c os tBtBdtdBe mml ????? ??????? （ 225 ） 式中負(fù)號(hào)表示楞次定律感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與磁場(chǎng)變化的方向相反，即抵制dB/dt變化的方向而加。 干擾 el也越強(qiáng)；降 低勵(lì)磁電流的頻率，可以減少這種 90176。由于測(cè)量管處于交變磁場(chǎng)中，因此，管壁的金屬材料中也會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生渦電流。同時(shí)由（ 225 ）式可以看到， el與電源的頻率有關(guān)，而與流量大小和變送器的口徑無(wú)關(guān)。 22 178。 的干擾信號(hào)，其幅值與被測(cè)介質(zhì)的流量大小無(wú)關(guān)，而只與磁場(chǎng)的變化速度有關(guān)。 21 178。這樣就會(huì)出現(xiàn)所謂的磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)，即磁場(chǎng)軸向長(zhǎng)度對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值的影響和激磁線圈兩端的磁感應(yīng)強(qiáng)度不均勻測(cè)量的影響。而為了保證測(cè)量精度，在這種情況下，就要求電磁流量轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗必須大于變送器內(nèi)阻許多倍，才能保證在介質(zhì)電導(dǎo)率在一定 范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)測(cè)量精度不至于造成很大的影響。這樣介質(zhì)的電導(dǎo)率就會(huì)隨介質(zhì)溫度的變化而變化。石油制品和有機(jī)溶劑電導(dǎo)率過(guò)低就不能使用。 對(duì)于電磁流量計(jì)來(lái)說(shuō)，變送器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只有幾 mV，能否進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，還要取決于轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，通常要求轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變送器內(nèi)阻，才可以保證儀表的測(cè)量精度。 襯里材料應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)，選擇有耐腐蝕，耐磨損，耐高溫等性能的材料，如聚四氟乙烯、耐酸橡膠等。也有的電磁流量計(jì)將轉(zhuǎn)換器和傳感器裝在一起，組成一體型電磁流量計(jì)，可就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示和控制。 因?yàn)?ξ =rcosθ ,η =rsinθ 故 ????????????????? ??422200)(2c o s)(212c o s)(1),()()0,(2arararrWdrrdrvBrWae a??????? （ 216 ） 令 （ r/a） 2=R，利用 1+2Rcos2θ +R2=(1+ R2iθ )(1+ Re2iθ )的關(guān)系對(duì) Wη 展開(kāi)成分?jǐn)?shù)，再展開(kāi)成無(wú)窮級(jí)數(shù)。電極面積小到可以忽略。 13 178。 流體中的位移電流可以忽略。在電磁流量計(jì)實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)體就是導(dǎo)電液體，當(dāng)導(dǎo)電液體流過(guò)電磁流量計(jì)時(shí) ,導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ,其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)電液體的流速、磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)體寬度 (流量計(jì)內(nèi)徑 ) 成正比 [22]。并與模擬信號(hào)處理器、微處理器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了抑制交流勵(lì)磁傳感器在復(fù)雜電磁環(huán)境下的正交干擾。二維電磁流速記又稱(chēng)向量流速計(jì)，使電磁流量?jī)x表族可以進(jìn)入水文試驗(yàn)應(yīng)用領(lǐng)域。近 78 年世界著名電磁流量計(jì)制造廠（如 Baily Fischer amp。 液。 3%～ 5%降低到177。 而產(chǎn)生低頻尖峰噪聲和流體流動(dòng)噪聲，這樣往往導(dǎo)致勵(lì)磁頻率較低的三值勵(lì)磁電磁流量計(jì)輸出擺動(dòng)不穩(wěn)。 2． 基本消除由分布電容引起的工頻干擾； 3． 能抑制交流磁場(chǎng)在管壁和流體內(nèi)引起的渦電流； 4． 能消除直流磁場(chǎng)的極化現(xiàn)象。由于一般 電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組中電感和電阻的比值 L/R 往往較小。 20世紀(jì) 70年代以來(lái)，隨著集 成電路技術(shù)和同步采樣技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化，低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在電磁流量計(jì)中得到廣泛使用。一般認(rèn)為是靜電感應(yīng)、絕緣電阻分壓以及傳感器管道上的雜散電流所引起。 干擾），一般認(rèn)為正交干擾是由“變壓器效 應(yīng)”造成的。 2． 直流勵(lì)磁在電磁間產(chǎn)生不均衡的電化學(xué)干擾電勢(shì)疊加在直流流量信號(hào)中，無(wú)法消除，并隨著時(shí)間的變化、流體體質(zhì)特性以及流動(dòng)狀態(tài)而變化。國(guó)內(nèi)首臺(tái)由上海光華儀表廠于 1960年向社會(huì)提供產(chǎn)品， 1994年產(chǎn)量估計(jì)在 8500到 10000臺(tái)之間。 1941 年 Thuelemann 和 1954 年Shercliff 研究了電磁流量計(jì)的性能，建立了均勻磁場(chǎng)和點(diǎn)電極理論的標(biāo)準(zhǔn)模型[21]，發(fā)現(xiàn)只要流速分布為徑向?qū)ΨQ(chēng)，那么測(cè)量電壓與管道中的流速分布就無(wú)關(guān)。 電磁流量計(jì)的發(fā)展 1831 年，法拉弟發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，次年，法拉第在英國(guó)泰晤士河滑鐵盧的兩頭放下兩根電極，想利用地 球的地磁場(chǎng)，以河水作為導(dǎo)體測(cè)量河水的流量。 5． EMF 的口徑范圍比其他品種流量?jī)x表寬，從幾毫米到 3m。電磁流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，也可以 做成 一體式。應(yīng)用聲學(xué)原理測(cè)量流量的有超聲式、聲學(xué)式。信息化促進(jìn)了自動(dòng)化檢測(cè)儀表的發(fā)展，特別是近些年來(lái)，流程工業(yè)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) (CIMS)的出現(xiàn) [1]，無(wú)論是從質(zhì)量上，還是從數(shù)量上，都更加重視以過(guò)程狀態(tài)量為中心的現(xiàn)場(chǎng)信息，更好的測(cè)量?jī)x表，對(duì)流程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的底層自動(dòng)化產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的提高具有至關(guān)重要的作用。 1 178。 what is more, the technology of their products is strictly confidential. With the background of all the above, an EMF with technique intellectual property right of China was developed, and it could handle the very important problem of measuring the solidliquid flows on line, such as pulp and paper, at the same time with low cost and high precision. The main works in the thesis are as follows: 1. The development of EMF in the world was summarized. After studying the excitation technique at present. Using the latest chip technique the thesis provided a whole low cost system of EMF signal converter with AC excitation, which was posed of special purpose chip, microprocessor, analog and digital circuit. 2. A hardware structure was provided after analyzing the performance of the hardware system. And seven function modules were designed, including analog signal processor, the interface between analog and digital, microprocessor control module, special purpose chip, input and output module, the interface of display module, power module and system structure design etc. 3. The system was designed with a special kernel handling plex logic with real time performance, and was encrypted. At the same time, bined with the analog signal process circuit and microprocessor, the system succeeds in filtering the AC noise under plex ele