【文章內(nèi)容簡介】 、 增強信號處理能力 、 提高系統(tǒng)的開放性 幾個方面 : 提高儀表智能性。儀表的 智能性主要是功能上的智能性， 特別是近年來新型微處理器的出現(xiàn)和應用，使儀表通過軟件控制和管理整個測量的工作過程得以實現(xiàn)，充分發(fā)揮出微機的功能和靈活性。另外，流量儀表的智能性還體現(xiàn)在空管檢測、正 /反向流量測量、小信號處理、非線性補償、數(shù)字濾波、零點自校準等新功能的增加上。 提高勵磁技術水平，改善測量性能測量精度和穩(wěn)定性是電磁流量計的重要技術指標，并與所采用的勵磁技術密切相關。隨著電磁流量計和電子技術的發(fā)展，勵磁技術也從直流勵磁 、交流勵磁、低頻矩形勵磁發(fā)展到三值低頻矩形勵磁及雙頻勵磁技術階段，其目的就是為了減少干擾、提高檢測精度和儀表零點穩(wěn)定性。目前低頻矩形勵磁和三值低頻矩形勵磁己成為國外電磁流量勵磁方式的主流。另外，國外還出現(xiàn)了可由微機控制勵磁電壓，可按被測流體性質(zhì)選用所需勵磁方式，并能根據(jù)各種勵磁方式進行信號運算處理，準確地找出被各種噪聲埋沒的流量信號的智能電磁流量計 。 增強信號處理能力，減小測量誤差 。 智能化電磁流量計經(jīng)降低勵磁電流、改進傳感器結(jié)構及其磁通分布密度，使其小型、輕量一體化的目標得以實現(xiàn)，但其單位流速電感也變得 更小，而對于不同的測量介質(zhì)，流量傳導內(nèi)阻變化很大，增加了信號處理的難度。隨著微電子技術和計算機技術的進步，用高性能集成芯片和微處理器來提高信號放大處理精度、拓寬儀表檢測量程、補償檢測 誤差及零點校準己成為當今儀表的發(fā)展方向之一。同時，在軟件上采取非 線性補償和數(shù)字濾波等高級處理能力也是增強儀表信號處理能力、減少測量誤差的一個重要舉措。 提高系統(tǒng)的開放性。系統(tǒng)的開放性包括硬件電路開放性、軟件結(jié)構開放性、通訊接口開放性以及人機界面開放性。增強系統(tǒng)開放性有利于系統(tǒng)功能擴展、儀表間的互聯(lián)以及系統(tǒng)組網(wǎng)，更有利于操作 和維護。隨著 EDA工具及可編程器件技術的發(fā)展和日趨成熟，流量儀表工業(yè)進入了新的發(fā)展時期。 III 應用現(xiàn)狀 電磁流量計是一種測量導電介質(zhì)體積流量的計量儀表，具有無節(jié)流阻流部件，不易堵塞，耐腐蝕性好，適用介質(zhì)范圍廣，測量精度不受被測介質(zhì)溫度、粘度、密度、壓力、比重等物理參數(shù)的影響，其示值與被標定的液體種類在一定的導電率范圍內(nèi)無關等特點 .除可測量一般液體的流量外，還可測量液固兩相流、高粘度液流及鹽類、強酸、強堿液體的體積流量。可廣泛應用于水泥、化工、輕紡、冶金、礦山、造紙、醫(yī)藥、給排水、食品飲料、制糖 、釀造等工業(yè)技術部門，特別是在環(huán)保領域，電磁流量儀表己成為定量管理企業(yè)污水排放的有力手段 。 本課題研究的意義 ： 電磁流量檢測儀表是利用法拉弟電磁感應原理制成的測量導電流體體積的儀表，與現(xiàn)有各種非電磁流量檢測儀表相比，性能好，適用范圍廣，是目前應用最廣泛的流量儀表之一。 我 國經(jīng)過多年的技術探索和產(chǎn)品開發(fā)，雖然己在電磁流量檢測儀表開發(fā)方面取得了一定的成績，但由于起步遲、起點低，還處于比較落后的狀況。主要表現(xiàn)在 一下幾個方面： 功能弱 、 檢測精度低 、 可靠性不高 、 開放性差 。本課題的研究重點在于利用單片機等集成芯片 開發(fā)智能電磁流量計， 充分利用了單片機系統(tǒng)良好的軟硬件資源，達到了增強儀表功能、提高測量精度、可靠性及開放性的目的 。 . 網(wǎng)絡式智能電磁流量儀的總體組成模塊 網(wǎng)絡式電磁流量顯示儀所具有的各個模塊有： 電磁流量傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊 、 A /D模塊、勵磁模塊 、 RS485 通信模塊 、 I2C數(shù)據(jù)存儲模塊 、 LED 顯示模塊 、 鍵盤控制模塊。 網(wǎng)絡式智能電磁流量 儀 的模塊功能 電磁流量計在結(jié)構上一般由電磁流量計傳感器和電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器兩部分組成。 轉(zhuǎn)換器又包括流量轉(zhuǎn)換單元和流量積算、控制單元。其中流量轉(zhuǎn)換單元包括 信號轉(zhuǎn)換模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、勵磁電流發(fā)生模塊 。 流量積算、控制單元包括 RS485 通信接口、鍵盤控制模塊、 LED 顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。各單元功能如下 : 電磁流量傳感器 :依據(jù)線性關系將導管內(nèi)被測流體的流量信號轉(zhuǎn)換成相應的電壓信號。 信號轉(zhuǎn)換模塊 :將傳感器所輸出的小電壓信號進行放大，并濾除掉與被測信號無關的干 擾信號使信號純化，為 A/D轉(zhuǎn)換器提供放大的模擬量。 A /D模塊 :將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給單片機進行處理。 勵磁模塊 :為變送器提供勵磁電流。 IV RS485通信模塊 :為儀表提供 RS485標準總線通信接口。 鍵盤控制模塊 :完成儀表的參數(shù)設置和控制。 LED顯示模塊 :完成儀表的瞬時流量、累計流量等實時顯示。 I2C數(shù)據(jù)存儲模塊 :存放流量積算后的累計流量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)正常工作所必須設置的各項參數(shù)。 電磁流量計的選用與安裝應該注意的事項 1）大口徑儀表較多應用于給排水工程。 2）中小口徑常用于固液雙相流等難測流體或高要求場所如測量造紙工業(yè)紙漿液和黑液、有色冶金業(yè)的礦漿、選煤廠的煤漿、化學工業(yè)的強腐蝕液以及鋼鐵工業(yè)高爐風口冷卻水控制和監(jiān)漏，長距離管道煤的水力輸送的流量測量和控 制。 3）小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等有衛(wèi)生要求的場所。 4）選用考慮要點：精度 、 流速 、 范圍度 、 口徑 、 液體電導率 。 5） 流量傳感器安裝 ： 安裝場所 、 直管段長度要求 、 位置和流動方向 、 接地 。 本章首先講述了電磁流量在現(xiàn)實中的重要性，然后對電磁流量計的發(fā)展和發(fā)展動向進行闡述，對網(wǎng)絡式智能電磁流量顯示儀的模塊功能進行總體的闡述和介紹，同時對 電磁流量計的選用與安裝應該注意的事項也添加了具體說明 。 V 第 2章 電磁流量儀 工作原理與結(jié)構 電磁 流量 傳感器 的工作 原理 法拉第電磁感應定律 1831年， 法拉第最早通過實驗發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象 .實驗表明 ， 通過導體回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時，在回路中就會產(chǎn)生感應電動勢及感應電流。此感應電動勢U與通過閉合回路面積的磁感應通量，的變化率成正比 。 電磁流量傳感器的 原理 測量原理 是基于法拉第電磁感應定律， 導電性的液體在流動時切割磁力線，也會產(chǎn)生感生電動勢。因此可應用電磁感應定律來測定流速，電磁流量傳感器就是根據(jù)這一原理制成的。 可以通過右手規(guī)則判定電動勢的方向 ， 在管道直徑確定，磁感應強度不變的條件下，體積流 量與電磁感應電勢有一一對應的線性關系，而與流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率無關 。 如 圖 。在勵磁線圈通以勵磁電壓后，絕緣導管便處于磁力線密度為 B的均勻磁場中，當平均流速為 v的導電性液體流經(jīng)絕緣導管時，那么在導線內(nèi)徑為 D的管道壁上設置的一對電極中，便會產(chǎn)生如下式所表示的電動勢 E， 圖 E = KBDV 式中 v—— 液體的平均流速（ m/s） VI B—— 磁場的磁通密度（ T） D—— 導管的內(nèi)徑（ m） 液體 流動的容積流量 的計算如下： 根據(jù)上 面的公 式可以看出，容積流量 Qv與電動勢 E成正比。如果我們事先知道導管內(nèi)徑和磁場的磁通密度 B，那么就可以通過對電動勢的測定，求出容積的流量。雖然電磁流量傳感器的使用條件是要求流體是導電的，但它還是有許多優(yōu)點。 (1).沒有機械可動部分。 (2).由于電極的距離正好為導管的內(nèi)徑，因此沒有妨礙流體流動的障礙，壓力損失極小。 (3).能夠得到與容積流量成正比的輸出信號。 (4).測量結(jié)果不受流體粘度的影響。 (5).由于電動勢是在包含電極的導管的斷面處作為平均流速測得 的，因此受流速分布影響較小。 (6).測量范圍寬，可以從 —— 190000m3/h。 (7).測量精度高，可達 177。% 。 電磁流量傳感器的 結(jié)構 首先，先介紹流量的概念，流量就是在單位時間內(nèi)流體通過一定截面積的數(shù)量，這個量用流體的體積來表示，稱為瞬時體積流量，簡稱體積流量，單位 m3/h。對在一定通道內(nèi)流動流體的流量進行測量統(tǒng)稱為流量計量。 電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表。 20世紀 50年代，電磁流量計實現(xiàn)了工業(yè)化應用，近年來電磁流量計性能有了很大提高， 得到了廣泛的應用。根據(jù)電磁流量計的結(jié)構與原理可知，他有如下的主要特點：電磁流量計的測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管，因不易阻塞，適用于測量含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿、和污水漿等；不產(chǎn)生 因檢測流量所形成的壓力損失；測得的體積流量不受流體密度、粘度、溫度、壓力、和導電率變化明顯的影響；前置直管段要求較低；測量范圍大，通常為 20： 1到 50： 1；不能測量導電率很低的液體，如石油制品和有機溶劑等；不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體；通用型電磁流量計由于受襯里材料和電氣絕緣 材料的限制，不能用于較高溫度液體的測量。 其次， 電磁流量計在結(jié)構上一般由電磁流量計傳感器和電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器兩部4/2??DQv ?2/.4 DQ v ?? ?vv KDkBE ?? )/4( ? VII 分組成。 電磁流量計＝流量傳感器＋轉(zhuǎn)換器 。 圖 電磁流量 傳感器示意圖 如圖 ， 一般情況下傳感器和轉(zhuǎn)換器是分體的，傳感器安裝在生產(chǎn)過程工藝管道上，它的作用是將流經(jīng)管內(nèi)的液體流量值線性地 變換成感應電勢信號，并通過傳輸線將此信號送到轉(zhuǎn)換器中去，主要由 外殼 、 磁路系統(tǒng) 、 測量管 、 襯里 、 電極 組成。 信號轉(zhuǎn)換器的作用是將傳感器送來的流量 信號進行比較、放大、并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標準的輸出信號，以實現(xiàn)對被測液體流量的遠距離指示、記錄、積算或調(diào)節(jié)控制。也有的電磁流量計將傳感器和信號轉(zhuǎn)換器裝在一起組成一體型電磁流量計，可就地顯示，并遠傳顯示和控制。 轉(zhuǎn)換器由 前置放大器、主放大器、相敏整流、功率放大、線圈、霍爾乘法器、電位分壓器組成?；魻柍朔ㄆ饔靡韵齽畲烹妷悍岛皖l率變化引起的誤差。 圖 轉(zhuǎn)換器組成原理 前置放大 主放大 相敏整流 功率放大 正交干擾抑制 線圈 霍爾乘法器 電位分壓器 Ex Vx Io Iy Vh Kz A1 A3 A4 A2 VIII 網(wǎng)絡式智能電磁 流量 儀 傳感器的選擇 電磁流量傳感器的特點，轉(zhuǎn)換器應具備 的性能 1．線性放大能力 。 轉(zhuǎn)換器應具有高穩(wěn)定性能的線性放大器，能把毫伏級流量信號放大到足夠高的電平，并線性地轉(zhuǎn)換成標準電信號輸出。 2．能夠分辨和抑制各種干擾信號 。 根據(jù)不同的勵磁方式，轉(zhuǎn)換器應有相應的措施抑制或消除各干擾信號的影響。對于正交干擾，除了傳感器中的干擾調(diào)熬機構調(diào)零外，轉(zhuǎn)換器中應有分辨和 抑制正交干擾的機構，以消除傳感器中剩余的正交干擾信號。否則這些干擾信號同樣會被轉(zhuǎn)化器的放大器放大，嚴重影響儀表工作。對正交干擾的抑制方法一般是將經(jīng)過主放大器放大后的正交干擾信號通過相敏檢波的方式鑒別分離出來，然后反饋到主放大器輸入端，以抵消輸入端進來的正交干擾信號。本課題利用的是低頻三值勵磁方式很好的解決了正交干擾。 。 。 流量傳感器的選擇 的說明 所謂傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。在有些學科領域，傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉(zhuǎn)換器等。傳感器的輸出信號通常是電量，它便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；，轉(zhuǎn)換元件是指傳感器 中將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電’信號部分。選擇傳感器的總的原則是：在滿足對傳感器所有技術要求情況下，成本低廉，工作可靠和容易維修，即所謂性能價格比要大。傳感器大致可以分為兩類：第一類是將物理量變換為電量的傳感器。通常由于信號處理、便于測量、精度等要求，而將所有的物理量變換成電量的輸出來進行測量的傳感器。第二類是將電、光、溫度、聲、位移、壓力等物理量相互間進行變換的傳感器。而如果從另一個角度來看，也可以將傳感器分為基本型與組合型兩類。所謂基本型傳感器，就是將光、磁、溫度、壓力、氣體、濕 度等基本物理量變換成電量或其它物理量的傳感器。所以在基本型傳感器又可分為：光傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、應變式傳感器、磁傳感器、氣敏傳感器、濕度傳感器和生物傳感器。所謂組合型傳感器，就是應用基本型傳感器來檢測其它的物理量的傳感器。而組合型傳感器又可分為：流量、流速傳感器，速度傳感器，距離、位置、位移傳感器，重量傳感器，加速度傳感器，轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)角傳感器，物位傳感器，厚度傳感器等隨著傳感器技術的飛速發(fā)展，其發(fā)展方向有兩個：一個是傳感器本身的研究開發(fā)，另一個是與計算機相連接的傳感器系統(tǒng)的研究開發(fā)。其中，傳感器本 身的研究開發(fā)有兩個分支，一個 IX 是有關傳感器的新技術與新原理的基礎研究，另一個是面對著生產(chǎn)與社會日益迫切的需要，出現(xiàn)了一大批新穎的傳感器產(chǎn)品，如陶瓷型傳感器、仿生化學傳感器等。 電磁流量計應用領域非常廣泛，其傳感器的選擇是其中最主要的，因為傳感器的類型就大部分決定了傳感器成品將來使用的場合，按應用場合有大口徑、中小口徑、小口徑和微小口徑之分，其中大口徑的較多應用于給排水工程，中小口徑常應用于固液雙相等難測流體或高要求場所，如測量造紙工業(yè)紙漿液和黑液、有色冶金