【文章內(nèi)容簡介】 作用，大大豐富了檢測技術(shù)所包含的內(nèi)容，擴(kuò)大了檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍，使檢測技術(shù)發(fā)展成為一門內(nèi)容廣泛，并建立在多種學(xué)科發(fā)展基礎(chǔ)上的自動(dòng)化技術(shù)先行學(xué)科。 電磁流量計(jì)是一種測量流體流速的速度式流量計(jì)，在推向市場后，性能不斷完善，己經(jīng)成為一種技術(shù)成熟而又應(yīng)用廣泛的新一代流量儀表。但在新技術(shù)層出不窮和工業(yè)過程要求日益提高的情況下，電磁流量計(jì)的性能必將進(jìn)一步得到提升。 II 研究的背景和意義 電磁流量計(jì)是隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速 發(fā)展起來的基于法拉第電磁感應(yīng)定理的用來測量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表 。 技術(shù)發(fā)展動(dòng)向 在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，世界各國的流量計(jì)生產(chǎn)廠商都努力將最新科技應(yīng)用到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，以提高產(chǎn)品的性能，擴(kuò)大產(chǎn)品的使用范圍。具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面 ：提高儀表智能性 、 提高勵(lì)磁技術(shù)水平 、 增強(qiáng)信號(hào)處理能力 、 提高系統(tǒng)的開放性 幾個(gè)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(yīng)用，使儀表通過軟件控制和管理整個(gè)測量的工作過程得以實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮出微機(jī)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(hào)處理、非線性補(bǔ)償、數(shù)字濾波、零點(diǎn)自校準(zhǔn)等新功能的增加上。 提高勵(lì)磁技術(shù)水平，改善測量性能測量精度和穩(wěn)定性是電磁流量計(jì)的重要技術(shù)指標(biāo)，并與所采用的勵(lì)磁技術(shù)密切相關(guān)。隨著電磁流量計(jì)和電子技術(shù)的發(fā)展，勵(lì)磁技術(shù)也從直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁、低頻矩形勵(lì)磁發(fā)展到三值低頻矩形勵(lì)磁及雙頻勵(lì)磁技術(shù)階段，其目的就是為了減少干擾、提高檢測精度和儀表零點(diǎn)穩(wěn)定性。目前低頻矩形勵(lì)磁和三值低頻矩形勵(lì)磁己成為國外電磁流量勵(lì)磁方式的主流。另外，國外還出現(xiàn)了可由微機(jī)控制勵(lì)磁電壓，可按被測流體性 質(zhì)選用所需勵(lì)磁方式，并能根據(jù)各種勵(lì)磁方式進(jìn)行信號(hào)運(yùn)算處理，準(zhǔn)確地找出被各種噪聲埋沒的流量信號(hào)的智能電磁流量計(jì) 。 增強(qiáng)信號(hào)處理能力，減小測量誤差 。 智能化電磁流量計(jì)經(jīng)降低勵(lì)磁電流、改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)及其磁通分布密度，使其小型、輕量一體化的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，但其單位流速電感也變得更小，而對(duì)于不同的測量介質(zhì)，流量傳導(dǎo)內(nèi)阻變化很大，增加了信號(hào)處理的難度。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，用高性能集成芯片和微處理器來提高信號(hào)放大處理精度、拓寬儀表檢測量程、補(bǔ)償檢測 誤差及零點(diǎn)校準(zhǔn)己成為當(dāng)今儀表的發(fā)展方向之一。同時(shí)，在軟件上采 取非 線性補(bǔ)償和數(shù)字濾波等高級(jí)處理能力也是增強(qiáng)儀表信號(hào)處理能力、減少測量誤差的一個(gè)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(gòu)開放性、通訊接口開放性以及人機(jī)界面開放性。增強(qiáng)系統(tǒng)開放性有利于系統(tǒng)功能擴(kuò)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(hù)。隨著 EDA工具及可編程器件技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，流量儀表工業(yè)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。 III 電磁流量計(jì)是一種測量導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的計(jì)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(biāo)定的液體種類在一定的導(dǎo)電率范圍內(nèi)無關(guān)等特點(diǎn) .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(qiáng)酸、強(qiáng)堿液體的體積流量。可廣泛應(yīng)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(shù)部門，特別是在環(huán)保領(lǐng)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 。 ： 電磁流量檢測儀表是利用法拉弟電磁感應(yīng)原理制成的測量導(dǎo)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(yīng)用最廣泛的流量儀表之一。 我 國經(jīng)過多年的技術(shù)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(diǎn)低，還處于比較落后的狀況。主要表現(xiàn)在 一下幾個(gè)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(diǎn)在于利用單片機(jī)等集成芯片開發(fā)智能電磁流量計(jì)， 充分利用了單片機(jī)系統(tǒng)良好的軟硬件資源，達(dá)到了增強(qiáng)儀表功能、提高測量精度、可靠性及開放性的目的 。 . 網(wǎng)絡(luò)式智能電磁流量儀的總體組成模塊 網(wǎng)絡(luò)式電磁流量顯示儀所具有的各個(gè)模塊有： 電磁流量傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊 、 A /D模 塊、勵(lì)磁模塊 、 RS485通信模塊 、 I2C數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 、 LED顯示模塊 、 鍵盤控制模塊。 儀 的模塊功能 電磁流量計(jì)在結(jié)構(gòu)上一般由電磁流量計(jì)傳感器和電磁流量計(jì)信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、勵(lì)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(chǔ)模塊。各單元功能如下 : 電磁流量傳感器 :依據(jù)線性關(guān)系將導(dǎo)管內(nèi)被測流體的流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。 信 號(hào)轉(zhuǎn)換模塊 :將傳感器所輸出的小電壓信號(hào)進(jìn)行放大，并濾除掉與被測信號(hào)無關(guān)的干 擾信號(hào)使信號(hào)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(jī)進(jìn)行處理。 勵(lì)磁模塊 :為變送器提供勵(lì)磁電流。 IV RS485通信模塊 :為儀表提供 RS485標(biāo)準(zhǔn)總線通信接口。 鍵盤控制模塊 :完成儀表的參數(shù)設(shè)置和控制。 LED顯示模塊 :完成儀表的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等實(shí)時(shí)顯示。 I2C數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 :存放流量積算后的累計(jì)流量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)正常工作所必須設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)。 計(jì)的選用與安裝應(yīng)該注意的事項(xiàng) 1）大口徑儀表較多應(yīng)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(xué)工業(yè)的強(qiáng)腐蝕液以及鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)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(diǎn)：精度 、 流速 、 范圍度 、 口徑 、 液體電導(dǎo)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(dòng)方向 、 接地 。 本章首先 講述了電磁流量在現(xiàn)實(shí)中的重要性，然后對(duì)電磁流量計(jì)的發(fā)展和發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行闡述，對(duì)網(wǎng)絡(luò)式智能電磁流量顯示儀的模塊功能進(jìn)行總體的闡述和介紹，同時(shí)對(duì) 電磁流量計(jì)的選用與安裝應(yīng)該注意的事項(xiàng)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(gòu) 電磁 流量 傳感器 的工作 原理 1831年， 法拉第最早通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象 .實(shí)驗(yàn)表明 ， 通過導(dǎo)體回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電流。此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U與通過閉合回路面積的磁感應(yīng)通量，的變化率成正比 。 原理 測量原理 是基于法拉第電磁感應(yīng)定律， 導(dǎo)電性的液體在流動(dòng)時(shí)切割磁力線，也會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。因此可應(yīng)用電磁感應(yīng)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(dòng)勢(shì)的方向 ， 在管道直徑確定，磁感應(yīng)強(qiáng)度不變的條件下，體積流量與電磁感應(yīng)電勢(shì)有一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，而與流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率無關(guān) 。 如 圖 。在勵(lì)磁線圈通以勵(lì)磁電壓后，絕緣導(dǎo)管便處于磁力線密度為 B的均勻磁場中，當(dāng)平均流速為 v的導(dǎo)電性液體流經(jīng)絕緣導(dǎo)管時(shí)，那么在 導(dǎo)線內(nèi)徑為 D的管道壁上設(shè)置的一對(duì)電極中，便會(huì)產(chǎn)生如下式所表示的電動(dòng)勢(shì) 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(dǎo)管的內(nèi)徑（ m） 液體流動(dòng)的容積流量 的計(jì)算如下： 根據(jù)上 面的公 式可以看出，容積流量 Qv與電動(dòng)勢(shì) E成正比。如果我們事先知道導(dǎo)管內(nèi)徑和磁場的磁通密度 B，那么就可以通過對(duì)電動(dòng)勢(shì)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(dǎo)電的，但它還是有許多優(yōu)點(diǎn)。 (1).沒有機(jī)械可動(dòng)部分。 (2).由于 電極的距離正好為導(dǎo)管的內(nèi)徑，因此沒有妨礙流體流動(dòng)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(hào)。 (4).測量結(jié)果不受流體粘度的影響。 (5).由于電動(dòng)勢(shì)是在包含電極的導(dǎo)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(dá) 177。% 。 結(jié)構(gòu) 首先，先介紹流量的概念，流量就是在單位時(shí)間內(nèi)流體通過一定截面積的數(shù)量，這個(gè)量用流體的體積來表示，稱為瞬時(shí)體積流量，簡稱體積流量，單位 m3/h。對(duì)在一定通道內(nèi)流動(dòng)流體的流量進(jìn)行測量統(tǒng)稱為流量計(jì)量。 電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。 20世紀(jì) 50年代，電磁流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，近年來電磁流量計(jì)性能有了很大提高，得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與原理可知，他有如下的主要特點(diǎn)：電磁流量計(jì)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(dǎo)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(dǎo)電率很低的液體，如石油制品和有機(jī)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(jì)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(jì)在結(jié)構(gòu)上一般由電磁流量計(jì)傳感器和電磁流量計(jì)信號(hào)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(jì)＝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(yīng)電勢(shì)信號(hào)，并通過傳輸線將此信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換器的作用是將傳感器送來的流量信號(hào)進(jìn)行比較、放大、并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測液體流量的遠(yuǎn)距離指示、記錄、積算或調(diào)節(jié)控制。也有的電磁流量計(jì)將傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器裝在一起組成一體型電磁流量計(jì)，可就地顯示，并遠(yuǎn)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?lì)磁電壓幅值和頻率變化引起的誤差。 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 流量 儀 傳感器的選擇 ，轉(zhuǎn)換器應(yīng)具備的性能 1．線性放大能力 。 轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有高穩(wěn)定性能的線性放大器，能把毫伏級(jí)流量信號(hào)放大到足夠高的電平，并線性地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。 2．能夠分辨和抑制各種干擾信號(hào) 。 根據(jù)不同的勵(lì)磁方式，轉(zhuǎn)換器應(yīng)有相應(yīng)的措施抑制或消除各干擾信號(hào)的影響。對(duì)于正交干擾，除了傳感器中的干擾調(diào)熬機(jī)構(gòu)調(diào)零外，轉(zhuǎn)換器中應(yīng)有分辨和 抑制正交干擾的機(jī)構(gòu)，以消除傳感器中剩余的正交干擾信號(hào) 。否則這些干擾信號(hào)同樣會(huì)被轉(zhuǎn)化器的放大器放大，嚴(yán)重影響儀表工作。對(duì)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(hào)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(jìn)來的正交干擾信號(hào)。本課題利用的是低頻三值勵(lì)磁方式很好的解決了正交干擾。 。 。 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(hào)的器件或裝置。在有些學(xué)科領(lǐng)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(hào)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(yīng)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(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電’信號(hào)部分。選擇傳感器的總的原則是：在滿足對(duì)傳感器所有技術(shù)要求情況下，成本低廉，工作可靠和容易維修，即所謂性能價(jià)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(hào)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(jìn)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(jìn)行變換的傳感器。而如果從另一個(gè)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(yīng)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(yīng)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(shù)的飛速發(fā)展，其發(fā)展方