電磁流量計(jì)采用低電壓微功耗后的測(cè)量原理

    在本世紀(jì)五、六十年代，隨著電子技術(shù)和微電子領(lǐng)域的發(fā)展，電磁流量計(jì)市場(chǎng)逐步的完善起來，而隨著低電壓微功耗大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，給電磁流量計(jì)的應(yīng)用帶來又一個(gè)廣闊的前景。隨后開封流量計(jì)廠家逐漸多了起來，成為了中國(guó)的流量計(jì)基地。開封利源流量計(jì)有限公司（原開封流量計(jì)廠）是資格較老的流量計(jì)廠家。

 

    本文分析和研究國(guó)外一種低電壓微功耗電池供電電磁流量計(jì)的測(cè)量原理，主要有以下幾個(gè)方面：

 

    a. 低電壓微功耗電磁流量計(jì)的理論依據(jù)；

 

    b. 低電壓微功耗電磁流量計(jì)的變送器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

 

    c. 低電壓微功耗電磁流量計(jì)校驗(yàn)分析。

 

    1 工作原理

 

    根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢(shì)e，如果B，L，V三者互相垂直；

 

    則：e＝BLV；（B，L，V分別為磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)體的長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)速度）

 

    應(yīng)用于電磁流量計(jì)則有：（D為管道直徑）則體積流量Ｑv可表示為：

 

    由上式可見，體積流量Qv與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和測(cè)量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)。這就是電磁流量計(jì)測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的原理（見圖1）。

 

 

    電磁流量計(jì)的主要特點(diǎn)：變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有可動(dòng)部件；在測(cè)量過程中，不受被測(cè)介質(zhì)溫度、粘度、密度以及電導(dǎo)率（在一定范圍內(nèi)）的影響；量程范圍極寬，并只與被測(cè)介質(zhì)的平均流速成正比，而與軸對(duì)稱分布下的流動(dòng)狀態(tài)（層流、湍流）無關(guān)，而且反應(yīng)靈敏，線性好。

 

    可以看出，將電磁流量計(jì)進(jìn)一步開發(fā)成為低電壓微功耗電磁流量計(jì)是適宜的。但在低電壓微功耗狀態(tài)下，一般采用電池供電，這樣就需解決勵(lì)磁電路系統(tǒng)功耗大的問題，一方面要求減少勵(lì)磁電路系統(tǒng)功耗，另一方面要求得到足夠的流量信號(hào)（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e）。要滿足這些要求必須在設(shè)計(jì)中解決好勵(lì)磁電路系統(tǒng)的變送器結(jié)構(gòu)問題。

 

    2 勵(lì)磁電路系統(tǒng)變送器結(jié)構(gòu)分析

 

    電磁流量計(jì)變送器主要由測(cè)量導(dǎo)管、勵(lì)磁系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。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)，結(jié)構(gòu)上必須認(rèn)真考慮。

 

    為了減少勵(lì)磁線圈消耗太多的電能，根據(jù)勵(lì)磁線圈磁場(chǎng)原理，制作了特殊的結(jié)構(gòu)。選用優(yōu)質(zhì)的超高導(dǎo)磁率鐵氧體作為勵(lì)磁線圈鐵芯（超高導(dǎo)磁率鎳鋅NiZn鐵氧體μi>12000）（圖2）。

 

 

    3 勵(lì)磁信號(hào)的處理方法

 

    電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)是通過勵(lì)磁線圈來獲得的。目前采用三值低頻方波勵(lì)磁形式（見圖3）。

 

 

    低電壓微功耗電磁流量計(jì)，采用了精度很高的雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)各種尖脈沖及交流工頻干擾有很好的消除作用。特別是在勵(lì)磁方面采用零點(diǎn)穩(wěn)定性好、抗工頻干擾能力強(qiáng)的三值低頻方波，它能夠很好地減弱正負(fù)周期之間所產(chǎn)生的相互干擾問題，另外該流量計(jì)為了降低功耗借助勵(lì)磁涌流增強(qiáng)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到三值低頻方波勵(lì)磁的性能和效果。

 

    4 流量信號(hào)處理方法

 

    1）流量計(jì)采用日本日立公司生產(chǎn)的6B68-0031低電壓微功耗大規(guī)模集成電路MPU（MicroProcessorUnit）微處理器，作為中央控制器設(shè)計(jì)方案，芯片中的CPU控制整個(gè)儀表的運(yùn)行，與74HC02A和SL130組合，完成對(duì)流量信號(hào)的運(yùn)算與存儲(chǔ)和控制勵(lì)磁信號(hào)功能等；輸出端有儀表模擬信號(hào)（電流信號(hào)）輸出和頻率輸出等功能。

 

    2）計(jì)算機(jī)內(nèi)部CPU中央處理器對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，控制軟件支持并對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和控制。測(cè)量管段中的電極接收到的感生電動(dòng)勢(shì)e，首先經(jīng)過可變?cè)鲆媲爸梅糯笃鲗?duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，然后進(jìn)行第一級(jí)信號(hào)放大，放大了的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入CPU微處理器，同時(shí)把處理的流量數(shù)據(jù)結(jié)果送至顯示器進(jìn)行顯示量值，另外在智能化設(shè)計(jì)中CPU微處理器對(duì)外I/O接口電路中，以脈沖信號(hào)和數(shù)字信號(hào)（數(shù)據(jù)流）進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

 

    5 電磁流量計(jì)校驗(yàn)情況分析

 

    依據(jù)該產(chǎn)品（DN100）的技術(shù)參數(shù)聲明，參照水表及電磁流量計(jì)檢定規(guī)程，分別在實(shí)驗(yàn)室及該產(chǎn)品安裝后的使用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。

 

    在實(shí)驗(yàn)室，使用容積式水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（標(biāo)準(zhǔn)金屬量器準(zhǔn)確度為0。2級(jí)）進(jìn)行校準(zhǔn)，在使用現(xiàn)場(chǎng)，使用1。5級(jí)進(jìn)口便攜式超聲波流量計(jì)（經(jīng)國(guó)家水大流量檢測(cè)站校準(zhǔn)）進(jìn)行比對(duì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，示值誤差滿足其說明書聲明允許誤差，如圖4。

 

 

 

    6 結(jié)論

 

    通過對(duì)該流量計(jì)分析可以看出，以往大多數(shù)電磁流量儀表都是以220V交流供電。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源的需要，在眾多流量測(cè)量儀表中，電池供電的電磁流量計(jì)，有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，硬件和軟件設(shè)計(jì)都不同于交流供電的電磁流量計(jì)，是流體力學(xué)理論和電子技術(shù)的成功結(jié)合，使儀表的設(shè)計(jì)更合理、性能更優(yōu)越、測(cè)量更精確，未來必將引起人們更大的重視。