1.概述
電磁流量計作為一種基于法拉第電磁感應(yīng)定律測量導(dǎo)電流體速度的感應(yīng)式儀表,其測量結(jié)果與被測流體的工作壓力溫度、密度以及黏度等物理參數(shù)無關(guān),而且測量部分沒有活動部件和阻礙流體流動的擾動件,具有工作可靠精度高、壓力損失小以及反應(yīng)靈敏等特點,因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了**的應(yīng)用。在單相流體參數(shù)檢測中,電磁流量計一般采用點狀電極形式,適用于管道流體速度分布呈軸對稱情況,否則會引起測量誤差2。為降低流速分布對測量結(jié)果的影響,可采用弧狀電極形式的電磁流量計3-4。為實現(xiàn)管道流體速度參數(shù)的檢測,并降低流體速度分布對測量結(jié)果的影響,筆者設(shè)計了基于弧狀電極電磁流量計的流體參數(shù)測量系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
弧狀電極電磁流量計流體參數(shù)測量系統(tǒng)主要包括感應(yīng)電壓檢測模塊、信號處理模塊以及PⅪI模塊3個部分如圖2所示。
2.1感應(yīng)電壓檢測模塊
感應(yīng)電壓檢測模塊主要由勵磁電路和弧狀電極傳感器組成,其中勵磁電路用來在流體測量區(qū)域產(chǎn)生盡量均勻的磁場分布,而內(nèi)嵌在管道內(nèi)壁與流體接觸的弧狀電極傳感器則負(fù)責(zé)拾取帶有流體速度參數(shù)的感應(yīng)電壓信號。為在流體測量區(qū)域產(chǎn)生盡可能均勻的磁場,勵磁線圈采用馬鞍形線圈。在勵磁系統(tǒng)設(shè)計中,鐵芯可以提供磁通路徑,從而改變磁場分布,并加強磁感應(yīng)強度。同時,為降低鐵芯渦流損耗以及增加磁路導(dǎo)磁系數(shù),鐵芯采用表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊加而成。在鐵芯上套上馬鞍形線圈即組成勵磁系統(tǒng)。直流勵磁使得弧狀電極拾取的感應(yīng)電壓中存在極化電壓信號,而交流勵磁則會引起的正交干擾和同相干擾。因此,為克服直流勵磁和交流勵磁存在的缺點,設(shè)計采用在線圈中施加頻率∫=6.25Hz的低頻矩形波勵磁方式。勵磁電路主要包括AD620和AD71組成的壓控電流源電路和三極管9013和9012組成的互補對稱推挽型功率放大電路,如圖3所示,模擬電壓信號由PXI模塊的模擬信號輸出端給出。
2.2信號處理模塊
電極之間的感應(yīng)電壓是非常微弱的交變信號,而且包含各種噪聲干擾信號,因此為有效采集感應(yīng)電壓信號,檢測信號必須進行信號處理。信號處理模塊主要包括等電位屏蔽電路、前置放大電路、濾波電路、可編程放大電路以及采樣保持電路幾個部分。為保證外部電磁場不對傳輸信號的信號線產(chǎn)生干擾,采用屏蔽電纜輸出電極上的微弱信號。然而在屏蔽電纜屏蔽層和信號線之間存在著分布電容和分布電阻,其中分布電容一般高于放大器輸入電容,分布電阻幾乎等于放大器輸人電阻,這給信號的檢測帶來很大的影響。采用等電位驅(qū)動屏蔽電纜電路可以避免屏蔽電纜分布電容和分布電阻影響,如圖4所示,此時,屏蔽電纜信號線電壓等于屏蔽層電壓,即屏蔽電纜分布電容和分布電阻上電流為0,不會影響屏蔽電纜信號線上的電極輸出信號。
前置放大電路將電極之間的微弱信號進行放大處理。當(dāng)管道流體電導(dǎo)率在10~106S/m變化時,檢測信號內(nèi)阻范圍為十幾Ω到十幾M2,因此為提高測量精度,前置放大電路的輸入阻抗必須遠大于檢測信號輸出阻抗,即必須具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移和非線性度小等特點。按照微弱信號放大器設(shè)計原則,前置放大增益不宜設(shè)置得太高,否則不利于后級電路對噪聲干擾處理。采用低功耗高精度AD620實現(xiàn)微弱信號的前置放大設(shè)計,如圖5所示,通過調(diào)整電阻R1完成即可設(shè)置增益范圍為1~10000倍的調(diào)整。
經(jīng)前置放大電路后,電極之間的電動勢由差動信號變?yōu)閱味诵盘枴Ｒ驕y量電路存在噪聲干擾,前置放大電路輸出信號中存在直流偏置和基線漂移,同時還存在高頻尖峰噪聲,因此需采用濾波電路對雜散信號進行抑制。設(shè)計采用具有低輸入失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、高開環(huán)增益和高共模抑制比的OP07組成二階壓控電壓源型高通濾波(截止頻率0.034Hz)和低通濾波(截止頻率72Hz)級聯(lián)電路。濾波電路輸出信號幅度較小,因此需經(jīng)次級放大電路提高增益。設(shè)計采用可編程儀表放大器PGA202與PGA203組成的級聯(lián)放大電路,如圖6所示。通過控制引腳D3、D2、Dl、DO可實現(xiàn)信號1~8000放大倍數(shù)的調(diào)節(jié),TL控制電平D3、D2、D1、D0由PXI模塊的數(shù)字邏輯輸出端給出。
采樣保持電路實際是一種模擬信號存儲器,其開關(guān)通斷通過數(shù)字指令控制,從而完成輸入信號瞬時值的采樣及存儲。圖7所示為集成芯片LF398組成的采樣保持電路,該電路具有采樣速度快、保持下降速度慢、抗干擾能力強和不易受溫度影響等特點,其邏輯電平輸人與TI相連。當(dāng)TTL為高電平時,對輸入信號進行采樣;當(dāng)TIL為低電平時,對輸入信號進行保持。
2.3 PXI模塊
在弧狀電極電磁流量計流體參數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計中,信號的采集與控制采用PXI模塊實現(xiàn)。PXI是由N公司發(fā)布的基于PC的測量和自動化平臺,結(jié)合了PCI的電氣總線特性、 CompactPCI的模塊化和堅固性及 Eurocard機械封裝特性,從而成為自動化和測量系統(tǒng)的高性能低成本運載平臺。PXI模塊通常包括機
箱、系統(tǒng)控制器和外設(shè)等部分。設(shè)計中采用PXI1042Q作為主控機箱,PXI-8106雙核嵌入式控制器作為系統(tǒng)控制器,高速多功能數(shù)據(jù)采集卡PXI6251作為外設(shè)模塊。其中,PⅪI6251可以輸出2路16位模擬信號,更新速度為2.8MS/s;具有24路數(shù)字TTL輸入輸出控制;可進行16路16位的模擬信號采集,單通道采集頻率為1.25MS/s。設(shè)計中采用圖形化語言LabVIEW8.5進行PXI模塊的設(shè)計,主要是輸出1路低頻方波電壓信號、1路數(shù)字脈沖信號、多路數(shù)字TTL電平信號并完成信號的采集和保存等。
3.實驗結(jié)果
弧狀電極電磁流量計單相流測試實驗在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進行。考慮到管道流體流速范圍較低,因此采用靜態(tài)質(zhì)量法(稱重法)以提高測量精度。由于稱重器的量程影響稱重時間的長短,為保證稱重精度,實驗中使稱重器工作在滿量程的60%以上,并且ZUI短稱量時間應(yīng)大于30s單相流實驗測試平臺如圖8所示。
4.結(jié)束語
為研究管道中流體速度參數(shù),設(shè)計了
弧狀電極電磁流量計流體參數(shù)測量系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括感應(yīng)電壓檢測模塊、信號處理模塊以及PⅪI模塊3個部分。其中,感應(yīng)電壓檢測模塊提供了勵磁磁場,當(dāng)流體在管道流過時在弧狀電極上得到感應(yīng)電壓;信號處理模塊包含了感應(yīng)電壓信號的等電位屏蔽、放大、濾波以及采樣保持等處理;PX模塊輸出1路低頻方波電壓信號、1路數(shù)字脈沖信號、多路數(shù)字TTL電平信號并完成信號的采集和保存。通過在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進行的單相流測試實驗表明,弧狀電極電磁流量計的感應(yīng)電壓與流體速度之間存在很好的線性關(guān)系,從而可以通過測量電極之間的感應(yīng)電壓對流體速度進行計算。
上一條：
電磁流量計的干標(biāo)定原理及實現(xiàn)方法
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電磁流量計日常保養(yǎng)措施
