電磁流量計采用低電壓微功耗后的測量原理

    在本世紀五、六十年代，隨著電子技術和微電子領域的發(fā)展，電磁流量計市場逐步的完善起來，而隨著低電壓微功耗大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，給電磁流量計的應用帶來又一個廣闊的前景。隨后開封流量計廠家逐漸多了起來，成為了中國的流量計基地。開封利源流量計有限公司（原開封流量計廠）是資格較老的流量計廠家。

 

    本文分析和研究國外一種低電壓微功耗電池供電電磁流量計的測量原理，主要有以下幾個方面：

 

    a. 低電壓微功耗電磁流量計的理論依據(jù)；

 

    b. 低電壓微功耗電磁流量計的變送器結構設計；

 

    c. 低電壓微功耗電磁流量計校驗分析。

 

    1 工作原理

 

    根據(jù)法拉第電磁感應定律，當導體在磁場中運動切割磁力線時，在導體的兩端即產(chǎn)生感生電勢e，如果B，L，V三者互相垂直；

 

    則：e＝BLV；（B，L，V分別為磁場磁感應強度、導體的長度和運動速度）

 

    應用于電磁流量計則有：（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與感應電動勢e和測量管內(nèi)徑D成線性關系，與磁場的磁感應強度B成反比，與其它物理參數(shù)無關。這就是電磁流量計測量導電液體體積流量的原理（見圖1）。

 

 

    電磁流量計的主要特點：變送器結構簡單，沒有可動部件；在測量過程中，不受被測介質(zhì)溫度、粘度、密度以及電導率（在一定范圍內(nèi)）的影響；量程范圍極寬，并只與被測介質(zhì)的平均流速成正比，而與軸對稱分布下的流動狀態(tài)（層流、湍流）無關，而且反應靈敏，線性好。

 

    可以看出，將電磁流量計進一步開發(fā)成為低電壓微功耗電磁流量計是適宜的。但在低電壓微功耗狀態(tài)下，一般采用電池供電，這樣就需解決勵磁電路系統(tǒng)功耗大的問題，一方面要求減少勵磁電路系統(tǒng)功耗，另一方面要求得到足夠的流量信號（感應電動勢e）。要滿足這些要求必須在設計中解決好勵磁電路系統(tǒng)的變送器結構問題。

 

    2 勵磁電路系統(tǒng)變送器結構分析

 

    電磁流量計變送器主要由測量導管、勵磁系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機構等部分構成。為了使傳感器穩(wěn)定可靠地工作，準確地感受流量信號，結構上必須認真考慮。

 

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

 

 

    3 勵磁信號的處理方法

 

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

 

 

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

 

    4 流量信號處理方法

 

    1）流量計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，作為中央控制器設計方案，芯片中的CPU控制整個儀表的運行，與74HC02A和SL130組合，完成對流量信號的運算與存儲和控制勵磁信號功能等；輸出端有儀表模擬信號（電流信號）輸出和頻率輸出等功能。

 

    2）計算機內(nèi)部CPU中央處理器對數(shù)據(jù)信號進行處理，控制軟件支持并對流量數(shù)據(jù)進行運算和控制。測量管段中的電極接收到的感生電動勢e，首先經(jīng)過可變增益前置放大器對接收到的微弱信號進行放大，然后進行第一級信號放大，放大了的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進入CPU微處理器，同時把處理的流量數(shù)據(jù)結果送至顯示器進行顯示量值，另外在智能化設計中CPU微處理器對外I/O接口電路中，以脈沖信號和數(shù)字信號（數(shù)據(jù)流）進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。

 

    5 電磁流量計校驗情況分析

 

    依據(jù)該產(chǎn)品（DN100）的技術參數(shù)聲明，參照水表及電磁流量計檢定規(guī)程，分別在實驗室及該產(chǎn)品安裝后的使用現(xiàn)場對其進行校驗。

 

    在實驗室，使用容積式水流量標準裝置（標準金屬量器準確度為0。2級）進行校準，在使用現(xiàn)場，使用1。5級進口便攜式超聲波流量計（經(jīng)國家水大流量檢測站校準）進行比對，實驗數(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 結論

 

    通過對該流量計分析可以看出，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)境保護和節(jié)約能源的需要，在眾多流量測量儀表中，電池供電的電磁流量計，有其獨有的優(yōu)勢，硬件和軟件設計都不同于交流供電的電磁流量計，是流體力學理論和電子技術的成功結合，使儀表的設計更合理、性能更優(yōu)越、測量更精確，未來必將引起人們更大的重視。