[电磁流量计转换多电极的设计简述.docVIP

? 0 引言 ????电磁流量计根据法拉第电磁感应定律原理制成，测量导电流体的体积流量，由于其独特优点，广泛应用于腐蚀性介质、易燃易爆介质以及污水处理、化工、医药工业中各种浆液流量测量。在结构上，电磁流量计由传感器和转换器两部分组成：传感器安装在工业过程管道上，将液体体积流量变换成感应电势信号，并传输到转换器；转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成标准电信号输出，以进行显示、累积和调节控制流量值。本文设计了一种新型的多电极电磁流量计，以低频三值方波励磁方式，基于权函数理论进行流场速度分布重构，在转换器部分采用VM1微处理器作为控制与计算单元，提高了电磁流量计零点稳定性和测量准确性，实验证明该设计对于单相不对称流动与固—液两相流倾斜管测量具有较高的精度与可靠性。 ????1 多电极电磁流量计系统设计 ????本文中阐述的多电极电磁流量计传感器部分的磁路系统采用Helmholtz线圈作为励磁线圈，激励产生均匀磁场；内径80mm的非导磁材料聚甲醛树脂管段作为测量管组件；16个不锈钢材质的电极对阵列用来测量感应电势差：由于不锈钢价格经济且具备很高的抗腐蚀性及极低的相对磁导率，适合实际工业领域的应用。 ????分体式多电极电磁流量计，传感器部分安装在测量管道，并采用不锈钢外壳设计，以屏蔽外界电磁信号对测量截面处磁场的干扰，而转换器部分同样采用不锈钢外壳，提高了流量计的电磁兼容性，两者之间由屏蔽线缆连接。 ????如图1所示，多电极电磁流量计转换器以VM1微处理器为核心，结合I/O模块与前置面板模块构成整个微处理器系统；并设计前端电路建立与传感器之间的联系，将控制信号经磁路系统转换后激励Helmholtz线圈，并将传感器中电极对之间获取的原始感应电压处理转换为适合单片机内部运算的数字信号，输入VM1进行速度重构和流量计算。?????? 图1 多电极电磁流量计转换器系统构成示意图 ????1.1 励磁系统与信号处理电路设计 ????在实际应用中，由VM1微处理器内部发出两路数字信号，经由D/A转换器后转换为模拟信号DAC0/1输入到励磁时序产生电路的比较器中，结合固态继电器网络产生三值方波电流信号，经由驱动电路触发激励Helmholtz线圈最终得到低频三值方波的磁场，由此在电极对间获得同样时序的感应电压，电磁流量计实际测量感应电压信号时序如图2所示，S1～S4将一个激励周期分成4个时间序列。 ????本设计采用多电极测量，7对在管道内壁圆周处对称分布的电极采集感应电势差，因此，转换器部分包含7路布局严格对称、设计完全相同的信号处理电路。感应电压经电路处理后再由A/D转换器转换为数字信号送入微处理器。 ????由于在实际测量中，电磁流量计感应电势差是一个微弱的交变信号，1m/s的流速仅对应大约0.1mV的电势差，且信号内阻很高，为MΩ级，同时噪声信号很多，并存在零点漂移干扰，即一个不期望的电压U0（见图2），并且数值远远大于感应电势差Uj（j=1，2，…，7）。根据感应电动势特点，信号处理电路前端需要高倍差分放大电路设计（见图2），而偏置补偿电路的作用就是将零点电压值U0实时测量，并反馈补偿至信号处理电路以消除零点漂移，使感应电压不超出A/D采样可接收的数值。另外，多级模拟滤波电路也消除了因磁场方向快速转换而产生的尖刺干扰电压并滤除纹波，消除矩形波的衰减。 ????图2中（a），（b）对比了实际测量的感应电压信号Uj与电路未经优化时取得的电压U*j，很明显看出：设计合宜的信号处理电路可以大幅度改善感应电压信号的质量，保证电压幅值始终控制在A/D采样范围内，并提供更长的有效采样时间，从而提高电磁流量计的测量精度。 ????1.2 VM1微处理器系统 ????本设计采用英国剑桥Micro-Robotics公司生产的VM1微处理器作为电磁流量计的CPU。VM1是一种低成本的嵌入式控制器，因其高性能、低功耗的特点十分适合过程控制与自动化工业领域的智能仪表开发。它具有16位指令结构，运行速度16MHz，适宜作为流量仪表的控制、计算及数据存储单元。 （a）%实际感应电压信号 （b）%未经优化的感应电压信号 图2 感应电压信号 ????I/O模块包含12位A/D与D/A转换器芯片，通过I2C总线与VM1通信，可提供2路模拟信号输出和8路输入，工作电压0～5V。 ????前置面板模块载有图像控制与触摸控制芯片，通过这2种芯片分别控制分辨率为320×240的LCD液晶屏幕和电阻式触摸板。在本文设计中，触摸板放置于LCD屏幕前方，可通过编程定义虚拟键盘，即在触摸板上某一坐标位置定义特殊功能，并在LCD屏幕同一坐标处向用户显示该键位，一旦点击该键，触摸板即可检测到将碰触信号，并启用对应的程序模块，以实现人机对话。该触摸板支持手指（可