多電極電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)原理

電磁流量計(jì)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律原理制成，測(cè)量導(dǎo)電流體的體積流量，由于其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于腐蝕性介質(zhì)、易燃易爆介質(zhì)以及污水處理、化工、醫(yī)藥工業(yè)中各種漿液流量測(cè)量。在結(jié)構(gòu)上，電磁流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成：傳感器安裝在工業(yè)過(guò)程管道上，將液體體積流量變換成感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)，并傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換器將傳感器送來(lái)的流量信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出，以進(jìn)行顯示、累積和調(diào)節(jié)控制流量值。本文設(shè)計(jì)了一種新型的多電極電磁流量計(jì)，以低頻三值方波勵(lì)磁方式，基于權(quán)函數(shù)理論進(jìn)行流場(chǎng)速度分布重構(gòu)，在轉(zhuǎn)換器部分采用VM1微處理器作為控制與計(jì)算單元，提高了電磁流量計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)對(duì)于單相不對(duì)稱流動(dòng)與固—液兩相流傾斜管測(cè)量具有較高的精度與可靠性。
1 多電極電磁流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  本文中闡述的多電極電磁流量計(jì)傳感器部分的磁路系統(tǒng)采用Helmholtz線圈作為勵(lì)磁線圈，激勵(lì)產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)；內(nèi)徑80mm的非導(dǎo)磁材料聚甲醛樹脂管段作為測(cè)量管組件；16個(gè)不銹鋼材質(zhì)的電極對(duì)陣列用來(lái)測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)差：由于不銹鋼價(jià)格經(jīng)濟(jì)且具備很高的抗腐蝕性及極低的相對(duì)磁導(dǎo)率，適合實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
  分體式多電極電磁流量計(jì)，傳感器部分安裝在測(cè)量管道，并采用不銹鋼外殼設(shè)計(jì)，以屏蔽外界電磁信號(hào)對(duì)測(cè)量截面處磁場(chǎng)的干擾，而轉(zhuǎn)換器部分同樣采用不銹鋼外殼，提高了流量計(jì)的電磁兼容性，兩者之間由屏蔽線纜連接。
  如圖1所示，多電極電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器以VM1微處理器為核心，結(jié)合I/O模塊與前置面板模塊構(gòu)成整個(gè)微處理器系統(tǒng)；并設(shè)計(jì)前端電路建立與傳感器之間的聯(lián)系，將控制信號(hào)經(jīng)磁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后激勵(lì)Helmholtz線圈，并將傳感器中電極對(duì)之間獲取的原始感應(yīng)電壓處理轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)，輸入VM1進(jìn)行速度重構(gòu)和流量計(jì)算。 

1.1 勵(lì)磁系統(tǒng)與信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

    在實(shí)際應(yīng)用中，由VM1微處理器內(nèi)部發(fā)出兩路數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)DAC0/1輸入到勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路的比較器中，結(jié)合固態(tài)繼電器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生三值方波電流信號(hào)，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)激勵(lì)Helmholtz線圈最終得到低頻三值方波的磁場(chǎng)，由此在電極對(duì)間獲得同樣時(shí)序的感應(yīng)電壓，電磁流量計(jì)實(shí)際測(cè)量感應(yīng)電壓信號(hào)時(shí)序如圖2所示，S1～S4將一個(gè)激勵(lì)周期分成4個(gè)時(shí)間序列。

    本設(shè)計(jì)采用多電極測(cè)量，7對(duì)在管道內(nèi)壁圓周處對(duì)稱分布的電極采集感應(yīng)電勢(shì)差，因此，轉(zhuǎn)換器部分包含7路布局嚴(yán)格對(duì)稱、設(shè)計(jì)完全相同的信號(hào)處理電路。感應(yīng)電壓經(jīng)電路處理后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入微處理器。

    由于在實(shí)際測(cè)量中，電磁流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)差是一個(gè)微弱的交變信號(hào)，1m/s的流速僅對(duì)應(yīng)大約0.1mV的電勢(shì)差，且信號(hào)內(nèi)阻很高，為MΩ級(jí)，同時(shí)噪聲信號(hào)很多，并存在零點(diǎn)漂移干擾，即一個(gè)不期望的電壓U0（見圖2），并且數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感應(yīng)電勢(shì)差Uj（j=1，2，…，7）。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特點(diǎn)，信號(hào)處理電路前端需要高倍差分放大電路設(shè)計(jì)（見圖2），而偏置補(bǔ)償電路的作用就是將零點(diǎn)電壓值U0實(shí)時(shí)測(cè)量，并反饋補(bǔ)償至信號(hào)處理電路以消除零點(diǎn)漂移，使感應(yīng)電壓不超出A/D采樣可接收的數(shù)值。另外，多級(jí)模擬濾波電路也消除了因磁場(chǎng)方向快速轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的尖刺干擾電壓并濾除紋波，消除矩形波的衰減。

    圖2中（a），（b）對(duì)比了實(shí)際測(cè)量的感應(yīng)電壓信號(hào)Uj與電路未經(jīng)優(yōu)化時(shí)取得的電壓U*j，很明顯看出：設(shè)計(jì)合宜的信號(hào)處理電路可以大幅度改善感應(yīng)電壓信號(hào)的質(zhì)量，保證電壓幅值始終控制在A/D采樣范圍內(nèi)，并提供更長(zhǎng)的有效采樣時(shí)間，從而提高電磁流量計(jì)的測(cè)量精度。

    1.2 VM1微處理器系統(tǒng)

    本設(shè)計(jì)采用英國(guó)劍橋Micro-Robotics公司生產(chǎn)的VM1微處理器作為電磁流量計(jì)的CPU。VM1是一種低成本的嵌入式控制器，因其高性能、低功耗的特點(diǎn)十分適合過(guò)程控制與自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域的智能儀表開發(fā)。它具有16位指令結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度16MHz，適宜作為流量?jī)x表的控制、計(jì)算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

I/O模塊包含12位A/D與D/A轉(zhuǎn)換器芯片，通過(guò)I2C總線與VM1通信，可提供2路模擬信號(hào)輸出和8路輸入，工作電壓0～5V。

    前置面板模塊載有圖像控制與觸摸控制芯片，通過(guò)這2種芯片分別控制分辨率為320×240的LCD液晶屏幕和電阻式觸摸板。在本文設(shè)計(jì)中，觸摸板放置于LCD屏幕前方，可通過(guò)編程定義虛擬鍵盤，即在觸摸板上某一坐標(biāo)位置定義特殊功能，并在LCD屏幕同一坐標(biāo)處向用戶顯示該鍵位，一旦點(diǎn)擊該鍵，觸摸板即可檢測(cè)到將碰觸信號(hào)，并啟用對(duì)應(yīng)的程序模塊，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。該觸摸板支持手指（可戴手套）和觸筆操作，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。QVGA液晶屏支持多種方式的圖形、字符及數(shù)字顯示；支持多窗口，即將LCD定義為不同區(qū)域、賦予不同功能；并可用于“活動(dòng)”對(duì)象的顯示，例如：可用數(shù)字與圖形顯示動(dòng)態(tài)數(shù)組。本文闡述的多電磁流量計(jì)中，LCD屏幕被分為不同“窗口”，分別用以展示測(cè)量截面處各部分速度分布的柱狀圖與實(shí)時(shí)速度值和體積流量。

    2 微處理器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    圖3展示了多電極電磁流量計(jì)重構(gòu)速度分布的流程圖，程序采用二線程并行方式，將用戶指令輸入與儀表測(cè)量、計(jì)算及顯示同步進(jìn)行，在啟動(dòng)儀表測(cè)量功能后，用戶可隨時(shí)“暫停”或“停止”，或跳轉(zhuǎn)至其他功能。

  在數(shù)據(jù)處理方面，由于多電極電磁流量計(jì)基于Shercliff權(quán)函數(shù)理論，該理論內(nèi)容為流量截面處各點(diǎn)對(duì)電勢(shì)差的貢獻(xiàn)存在一定分布規(guī)律。本文采取有限元方法，將測(cè)量橫截面沿直徑方向分為7個(gè)互相平行的微元，在COMSOL軟件環(huán)境中仿真求取權(quán)函數(shù)。利用如下公式重構(gòu)各個(gè)微元內(nèi)的平均軸向速度分布
  其中，V為各微元平均速度vi（i=1～7）的矩陣，U為電勢(shì)差Uj（j=1～7），W為權(quán)函數(shù)wij矩陣（i=1～7，j=1～7），A為各像素面積的對(duì)角陣。

    在用戶選擇顯示速度分布后，點(diǎn)擊面板上顯示的“啟動(dòng)”鍵，系統(tǒng)立即按時(shí)序連續(xù)工作：VM1處理器輸出磁場(chǎng)激勵(lì)信號(hào)DAC0/1，測(cè)量截面處產(chǎn)生正向磁場(chǎng)，此時(shí)感應(yīng)電壓Uj對(duì)應(yīng)圖2中S1部分，7路A/D轉(zhuǎn)換器在t1時(shí)間段內(nèi)分別采樣并將平均值存入RAM，之后按照相同原理在t2～t4時(shí)間段內(nèi)分別求取感應(yīng)電壓平均值，在一個(gè)磁場(chǎng)激勵(lì)周期結(jié)束后計(jì)算該周期內(nèi)的平均值之后如此往復(fù)，直至程序設(shè)定的采樣周期G結(jié)束后，計(jì)算G個(gè)周期內(nèi)的平均值，利用公式（1）重構(gòu)速度分布，更新數(shù)字結(jié)果和柱狀圖，并可根據(jù)下式計(jì)算液體體積流量
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

    為了研究多電極電磁流量計(jì)對(duì)于非對(duì)稱流動(dòng)平均軸向速度分布的可靠性，進(jìn)行了一系列單相導(dǎo)電流體實(shí)驗(yàn)與固—液兩相流實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)在英國(guó)Huddersfield大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)上完成。

    實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，在進(jìn)行單相導(dǎo)電流實(shí)驗(yàn)時(shí)，文中所述的多電極電磁流量計(jì)安裝在豎直管道中的門閥下游出口處；固—液兩相流實(shí)驗(yàn)在δ=30°的傾斜管段進(jìn)行，流量計(jì)安裝在距底部彎頭2m處，固相由平均直徑4mm、密度為1340.8kgm-3的絕緣珠構(gòu)成。2種實(shí)驗(yàn)條件都是針對(duì)非對(duì)稱流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，具體平均軸向速度分布結(jié)果如圖5所示。

  其中單相流實(shí)驗(yàn)給出了在門閥一定開度情況下速度分布的結(jié)果，測(cè)量對(duì)象為充分發(fā)展的湍流，重構(gòu)結(jié)果與門閥特性曲線一致；在固—液兩相流實(shí)驗(yàn)中，管道頂部（對(duì)應(yīng)微元1）的水流平均速度較快且方向沿軸向上，而底部重構(gòu)的軸向平均速度較低，甚至在最底部（對(duì)應(yīng)微元7）出現(xiàn)了負(fù)值，表明水流在此處出現(xiàn)了回流，與LucasGP在1999年利用侵入式探針測(cè)量固—液兩相流在傾斜管中速度分布的研究結(jié)果一致。

    此外，在單相流非對(duì)稱速度分布實(shí)驗(yàn)中，在不同流量點(diǎn)下，本設(shè)計(jì)測(cè)量得到的體積流量原始數(shù)據(jù)與渦輪標(biāo)準(zhǔn)表的參考值之間的相對(duì)誤差在5%左右，具有較高的精度。
  本文詳細(xì)介紹了多電極電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器部分的設(shè)計(jì)，通過(guò)軟、硬件協(xié)同達(dá)到重構(gòu)測(cè)量橫截面各個(gè)微元軸向平均速度的目的，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：該設(shè)計(jì)對(duì)于單相導(dǎo)電流體的不對(duì)稱速度分布測(cè)量具有較高的體積流量測(cè)量精度，并給出速度分布結(jié)果；更具指導(dǎo)意義的是，在固—液兩相流實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，導(dǎo)電連續(xù)相速度分布的重構(gòu)結(jié)果也與之前進(jìn)行的研究吻合，為今后結(jié)合其他測(cè)量相含率手段最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量工業(yè)領(lǐng)域多相流各相體積流量打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。