多電極電磁流量計轉換器設計

    0 引言

    電磁流量計根據法拉第電磁感應定律原理制成，測量導電流體的體積流量，由于其獨特優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于腐蝕性介質(zhì)、易燃易爆介質(zhì)以及污水處理、化工、醫藥工業(yè)中各種漿液流量測量。在結構上，電磁流量計由傳感器和轉換器兩部分組成：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電勢信號，并傳輸到轉換器；轉換器將傳感器送來(lái)的流量信號進(jìn)行放大，并轉換成標準電信號輸出，以進(jìn)行顯示、累積和調節控制流量值。本文設計了一種新型的多電極電磁流量計，以低頻三值方波勵磁方式，基于權函數理論進(jìn)行流場(chǎng)速度分布重構，在轉換器部分采用VM1微處理器作為控制與計算單元，提高了電磁流量計零點(diǎn)穩定性和測量準確性，實(shí)驗證明該設計對于單相不對稱(chēng)流動(dòng)與固—液兩相流傾斜管測量具有較高的精度與可靠性。

    1 多電極電磁流量計系統設計

    本文中闡述的多電極電磁流量計傳感器部分的磁路系統采用Helmholtz線(xiàn)圈作為勵磁線(xiàn)圈，激勵產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)；內徑80mm的非導磁材料聚甲醛樹(shù)脂管段作為測量管組件；16個(gè)不銹鋼材質(zhì)的電極對陣列用來(lái)測量感應電勢差：由于不銹鋼價(jià)格經(jīng)濟且具備很高的抗腐蝕性及極低的相對磁導率，適合實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域的應用。

    分體式多電極電磁流量計，傳感器部分安裝在測量管道，并采用不銹鋼外殼設計，以屏蔽外界電磁信號對測量截面處磁場(chǎng)的干擾，而轉換器部分同樣采用不銹鋼外殼，提高了流量計的電磁兼容性，兩者之間由屏蔽線(xiàn)纜連接。

    如圖1所示，多電極電磁流量計轉換器以VM1微處理器為核心，結合I/O模塊與前置面板模塊構成整個(gè)微處理器系統；并設計前端電路建立與傳感器之間的聯(lián)系，將控制信號經(jīng)磁路系統轉換后激勵Helmholtz線(xiàn)圈，并將傳感器中電極對之間獲取的原始感應電壓處理轉換為適合單片機內部運算的數字信號，輸入VM1進(jìn)行速度重構和流量計算。      

圖1 多電極電磁流量計轉換器系統構成示意圖

    1.1 勵磁系統與信號處理電路設計

    在實(shí)際應用中，由VM1微處理器內部發(fā)出兩路數字信號，經(jīng)由D/A轉換器后轉換為模擬信號DAC0/1輸入到勵磁時(shí)序產(chǎn)生電路的比較器中，結合固態(tài)繼電器網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生三值方波電流信號，經(jīng)由驅動(dòng)電路觸發(fā)激勵Helmholtz線(xiàn)圈最終得到低頻三值方波的磁場(chǎng)，由此在電極對間獲得同樣時(shí)序的感應電壓，電磁流量計實(shí)際測量感應電壓信號時(shí)序如圖2所示，S₁～S₄將一個(gè)激勵周期分成4個(gè)時(shí)間序列。

    本設計采用多電極測量，7對在管道內壁圓周處對稱(chēng)分布的電極采集感應電勢差，因此，轉換器部分包含7路布局嚴格對稱(chēng)、設計完全相同的信號處理電路。感應電壓經(jīng)電路處理后再由A/D轉換器轉換為數字信號送入微處理器。

    由于在實(shí)際測量中，電磁流量計感應電勢差是一個(gè)微弱的交變信號，1m/s的流速僅對應大約0.1mV的電勢差，且信號內阻很高，為MΩ級，同時(shí)噪聲信號很多，并存在零點(diǎn)漂移干擾，即一個(gè)不期望的電壓U0（見(jiàn)圖2），并且數值遠遠大于感應電勢差Uj（j=1，2，…，7）。根據感應電動(dòng)勢特點(diǎn)，信號處理電路前端需要高倍差分放大電路設計（見(jiàn)圖2），而偏置補償電路的作用就是將零點(diǎn)電壓值U₀實(shí)時(shí)測量，并反饋補償至信號處理電路以消除零點(diǎn)漂移，使感應電壓不超出A/D采樣可接收的數值。另外，多級模擬濾波電路也消除了因磁場(chǎng)方向快速轉換而產(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）對比了實(shí)際測量的感應電壓信號Uj與電路未經(jīng)優(yōu)化時(shí)取得的電壓U^*_j，很明顯看出：設計合宜的信號處理電路可以大幅度改善感應電壓信號的質(zhì)量，保證電壓幅值始終控制在A(yíng)/D采樣范圍內，并提供更長(cháng)的有效采樣時(shí)間，從而提高電磁流量計的測量精度。

    1.2 VM1微處理器系統

    本設計采用英國劍橋Micro-Robotics公司生產(chǎn)的VM1微處理器作為電磁流量計的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(kāi)發(fā)。它具有16位指令結構，運行速度16MHz，適宜作為流量?jì)x表的控制、計算及數據存儲單元。

（a）%實(shí)際感應電壓信號

（b）%未經(jīng)優(yōu)化的感應電壓信號

圖2 感應電壓信號

    I/O模塊包含12位A/D與D/A轉換器芯片，通過(guò)I²C總線(xiàn)與VM1通信，可提供2路模擬信號輸出和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。在本文設計中，觸摸板放置于LCD屏幕前方，可通過(guò)編程定義虛擬鍵盤(pán)，即在觸摸板上某一坐標位置定義特殊功能，并在LCD屏幕同一坐標處向用戶(hù)顯示該鍵位，一旦點(diǎn)擊該鍵，觸摸板即可檢測到將碰觸信號，并啟用對應的程序模塊，以實(shí)現人機對話(huà)。該觸摸板支持手指（可戴手套）和觸筆操作，適合工業(yè)現場(chǎng)應用。QVGA液晶屏支持多種方式的圖形、字符及數字顯示；支持多窗口，即將LCD定義為不同區域、賦予不同功能；并可用于“活動(dòng)”對象的顯示，例如：可用數字與圖形顯示動(dòng)態(tài)數組。本文闡述的多電磁流量計中，LCD屏幕被分為不同“窗口”，分別用以展示測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 微處理器軟件系統設計

    圖3展示了多電極電磁流量計重構速度分布的流程圖，程序采用二線(xiàn)程并行方式，將用戶(hù)指令輸入與儀表測量、計算及顯示同步進(jìn)行，在啟動(dòng)儀表測量功能后，用戶(hù)可隨時(shí)“暫�！被颉巴Ｖ埂�，或跳轉至其他功能。

圖3 速度分布軟件流程圖

    在數據處理方面，由于多電極電磁流量計基于Shercliff權函數理論，該理論內容為流量截面處各點(diǎn)對電勢差的貢獻存在一定分布規律。本文采取有限元方法，將測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)境中仿真求取權函數。利用如下公式重構各個(gè)微元內的平均軸向速度分布

        （1）

    其中，V為各微元平均速度v_i（i=1～7）的矩陣，U為電勢差U_j（j=1～7），W為權函數w_ij矩陣（i=1～7，j=1～7），A為各像素面積的對角陣。

    在用戶(hù)選擇顯示速度分布后，點(diǎn)擊面板上顯示的“啟動(dòng)”鍵，系統立即按時(shí)序連續工作：VM1處理器輸出磁場(chǎng)激勵信號DAC0/1，測量截面處產(chǎn)生正向磁場(chǎng)，此時(shí)感應電壓Uj對應圖2中S1部分，7路A/D轉換器在t1時(shí)間段內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)間段內分別求取感應電壓平均值，在一個(gè)磁場(chǎng)激勵周期結束后計算該周期內的平均值之后如此往復，直至程序設定的采樣周期G結束后，計算G個(gè)周期內的平均值，利用公式（1）重構速度分布，更新數字結果和柱狀圖，并可根據下式計算液體體積流量

        （2）

    3 實(shí)驗結果與討論

    為了研究多電極電磁流量計對于非對稱(chēng)流動(dòng)平均軸向速度分布的可靠性，進(jìn)行了一系列單相導電流體實(shí)驗與固—液兩相流實(shí)驗。所有實(shí)驗在英國Huddersfield大學(xué)多相流實(shí)驗裝置平臺上完成。

    實(shí)驗裝置如圖4所示，在進(jìn)行單相導電流實(shí)驗時(shí)，文中所述的多電極電磁流量計安裝在豎直管道中的門(mén)閥下游出口處；固—液兩相流實(shí)驗在δ=30°的傾斜管段進(jìn)行，流量計安裝在距底部彎頭2m處，固相由平均直徑4mm、密度為1340.8kgm^-3的絕緣珠構成。2種實(shí)驗條件都是針對非對稱(chēng)流場(chǎng)進(jìn)行測量，具體平均軸向速度分布結果如圖5所示。

圖4 實(shí)驗裝置示意圖

圖5 速度分布結果

    其中單相流實(shí)驗給出了在門(mén)閥一定開(kāi)度情況下速度分布的結果，測量對象為充分發(fā)展的湍流，重構結果與門(mén)閥特性曲線(xiàn)一致；在固—液兩相流實(shí)驗中，管道頂部（對應微元1）的水流平均速度較快且方向沿軸向上，而底部重構的軸向平均速度較低，甚至在最底部（對應微元7）出現了負值，表明水流在此處出現了回流，與LucasGP在1999年利用侵入式探針測量固—液兩相流在傾斜管中速度分布的研究結果一致。

    此外，在單相流非對稱(chēng)速度分布實(shí)驗中，在不同流量點(diǎn)下，本設計測量得到的體積流量原始數據與渦輪標準表的參考值之間的相對誤差在5%左右，具有較高的精度。

    4 結論

    本文詳細介紹了多電極電磁流量計轉換器部分的設計，通過(guò)軟、硬件協(xié)同達到重構測量橫截面各個(gè)微元軸向平均速度的目的，經(jīng)實(shí)驗證明：該設計對于單相導電流體的不對稱(chēng)速度分布測量具有較高的體積流量測量精度，并給出速度分布結果；更具指導意義的是，在固—液兩相流實(shí)驗當中，導電連續相速度分布的重構結果也與之前進(jìn)行的研究吻合，為今后結合其他測量相含率手段最終實(shí)現測量工業(yè)領(lǐng)域多相流各相體積流量打下了堅實(shí)基礎。