（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的电磁流量计转换器的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的速度式流量计。因其结构简单、无 活动部件和阻碍被测介质流动的扰动件或节流件而在工业生产等领域得到了“ 泛应用。经过多年的研究，国内外的主要的流量计生产厂家都推出了自己的电磁 流量计产品。这些不同厂家的流量计在基本工作原理上大同小异，只是在电路实 现方法及信号处理方法上有所区别，使得不同厂家的产品在性能上有所差异。随 着屯子技术曰新月异的发展，越来越多的新型信号处理器件可以应用在电磁流量 计的设计中，使得它在测量速度、精度、系统的功耗和应用范围等性能指标有了 进一步提高的可能性。因而本文在分析国内外电磁流量计发展现状和趋势基础 土，采用a r m 系列中的新型微处理器来开发了新型的智能电磁流量计的转换器。 本文具体做了如下工作： ( 1 ) 通过查阅国内外相关文献，总结了电磁流量计的发展历史和现状，并 详细论述了电磁流量计的基本原理、检测方法和研究成果。 ( 2 ) 研制了基于a r m 的电磁流量转换器样机系统。在该系统中采用了大 量较新的电磁流量计设计技术，使得系统的应用范围更为广泛。系统中大量的功 能使用软件实现，提高的系统的可靠性。此外，该系统结构简单、功能全、成本 低、体积小、开放性好、易于操作和维护。 ( 3 ) 对转换器系统进行t n 试，性能达到设计要求。使用标准表法对系统 进行了实流校验，初步实验结果表明样机精度达o 5 。 关键字电磁流量计a r m 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ( e m f ) r e l yo nf a r a d a y sl a wo fi n d u c t i o n i n e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rt h ef l o wr a t ei sm e a s u r e du s i n gt h ep o t e n t i a ld i f f e r e n c e b e t w e e nt o we l e c t r o d e sw h e nam a g n e t i cf i e l dp e r p e n d i c u l a rt ot h ef l o wi sa p p l i e di t a p p e a r st h a te l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r sa r ep a r t i c u l a r l ys u i t a b l e i nt h i sr e s p e c t b e c a u s et h e ya r ee s s e n t i a l l yn o n i n v a s i v e ，t h e i rm e t h o do fs e n s i n gd o e sn o ti n f l u e n c e t h ef l o wr e g i m ea n dt h e yh a v en om o v i n gp a r t sa f t e rd e d a c e so fr e s e a r c hi ne m f , a l m o s ta 1 1f l o w m e t e rm a n u f a c t u r e r si nt h ew o r l dh a v et h e i ro w ne m fp r o d u c t s a d i v e r s e r a n g eo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r sb a s e d o nt h es a m em e a s u r e m e n t p r i n c i p l ea r ea v a i l a b l ei nt h em a r k e t p l a c e ，a n dt h ep r o d u c t so fv a r i o u sm a n u f a c t u r e r s h a v ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c ed u et ot h e i rd i f f e r e n ti m p l e m e n t a t i o no ft h ec i r c u i ta n ds i g n a l p r o c e s s i n gm e t h o d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h en e ws i g n a lp r o c e s s i n g d e v i c e sc a nb e a p p l i e d t ot h e e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rd e s i g nt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e a ne l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e re o n v e r t e rb a s e do na r mi sp r e s e n t e di nt h i s t h e s i s t h em a i nw o r ko f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： ( i ) t h eh i s t o r ya n ds t a t u so fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ra r er e v i e w e d ，a tt h e s a m et i m ei t st h e o r ya n dd e v e l o p e dp r o d u c t i o na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ( 2 ) a ne l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rc o n v e r t e rp r o t o t y p eb a s e do na r mh a sb e e n d e v e l o p e d 。m a n yn e wt e c h n o l o g i e si ne m fd e s i g na l ea p p l i e di nt h es y s t e md e s i g n t h es y s t e mi se x t e n s i v e l ya p p l i c a b l ef o rd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r si nd i f f e r e n tc o u n t r i e s m o s tf u n c t i o n sa r ei m p l e m e n t e db ys o f t w a r ea n dt h er e l i a b i l i t yo f s y s t e mi m p r o v e d b e s i d e s ，t h es y s t e mi sa d v a n t a g e o u so fb e i n gs i m p l es t r u c t u r e ，s m a l lv o l u m e ，l o wc o s t a n do p e ns y s t e ma n di ti sa l s oe a s yt oo p e r a t ea n dm a i n t a i n ( 3 ) t h ep e r f o r m a n c eo fd e s i g n e ds y s t e mi st e s t e d t h es y s t e mi sc a l i b r a t e du s i n g t h es t a n d a r dm e t e rm e t h o d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h ep r e c i s i o no ft h e p r o t o t y p ei s0 5 k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , a r m i i 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 摘要：本章首先介绍了流量测量的目的、意义和方法，其次介绍电磁流量计的基本原理、 特点、发展历史以及当前的主要研究方向，最后介绍了本文的主要研究内容。 1 1 引言 人们对自然界的认识在很大程度上取决于检测和仪表。无论是在工农业生 产、科学研究、国防建设领域中，还是在日常生活中都与检测有着密切的关系。 具体地说，为了及时了解一个生产过程或实验进展，就必须经常测试能够表征它 们特性、状态的各物理参数量，如电压、电流、温度、压力、流量、液位、成分 等。对这些参数的大小、变化方向等进行监督和控制，就能使生产过程或实验的 工况处于最佳状态，做到安全、经济，最终达到预期的结果。检测技术则是指人 们为了定性了解或定量掌握自然现象或状态所从事的一系列技术指旖。 仪器仪表是研究实现信息的获取、转换、传输、处理以及根据处理结果对生 产系统进行控制的重要工具。过程变量的自动化检测仪表是工业自动化实现的关 键。任何控制系统都是从生产过程运行的信息测量开始，因为只有在知道生产过 程的状态和工艺参数的条件下才能进行自动控制。随着科学技术的发展，特别是 在新材料、新结构的传感器结合高性能微型计算机之后，检测技术有了变革性的 进步。这些新技术在检测系统的准确性、快速性、可靠性和抗干扰等方面发挥了r 明显的作用，大大丰富了检测技术所包含的内容，扩大了检测技术的应用范围， 使检测技术发展成为一门内容广泛，并建立在多种学科发展基础上的自动化技术 先行学科哆 流量是工农业生产过程控制中的重要的测量参数之一，与温度、压力、物位 同为热工量。流量测量的意义在于既可以指导生产，同时又是规范工艺操作的需 要和进行经济核算的依据【2 】。 由于流量这个参数受流体的工作条件影响，对其检测有相当的难度。为了满 足现代工业中各种不同的场合和各种不同的测量目的，各种流量计量仪表就应运 而生。只要有一个新的技术发展起来，就会有人尝试将其应用到流量测量中 3 1 。 通常，依其测量原理，将流量测量方法分成四大类： ( 1 ) 利用伯努利方程，通过流体差压信号、已知的流体条件和检测件于管 浙江人学硕士学位论文 道的几何尺寸来推算流量，其中的典型应用是孔板、文丘里管和匀速管流量计等： ( 2 ) 利用测量流速间接测量流量，其中的典型应用是电磁流量计和转子流 量计等； ( 3 ) 容积式流量测量方法，它利用机械测量元件把流体连续地不断分割威 单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数 来测量流体体积总量，其中的典型应用是椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和 刮板流量计等； ( 4 ) 直接测量流体质量的质量流量测量方法，其中的典型应用是科里奥利 力质量流量计和热式质量流量计； 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的测量导电流体体积流量的速 度式流量计。 1 2 电磁流量计综述 电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律的工作原理来测量导电液体体积流 量的仪表。自1 9 3 2 年，第一台圆形管道的电磁流量计问世阻来，随着材料科学、 电子学及微型计算机的飞速发展和广泛应用，电磁流量计性能不断完善，已经成 为解决流量测量困难的重要工具。与其它流量测量仪表相比，电磁流量计具有一 些突出的优点【4 吲，例如，无可动部件，无阻碍被测介质流动的节流部件，对被 测流体的流动不产生附加压力损失，而仅有此管段的沿程阻力；测量有导电性的 介质的流量，而不受其温度、黏度、密度、压力等物理参数的影响；无机械惯性， 反映灵敏，可测瞬时脉动流量；线性度好，测量准确度高，测量范围宽，耐腐蚀 性能强等等。因此在众多的流量仪表中，电磁流量计成为发展最快的流量仪表之 一，无论国内外都是重点发展的产品【l0 j 。本节将从基本原理、特点以及发展历史 等方面对电磁流量计进行简要的介绍。 1 2 1 法拉第电磁感应定律 法拉第最早通过实验发现电磁感应现射“1 。实验表明，当通过导体回路所包 围的面积的磁通量发生变化时，在回路中就会产生感应电动势及感生电流。感生 电动势的大小与回路相交的磁通随时问的变化率成正比，其方向由楞次定律决 浙江火学硕士学位论文 定。楞次定律表示感生电动势及其所产生的感生电流总是力图阻止回路中的磁通 中的变化。因此，回路中感生电动势u 的大小和方向可表示成 u ：一竺( 卜1 ) d t 其中，磁通的正方向与感生电动势的正方向符合弗来明右手定则。式( 1 一1 ) 称为法拉第电磁感应定律。 实际实验中，导体回路所包围的面积的磁通量发生变化，通常有两种表现形 式：一是导体在磁场中作切割磁力线运动；另一种是导体在磁场中并未作切割磁 力线运动，但是导体回路所包围的磁通量是交变的。电磁流量计主要是根据导体 作切割磁力线运动所产生的感应电动势与被测流体的流速的一一对应关系实现 流量测量的。导体在磁场中作切割磁力线运动，导体两端就会有感应电动势产生， 如果只考虑大小，就可略去式( 1 1 ) 前面的负号。于是式( 1 1 ) 变为 u ：辈：旦警：b 辈：b d 9 ( 1 - - 2 ) d td td t 式中 b 磁感应强度( t ) ； a 磁通量变化的面积( m 2 ) ： d 导体长度( m ) ： d l 被测介质运动的距离( m ) ； v 被测介质运动的速度( m s ) 。 u 感应电动势( v ) 。 式( 1 - - 2 ) 说明，导体在磁场内作切割磁力线运动，导体两端产生的感应电 动势的大小与磁感应强度b 成i t ! l l ，与导体的长度d 成正比，与导体运动的速 度v 成正比。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 电磁流量传感器的基本原理 图1 1 电磁流量传感器原理图 电磁流量传感器是利用法拉第电磁感应定律的原理制造的5 儿 ，能够把物 理量流速( 流量) 线性地变换成物理量感应电动势。 将在管道内流动的导电液体的流动看成导体的运动。当管道置于磁场内，在 与磁场方向、管道中心轴、管道的直径三者相互垂直的管道位置，装配上砥个与 液体相接触的电极，如图1 1 所示。那么管道的直径可以看成导体的长度，液 体相对于电极流动，这样就可以看成导体在磁场内做切割磁力线运动。此时管道 壁上的两个电极间存在感应电动势信号。感应电动势大小遵循式( 1 - - 2 ) ，当磁 感应强度b 一定时，此感应电动势与管内的平均流速成正比。 流过管道一定截面的体积流量等于该截面的面积与流速的乘积。对于圆形管 道，流过的体积流量为 q v = 三d 2 _ ( 1 - - 3 ) 以式( 1 - - 2 ) 代入式( 1 - - 3 ) ，得 u = 面4 bq v(1-4) 或 q v = n 4d u b ( 卜5 ) 式( 1 - - 4 ) 表示，感应电动势的大小与电极距离，即与传感器测量管内径d 成反比，与磁感应强度b 成正比。当测量管内径和磁场的磁感应强度b 一定时， 浙江大学硕士学位论文 感应电动势与流量成证比。式( 1 5 ) 说明管道内径d 一定，但磁感应强度b 变动时，流量与感应电动势u 和磁感应强度b 的比值成正比。从这两个公式可 以看出，电磁流量计的流量测量与其它物理参数( 如液体的密度、温度、压力、 粘度、雷诺数等) 的变化无关，返就是电磁流量计的最火优点。但在此需说明， 式( 】一4 ) 和式( 】一5 ) 成立是建立在以下假设条件成立的基础上的。 ( ”假设磁场恒定不变，而且是均匀分布的。此假设成立，可以忽略导电 液体在磁场中运动所产生的感生电流对磁场分布的影响以及这一感生电流与电 磁力相互作用对液体流动速度的影响。这两种效应在测量液体金属时是不可忽略 的。 ( 2 ) 假设被测液体的流速为轴对称分布，而且液体中的感生电流与电场对 称，且平行于液体的轴向。 ( 3 ) 假设液体的导电率是均匀和各向同性的，且不受电场或液体流动的影 响。 ( 4 ) 假设被测液体是非磁性的，并且它的磁导率u 与真空磁导率u 。一致， 这样可忽略液体磁性与工作磁场间相互作用对流量测量的影响。 在上述条件假设成立下测定流体流量时，可以认为感应电动势u 与瞬时体 积流量成q 。正比，且完全是线性关系。 1 2 3 电磁流量计特点 与其它流量测量仪表相比，电磁流量计具有以下突出的优点1 1 】： ( 1 ) 结构简单，无活动部件和阻碍被测介质流动的扰动件或节流件。所以 当漉体通过时不会引起任何刚加的压力损失，节约能源、降低消耗；同时也不会 引起诸如磨损、堵塞等问题，特别适用于测量带有固体颗粒的矿浆，污水等液同 两相流体，以及各种粘性较大的浆液等。 ( 2 ) 只有衬里和电极与介质接触，通过选择耐腐蚀绝缘衬里和耐腐蚀电极， 就可用于各种腐蚀性介质的测量。 ( 3 ) 电磁流量计是一种测量体积流量的仪表，其测量不受流体的密度、温 度、压力、粘度、雷诺数以及在。定范围内电导率的变化的影响。电磁流量计只 需用水作为实验介质进行标定，而不需要作附加修正就可用来测量其它导电性液 体。这是其它流量计所不具备的优点。 体。这是其它流量计所不具备的优点。 5 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 量程比大。同一口径传感器，满量程流速在o 3 1 5 r n s 范围内任意设 定。电磁流量计的测量范围可涵盖紊流和层流状态两种速度分布状态，这是差压 式流量计、涡轮式、涡街等流量计也不能与之相比拟的。 ( 5 ) 测量原理上是线性的，测量准确度高，而且完全电信号输出，无机械 惯性，反映灵敏，可测脉动流量和快速累积总量。 ( 6 ) 原理上是测量过水断面的平均流速，信号按权重分布而积分，对流速 分布的要求较低。因此，传感器前后的直管段要求比其它流量计短。 ( 7 ) 适应性强，传感器可以长期潜水工作( 可选) ，并且可测正、反两个 方向的流动流体。 电磁流量计具有众多独特的优点，但它仍有一些不足之处，以致限制了其应 用领域的进一步扩大，主要有如下几点： ( 1 ) 电磁流量计不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体。 ( 2 ) 电磁流量计目前还不能用来测量导电率很低的液体介质，被测液体介 质的电导率不能低于1 0 _ 。s e m ，相当于蒸馏水的电导率。无法测量石油制品或者 有机溶剂的流量。 ( 3 ) 由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业电磁流量计还不能 测量高温高压流体。 ( 4 ) 电磁流量计受流速分布影响，在轴对称分布的条件下，流量信号与平 均流速成正比。所以，电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直管段。 ( 5 ) 电磁流量计易受外界电磁干扰的影响。 1 2 4 电磁流量计的发展史 电磁流量计的发展史如下所述 4 “1 1 咐0 1 。 1 8 3 1 年，法拉第发现电磁感应定律【1 l 】，1 8 3 2 年他进行了世界上最早的一次 电磁流量计的实验。这次以失败告终的实验成为电磁流量计发展史的序幕。 1 8 5 1 年，w o l l s a t o n 1 1 1 等人利用电磁感应法测量英吉利海峡潮汐实验成功。 1 9 1 7 年，史密斯和斯皮雷安1 获得了应用电磁感应的原理制造船舶测速仪 的专利。 1 9 3 0 年，威廉斯臻一次用数学上的方法分析圃管内流速分布对测量的影 响，提出了以管中心轴为对称的流速分布不影响电磁流量计测量精度的理论，尽 6 浙江大学硕士学位论文 管他的分析在数学上有错误，但自此有了电磁流量计的基础理论。 1 9 3 2 年，生物学家a k 0 1 i n 【1 1 第一个成功地完成了可用来测量和记录瞬时动 脉血液流量圆形管道的电磁流量计。 1 9 5 0 年，荷兰人首先在挖泥船上使用电磁流量计测量泥浆流量。 1 9 5 3 年，工业用电磁流量计首先由荷兰的t o b i 公司推向市场。1 9 5 4 年， f o x b o r 公司也推出了电磁流量计产品。1 9 5 5 年，日本也制成了电磁流量计，几 乎同时前苏联、英国、前西德也相继试制成功。这些产品采用的都是直流励磁技 术。直流励磁技术是利用永磁体或者是直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供 电，以形成恒定的励磁磁场。具有方法简单可靠、受工频干扰影响小以及流体中 的自感现象可以忽略不计等特点。但是，直流励磁技术的最大问题是电极表丽极 化、感生的流量信号电势减弱、电极间等效电阻增大、电极极化电势漂移，严重 影响信号处理。另外，直流励磁在电极问产生不均衡的电化学干扰电势叠加在直 流流量信号中，无法消除，并随着时间的变化、流体介质特性以及流体流动状态 而变化。最后，直流放大器的零点漂移、噪声和稳定性问题难以获得很好的解决。 目前直流励磁仅在原予能工业中用于导电率极高，而又不产生极化效应的液态金 属流量测量中。1 9 5 7 年，机电部上海工业自动化仪表研究所采用直流励磁技术 试制成功我国第一台工业应用电磁流量计。 1 9 5 0 年代后期，工业发达国家实现了工频正弦波励磁技术。工频：正弦波励 磁技术是利用工频5 0 h z 正弦波电源给电磁流量计传感器励磁绕组供电，其主要 优点是能够基本消除电极极化现象，降低电极电化学电势的影响和传感器的内 阻。另外采用了工频正弦波励磁技术，其传感器感应流量信号仍然是工频正弦波 信号，易于信号放大处理。但是其存在着难以消除的工频干扰，同时存在电源电 压幅值和频率波动干扰。 1 9 5 5 年，a b d e n i s o n 、m ps p e n c e r 、h d g r e e n j 首先提出了低频矩形 波励磁思想。此项励磁技术既具有直流励磁技术不产生涡流效应、变压器电势( 萨 交干扰和同相干扰) 等优点，又具有工频正弦波励磁基本不产生极化效应，便于 放大信号处理，而能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的优点，具 有较好地抗干扰性能。从1 9 7 0 年开始 极性低频矩形波励磁电磁流量计开始， 工业发达国家先后研制成功单极性和双 在电磁流量计中得到了广泛应用。1 9 8 2 年，上海工业自动化仪表研究所成功地研制了单极性低频矩形波励磁电磁流量 7 浙江大学硕士学位论文 讨，标志了我国电磁流量计也进入低频矩形波励磁技术的时代。 1 9 8 3 年，国外多家公司均研制成功三值低频矩形波电磁流量计。三值低频 矩形波励磁技术最大特点是实现在零态时校正零点，因而具有更优良的零点稳定 性，利用微处理器的逻辑判断功能和运算功能可解决尖峰状干扰电势的影响，但 降低了电磁流量计响应速度。1 9 8 8 年，东北工学院和河南开封仪表厂合作研制 成功三值低频矩形波励磁电磁流量计，使我国电磁流量计生产技术跨上新的台 阶。 1 9 8 8 年7 月，为了克服三值低频矩形波励磁技术不能兼顾消除低频尖峰噪 声、流体流动噪声和保持零点稳定性的矛盾，日本横河北辰电机株式会社提出双 频矩形波励磁技术以解决泥浆、纸浆、矿浆等液固两相导电性流体和低导电率流 体流量测量。日本横河北辰电机株式会社首先推出了双频矩形波励磁电磁流量 计。同年1 0 月，武汉水利电力学院进行对双频矩形波励磁技术进行跟踪研究， 并予1 9 9 0 年初取得多项研究成果。 1 9 8 9 年，上海光华仪表厂和德国k r o t m e 公司及荷兰a l t o m e t e r 公司共同投 资建设的合资企业一上海光华爱而美特仪器有限公司投产，生产m t 9 0 0 f 系列、 k 3 0 0 e x 系列低频矩形波励磁电磁流量计，通过引进、吸收、消化使我国电磁流 量计整体生产技术达到国外发达国家8 0 年代初的水平。 1 9 9 2 年，德国f i s c h e r + p o r t e rg m b h 在i n t e r k a m a 展览会上展出了称为p a t t i m a g 的非满管电磁流量计。1 9 9 5 年7 月，日本“9 5 水道展”上，爱知时计电 机公司和东芝公司也分别展示了其非满管电磁流量计。 1 9 9 0 年以后，在技术原理上电磁流量计无重大突破，研究方向多转入多电 极方向。1 9 9 6 年，b h o m e r 等人研制出了工业用非轴对称流量测量的多电极电 磁流量计。同年，我国清华大学的张小章提出了基于流动电磁测量理论的流场重 建理论。 2 0 0 2 年，北京佛利蒙特自动化工程有限公司推出的f 2 系列电磁流量计传感 器，该传感器实现了管道式与插入式的统一，突破了管道式电磁流量计精度高检 修难，插入式电磁流量计检修方便精度低，人们往往只能二者取其一的限制。它 的优点是可以在线、带压安装和方便地进行电极检修，解决传统电磁流量计传感 器电极污染后的检修问题。 浙江大学硕士学位论文 1 2 5 电磁流量计应用进展 ( 1 ) 非满管电磁流量计 传统电磁流量计只能测量满管液体流量，非满管电磁流量计应用于其有自由 表面自然流的下水排放领域，并提高该领域的测量精确度。将传统非满管流量或 明渠流流量误差从士( 3 5 ) f s 降低到土( 1 2 ) f s 。 ( 2 ) 测量更低电导率的液体 现在可测量比传统电磁流量计电导率阈值低2 3 个数量级的液体，如以前不 能测量的甘油、乙二醇等。除此之外，本类仪表几乎不存在浆液噪声和流动噪声， 也不会产生电极表面效应形成的噪声。衬里内表面覆盖油脂等非导电层或结上薄 绝缘垢层也不会影响测量。 ( 3 ) 低功耗和二线制电磁流量计有较快发展 二线制不需另外外接激磁回路，仅用4 m a d c 电流提供仪表所需功率，通常 仅数十亳瓦。低功耗电磁流量计使得有可能采用干电池或太阳电池，更方便地将 电磁流量计安装用于无市电供电的场所。 ( 4 ) 二维( 方向) 电磁流速计和多测量点插入式电磁流量计 置于船体外部的船舶电磁航速仪是插入式电磁流量计的雏形。后来插入式电 磁流量计在大中型管道中却有较大发展，也有用于明渠，称作电磁流速计 ( e l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tm e t e r ) 。但在河道流或水利实验模型中不仅要测量流速 还要知道流速方向。二维电磁流速记又称向量流速计，使电磁流量仪表族可以进 入水文实验应用领域。此外插入式电磁流量计还参照匀速管的设计思路，在插入 杆上置多套电磁流速测量单元，提高测量精度，使插入式电磁流量计在大管径应 用中处于有利地位。 1 2 6 电磁流量计研究方向 目前，国内外的学者和生产厂家关于电磁流量计的研究方向主要集中在励磁 线圈及传感器内部磁场的优化设计 2 1 2 7 】、绝缘介质流量测量、应用多电极解决 非对称流速测量和流速场重建、零点稳定性及测量下限拓展和电磁流量计励磁技 术的研究。 ( 1 ) 励磁线圈及传感器内部磁场的优化设计：励磁线圈的大小、形状及放 浙江大学硕士学位论文 置位置直接影响传感器内部磁场分布。目前，国内外厂家生产的电磁流量计传感 器产生的磁场基本是非均匀磁场，其中磁场的边缘效应对电磁流量计的测量准确 度影响很大。因此，励磁线圈的优化设计成为了电磁流量计的重要研究方向。波 兰学者a m i c h a l s k i 、s w i n c e n c i a k 和j s t a e z y n s k i 2 1 - 2 7 等人，采用有限元分析方 法，对明渠电磁流量计传感器及励磁线圈进行2 d 和3 d 建模，在磁场快速减小 的区域较好的消除了磁场边缘效应产生的误差影响，并做出了电磁流量计传感器 设计的g u i 软件。 ( 2 ) 绝缘介质流量测量：传统的电磁流量计使用低频矩形波励磁，无静电 噪声，可测量导电性流体。湍流不导电性流体带有静电噪声，且通过光谱密度实 验测得噪声频率约为f - 26 ( f 为励磁频率) 。在上个世纪6 0 年代，电磁流量计首 次应用于测量绝缘液体流量【2 8 1 。采用了理论上类似于迪拉克( d i r a c ) 脉冲的频 率为1 k h z 的矩形波励磁方式修正静电噪声。但是，磁芯和旁边的导电材料中的 涡电流产生了衰退脉冲余波，造成为了等待衰退脉冲余波消退而信号采样每半周 期均产生滞后。问题是使用高频励磁，没有足够的时间等待余波完全消退，因而 产生了零点迁移。对此，v c u s h i n g t 2 9 提出了一种根据零点迁移电压方程的时间 独立性来剔除零点迁移的电磁信号处理方法，在高频励磁下，可以校正零点迁移， 使得电磁流量计可以测量包括绝缘流体在内的各种流体。 ( 3 ) 应用多电极解决非对称流速测量和流场重建：电磁流量计的测量准确 度受流速分布非对称影响的问题始终未能很好解决，通过对多电极电磁流量计测 量平均流速的理论推导，研究人员得出了求解平均流速的积分求和式，最后用对 比实验得到结果表明：两电极电磁流量计对于轴对称流型及稍微偏离轴对称流体 流量的测量效果还尚可接受，但在轴对称偏离程度较大时，测量误差太大，无法 接受。而多对电极、两对线圈的多电极电磁流量计能明显改善这一状况，即使流 型严重偏离轴对称，误差也不大，测量精度仍能满足一般的工程需要。多电极电 磁流量计不但能解决非轴对称流型的流量测量，还可用于流场速度分布的求解。 国内外有许多研究者正在进行此项课题的研究 3 0 - 4 0 1 。1 9 9 6 年清华大学的张小章 提出了基于流动电磁测量理论的流场重建，即用多电极电磁流量计测量管道截面 流速分布，并对多电极电磁流量计用于流速分布的测量进行了数值模拟，证实了 采用流动的电磁测量方法求解流场速度分布的可行性【3 8 埘】。自1 9 9 9 年开始，浙 1 0 浙江大学硕士学位论文 江大学在基于电磁感应原理的多电极流量测量方法方面做了深入的研究，取得了 一系列的研究成果，并于2 0 0 0 年开发成功多电极成像式电磁流量计o o q “。 ( 4 ) 零点稳定性及测量下限拓展：电磁流量计的零点稳定性决定了仪表的 测量准确度和测量下限。提高零点稳定性是进一步拓展测量下限必要条件。为此， 许多学者做了大量工作，例如从电路抗干扰角度入手，设计出高信噪比的电路； 根据零点的变化方式提出了插入法等预测零点电平变化的软件处理方法；通过电 路反馈法来消除零点漂移等，以上方法均是针对某种噪声信号直接通过硬件电路 消除或在采样后通过软件消除。2 0 0 3 年，浙江大学提出了基于相关检测原理的 电磁流量计，通过硬件电路将信号中的所有干扰噪声提取出来，对感应电动势信 号进行相位相关处理，将实时变化的零点噪声抵消，从而提高了零点稳定性和低 流速下测量准确度，拓展了电磁流量计的测量下限h 4 】，2 0 0 4 年，天津工、| k 大学 李小京 4 5 】也使用相关算法改进电磁流量计低流速性能。 ( 5 ) 电磁流量计励磁技术的研究：励磁方式决定了传感器工作磁场特征、 电磁流量计的抗干扰能力大小和零点稳定性能的好坏，因此励磁技术始终是电磁 流量计的一个重要的研究方向。从法拉第的时代开始利用地磁场测量泰晤士河水 流速，到今天低频矩形波、低频三值矩形波和双频矩形波等智能化控制励磁方式 的实现，使电磁流量计不断成熟、不断完善，成为流量测量仪表中最重要的品种 方一。 1 3 本课题的研究意义 电磁流量计广泛应用于水泥、化工、纺织、医药、造纸、给排水、食品饮刹 等技术部门，电磁流量计产品质量和性能对上述企业的经济效益有着重要的影 响。我国虽然已在电磁流量计开发方面取得了一定的成绩，但由于起点低还存在 一定的缺陷。国产转换器的缺点主要表现如下： ( i ) 国内外的电磁流量计在基本测量原理上都是相同的，但在性能指标上 还是有所差异。国内设计的电磁流量计励磁模块较少采用开关式恒流源，多数采 用模拟式恒流源，效率低。这种恒流源的线圈电阻适应范围不够大，往往需要很 大的散热器才能正常工作。 ( 2 ) 电磁流量计需要处理的信息量还是相当大，某国外的产品甚至采用3 浙江大学硕士学位论文 个处理器来实现系统。国内的电磁流量计产品往往只使用单个8 位单片机或1 6 位机，信息处理能力往往不够，这使得可自由设置功能不够多。 ( 3 ) 开放性差。目前的电磁流量计转换器多由分离式模拟器件构成，从而 使仪表的结构、功能等的扩充和使用维护变得困难；软件采用过程化软件设计思 想，其可读性和可扩展性较差；网络通讯接口一般只配置单独r s 一2 3 2 或者单独 r s 4 8 5 串行接口，组网和通讯能力差。 本研究设计使用新器件，结合了新的测量设计技术，实现了有更多功能、适 用性的更广泛、有升级余地的电磁流量计转换器，弥补目前电磁流量计存在的不 足 3 1 1 4 6 55 1 。 1 4 本论文的任务及安排 本项目中我们采用新型微处理器、高性能集成电路及成熟的通讯技术，研究 开发出具有组网通讯功能的智能化电磁流量检测仪表。开发出的电磁流量计符合 国外电磁流量计智能化、网络化、小型化等发展趋势，因此有助于改变国内电磁 流量计产品的落后现状。在本项目的开发过程中，应主要完成以下方面的任务： ( 1 ) 以p h i l i p 公司l p c 系列3 2 位a r m 单片机为核心器件构筑功能强大 的智能单元，增强电磁流量计系统的智能性和运算控制能力； ( 2 ) 硬件电路结构实现模块化设计，使其具有可扩展性和易维护性； ( 3 ) 采用频率可调的低频矩形波励磁方式来改善系统励磁性能，设计基于 开关原理的励磁电路，降低系统励磁功耗，增强系统励磁灵活性； ( 4 ) 采用高精度转换放大电路和a d 转换器来实现信号转换，提高系统抗 干扰能力和检测精度，减少测量误差； ( 5 ) 采用r s 2 3 2 r s 4 8 5 和h a r t 标准总线作为系统通讯接口，增强系统 组网能力和通讯的可靠性； ( 6 ) 采用容错、软件陷阱、数据滤波等多种技术措施提高系统的可靠性。 因此本文具体内容包括以下几方面： ( 1 ) 分析影响电磁流量计性能的各个因素，提供改善电磁流量计转换器理 论依据； ( 2 ) 研制基于3 2 位a r m 单片机电磁流量计的转换器； 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 对设计的样机系统进行实验测试。 浙江大学硕士学位论文 第二章系统分析及方案设计 摘要：本章首先对项目任务进行分析，确定了设计原则。然后通过对电磁流量计开发中 所涉及到的关键技术的分析、研究、比较和论证，确定了系统开发所采用的技术实施方案， 为系统设计奠定了基础。最后提出了基于a r m 电磁流量计系统的总体结构。 2 1 任务分析和设计原则 本项目的研发，一方面是为了提高我国电磁流量计研究和开发的技术水平， 另一方面也是为了满足用户对电磁流量计功能不断增加的要求。因此，本项目所 要达到的预期目标不但要具备传统电磁流量计一些基本功能，而且还要在智能 化、集成化、开放性、可靠性以及运算处理能力等方面有较大进步和提高。基于 以上的分析，并广泛参考国内外电磁流量转换器的功能后，我们对电磁流量计转 换器所要实现功能提出如下要求，并制定相应的设计原则来保证项目顺利进行。 系统功能要求： ( 1 ) 具有双向流量测量、双向总量累计功能； ( 2 ) 内部具有三个积算器可分剐显示正向累计量、反向累积量及差值积算 量，且累计量可以至少显示1 0 位有效数字； ( 3 ) 具有开放性的r s 2 3 2 r s 4 8 5 和 n r t 标准总线通讯接口； ( 4 ) 带电隔离和自恢复功能过流保护的两路脉冲量输出，可输出脉冲和频 率，且每个脉冲对应的单位体积以及满量程输出的频率均可设置； ( 5 ) 带电隔离和自恢复功能过流保护的两路报警信号输出，报警信号定义 可在软件内设置； ( 6 ) 带电隔离和自恢复功能过流保护的4 2 0 m a 电流输出； ( 7 ) 带电隔离和自恢复功能过流保护的一路开关量输入，其功能可软件设 置； ( 8 ) 系统自带实时时钟，可以记录上电和断电时间： ( 9 ) 可编程频率低频矩形波励磁，可提高流量测量的稳定性，降低功耗： ( 1 0 ) 开关式恒流源，系统功耗低，可使用的励磁线圈的动态范围大，即线 圈的内阻从o 7 0 q 均可以满足要求； 浙江大学硕士学位论文 ( ) 显示单位可以为体积单位或质量单位和时间单位的任意组合，系统可 以自动动态切换到指数方式显示，实现大范围显示的功能； ( 1 2 ) 完善的报警检测能力，如空管报警功能和励磁故障检测功能； ( 1 3 ) 具有信号电缆屏蔽驱动功能，传感器和转换器可分体安装。 ( 1 4 ) 集成万能输入的开关电源，可以适应电源电压的大范围波动，在不同 电源电压的国家都可以使用。 系统设计原则： ( 1 ) 提高系统检测精度。检测精度高低是衡量仪表系统的一个重要指标。 提高检测精度应从硬件电路设计优化、软件处理( 数字滤波、软件修正等) 、提 高励磁技术水平以及抗干扰等方面入手，综合考虑各方面因素，对流量检测有影 响的干扰因素作必要的技术处理。 ( 2 ) 提高系统智能性。系统的智能性包括控制智能性和数据处理智能性。 在开发本系统时应充分利用微处理器强大的控制能力，即在软件控制和管理仪表 测量过程中，避免使用常规仪器仪表中大量的硬件电路，即尽可能实现“硬件软 件化”。另外，系统应具有量程选择、测量方式选择、自动调零等功能，其软件 应具备数字滤波、非线性修正等数字处理能力。 ( 3 ) 提高系统开放性。系统开放性包括硬件电路开放性、软件设计开放性 以及系统通讯接口开放性三部分。硬件功能模块划分要明确，电路功能单元要相 互独立。同时，组成电路单元的元器件应通用性强，替代性好：软件设计时应考 虑可读性和可扩充性，易于后人二次开发，支持重用性。 ( 4 ) 提高系统可靠性。由于本仪表系统工作环境恶劣，为了保证仪表系统 有非常高的可靠性，在器件选取上应考虑成熟的产品；在硬件设计上应使其具备 掉电保护、自诊断等功能，输入输出电路必须电隔离和过流保护功能；软件设计 上必须采取容错、滤波、软件陷阱等抗干扰措施。 ( 5 ) 降低系统成本。在能满足系统要求的情况下，为了获得较高性能价格 比，应尽可能采用简单、实用的方案，同时尽量选择性价比较高、功能强大的元 器件。这样做不仅可以降低系统成本，而且还可以简化系统结构，缩小系统体积， 增加系统可靠性。另外，降低成本除了要考虑硬件成本，还应考虑研制成本和使 用维护成本。因此，在系统开发时应尽量选用成熟的理论和方法，提高系统开发 一次性成功的概率，缩短研制周期，降低研制成本。 i5 浙江大学硕士学位论文 ( 6 ) 提高系统易操作和易维护性。系统应具有友好的操作界面，以降低对 操作人员的要求；同时，系统应具有易维护性，以便在系统出现故障时能够及时 排除。 2 2 测量信号物理机理和特性 传感器感应的流量信号是电极间的电位差，即一种电压信号。实际上，由于 电磁感应、静电感应以及电化学电势等原因，电极上所得到的电压不仅仅是与流 速成比例的电动势，也包含各种各样干扰成分在内f 5 6 1 。 传感器测量电极上得到的电压信号提供给转换器，由式( 2 - - 1 ) 表示： e = b v d + 塑d t + 宴dt + e c + e d + c z ( 2 川 。 其中b v d 为流速信号，它与流速成正比，是电磁流量转换器需要得到的真 实测量值。罂和霉分别称为微分干扰和同相干扰，是由于励磁磁场的突变而 a t n t 引起的，是电磁流量计的主要干扰。e 。、e 。和e ：分别称为共模干扰、串模干扰 和魔流极化电压，均为电磁流量计的次要干扰源，前两者主要是由于电磁流量计 附近的电磁干扰和静电干扰产生的，可以通过静电屏蔽和良好的接地加以抑制， 直流极化电压即为通常所说的极化现象产生，可通过提高励磁频率加以克服。 2 2 1 流速信号特征 以下将分析流速信号电压的基本特征，以便电磁流量转换器对流速信号能够 有效地、针对性地放大、处理和数据采集等 1 l 】。 ( 1 ) 频率 流量信号是由励磁磁场感应的，其电学特性与励磁电压各参量有关，既信号 的频率与励磁频率是一致的。从降低传感器零点，保持稳定的角度出发，通常采 用6 2 5 h z ，甚至低到1 h z 的励磁频率： 度出发，励磁频率在数十赫兹至1 0 0 h z 从降低流体极化电压引起输出摆动的角 为降低低电导率时流动噪声的影响，励 磁频率可能达到1 6 0 h z 。总而言之，电磁流量计的信号频率都比较低，而且，当 励磁频率一旦确定下来以后，信号频率基本上不会改变。这就是说，转换器的放 浙江大学硕士学位论文 大电路可以设计成具有选频的低频放大器，用以抑止各种高频干扰，提高信噪比。 ( 2 ) 相位和波形 流量信号与工作磁场的相位和波形基本一致，也就是说，流量信号与励磁电 压的相位和波形基本一致。只是由于金属测量管的涡电流以及励磁线圈的电感和 电阻产生的滞后作用，流量信号存在一定移相或者波形的前沿和后沿存在积分过 程，这一相移或积分过程对于大口径传感器尤为明显。 ( 3 ) 幅度 流速信号的电压幅度与两电极的距离、磁感应强度以及流速大小成正比关 系。通常感应信号的幅度都很小，一般流体流过传感器流速l r r d s 时感应电动势 在l m v 以下，甚至o 2 m v 以下。 ( 4 ) 内阻 根据全电路欧姆定律，放大器的输入电阻与信号源的内阻构成分压电路，有 限的放大器输入电阻并不能将信号源的电压全部加进放大器，一部分信号电压将 被降在信号的内阻上。为了减小信号电压的损失，放大器的输入电阻必须远远大 于信号内阻，阻减小内阻所引起的测量误差。 a 电极 + 里 2 对于点电极的电磁流量计流量信号内阻来说，如图2 1 所示，在绝缘衬里 的传感器测量管内壁，装有一对接液电极。电极是圆盘状，直径为d ，电极a 和 电极b 的距离( 测量管直径) 为d ( d 6 ，。目前的所有检定规程中，作为必备的条件之一一，都 有类似的表述： 浙江大学硕