（控制理论与控制工程专业论文）电磁流量计信号转换器软件系统的研究与开发.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 电磁流量计信号转换器软件系统的研发 摘要 流量是生产过程中需要检测和控制的重要物理量之一，电磁流量计是检测流量 的重要仪表。近年来，由于经济高速发展，国内的电磁流量计的市场需求增加很 快，但国内市场基本被国外著名品牌的仪表厂商所垄断，而且采用专用：笛片加密 等手段进行技术封锁。针对上述问题，本文开展了具有自主知识产权的电磁流量 计产品的研发工作，以实现固液两相如矿浆、纸浆等难测量流体的高精度、低成 本的在线测量。主要工作如下： 1 对电磁流量计领域的国内外发展状况进行了全面系统的综述，分析了 目前励磁技术的原理，确立了以交流励磁作为电磁流量计的励磁方式， 并结合目前先进的芯片技术，进行了电磁流量计信号转换器系统的整 体设计，提出了以专用芯片、微处理器、模拟信号处理器为架构的电 磁流量计信号转换器的低成本方案； 2 对电磁流量计信号转换器软件实现的功能进行分析，提出了软件实现 架构，并根据信号转换器的需求，围绕系统的易用性、安全性、良好 的用户交互性能以及多用性进行软件系统的功能设计，整个软件系统 由采集信号模块、系统监控模块、系统算法实现模块、用户交互模块、 数据模块五大模块组成：系统实现了瞬时流量算法、瞬时流量滤波算 法、系统零点调节算法等；基于上述设计，完成了电磁流量计信号转 换器软件系统的丌发； 3 研制成了一台科研样机，并进行实验测试。软件系统的运行取得了预 期的效果，通过在实验装置上的对比实验，证明其对于掺杂流体的测 量具有良好的应用效果，相对误差小于2 ，同时还具备较快的系统响 应速度，部分性能指标优于目前市场上的同类产品。 关键词：电磁流量计，信号转换器，掺杂流体，自诊断 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c l l t h es o f t w a r es y s t e mr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tf o re m fs i g n a lc o n v e r t e r a b s t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r ( e m f ) i sa ne f f e c t i v ei n s t r u m e n ti nm e a s u r i n g f l o w s ，w h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s sv a r i a b l e sf o rm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o li ni n d u s t r i e s w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft h es t a t ee c o n o m y , t h ed e m a n df o r e m fh a sb e e ng r o w i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s b u tf o r e i g nm a n u f a c t u r e r si nt h e m e a s u r e m e n tf i e l dh a v eo c c u p i e dd o m e s t i cm a r k e t w h a ti sm o r e t h et e c h n o l o g yo f t h e i rp r o d u c t si ss t r i c t l yc o n f i d e n t i a l w i t l lt h eb a c k g r o u n do fa l lt h ea b o v e a ne m f w i mt e c h n i q u ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h to fc h i n aw a sd e v e l o p e d a n di tc o u l dh a n d l e t h ev e r yi m p o r t a n tp r o b l e mo fm e a s u r i n gt h es o l i d l i q u i df l o w so nl i n e s u c ha sp u l pa n d p a p e r a tt h es a m et i m ew i t hl o wc o s ta n dh i g hp r e c i s i o n t h em a i nw o r ki nt h et h e s i s a r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed e v e l o p m e n to fe m fi nt h ew o r l dw a ss u m m a r i z e d a f t e rs t u d y i n gt h e e x c i t a t i o nt e c h n i q u ea tp r e s e n t u s i n gt h el a t e s tc h i pt e c h n i q u et h et h e s i s p r o v i d e daw h o l el o wc o s ts y s t e mo fe m fs i g n a lc o n v e r t e rw i t ha c e x c i t a t i o n w h i c hw a sc o m p o s e do fs p e c i a lp u r p o s ec h i p m i c r o p r o c e s s o r a n a l o ga n d d i g i t a lc i r c u i t 2 as o f t w a r es t r u c t u r ew a sp r o v i d e da f t e ra n a l y z e dt h ep e r f o r m m l c eo fs o f t w a r e s y s t e m b a s e do nt h ee a s y h a n d l e ，s e c u r i t y , b e t t e ri n t e r c o m m u n i o na n dw i d e l y u s e ，t h es o f t w a r ef u n c t i o nw a sd e s i g n e d t h ea r t i c l ep r o v i d e das o f t w a r e s y s t e mw i t hf i v eb l o c k s ，i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i n gb l o c k ，m o n i t o r i n ga n d c o n t r o lb l o c k ，a l g o r i t h m sb l o c k ，o r i e n t e du s e rb l o c k s o m ea l g o r i t h m sw e r e i m p l e m e n t e d ，s u c ha sf l o wr a t ea l g o r i t h m s ，f l o w r a t e f i l t e r i n ga l g o r i t h m s ， s y s t e mz e r oa d j u s t m e n ta l g o r i t h m s 1 1 1 ew h o l es o f t w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y , a n dd e b u g g e d 3 a ne m f s i g n a lc o n v c r t e ri ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e df o rt h es a m p l e a n dp a s s e d n o to n l yt h es i m u l a t i o nt e s tb u ta l s ot h er e a lf l o wc a l i b r a t i o n c o m p a r e d w i t ho t h e re m f i td i dw e l li nm e a s u r i n gt h ei m p u r i t yl i q u i dw i t hb e l o w2 r e l a t i v ee r r o ra n dr a p i dr e s p o n s e i ti sm u c hb e t t e rt h a no t h e re m fo nt h e m a r k e tw i t hs o m ep e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d ：e m f ，s i g n a lc o f i v t t e r ，i m p u r i t y ，d i a g n o s t i c i i i 东北大学硕士学位论文第1 章概述 能测量生活、工业用水和各种酸碱盐溶液，特别对固液两相流的测量，与现有各 种流量仪表相比，性能好，适用范围广，大口径仪表较多应用于给排水工程；中 小口径常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测 量纸浆液和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小e 】径、微小口 径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。 e m f 测量流速范围在流量仪表中也属最宽的一种，满量程流量时流速通常为 o 1 5 m s 1 0 m s ，国外有些产品满量程最小流速可低到o 13 s 。国内上海光华 爱而美特仪器有限公司已生产e m f 最大通径为2 6 0 0 唧“1 。 据统计，近年世界范围电磁流量计约占工业流量仪表台数的5 到6 5 ，1 9 9 4 年全球产量估计为9 5 0 0 0 到1 2 5 0 0 0 台。到1 9 9 8 年，已有2 0 0 万台电磁流量计投 入使用。国内由上海光华仪表厂于1 9 6 0 年向社会提供产品，1 9 9 4 年产量估计在 8 5 0 0 到1 0 0 0 0 之间。 电磁流量计之所以获得如此大范围的应用与其特点是密切相关的。从其工作 原理来看，只要流体具有导电性，电磁流量计即可完成流量测量。此外，电磁流量 计还具备以下特点”h ：其测量不受流体温度、压力、密度、粘度的影响；流量计 内部直通光滑，不对流体产生阻力，无压力损失；直接进行电测量，响应速度快； 检测部无可动部件，不会发生滴漏现象；无机械惯性，反应灵敏，可测瞬时脉冲 流量；可以测量证 x 东北大学硕士学位论文 第1章概述能测量生活、工业用水和各种酸碱盐溶液，特别对固液两相流的测量，与现有各 种流量仪表相比，性能好，适用范围广，大口径仪表较多应用于给排水工程；中 小口径常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测 量纸浆液和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小e 】径、微小口 径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。 e m f 测量流速范围在流量仪表囊划溜两杰习。；h 酗驷钔垒 蛭圳列蹩漫 0 1 5 m s - - 1 0 m s 忙多蔷雀堤璧冀繇醋鬣罂爱莹馕霆0 。13 m s ；基基铂稚h 辈? 确蟊嗣越鞠簖錾蓦净巾鲁副e m f 崔袁羚鹱娶2 6 0 0 m m 。 登弱錾二鹾篓爨蘩霉渗凰劐苓蠹毹韪矗驴奠f 鬣裂舅酬鲤坠i 事前l ，l ；1 9 9 4 辅影友彗群挚虹壅9 5 8 苏 b a n i 皿i n k 等，林凤谟译j 应用等离子淬火法进行钢的表面硬化 刁，国外金属 加工，1 9 8 4 ，( 3 ) ：l - 4 2 9 b e e k e rep ，l u d e m akcaq u a l i t 甜v ee 1 p 矾c a lm o d e l0 fc y l i n d e rb o r ew e a r 【j w e 盯，1 9 9 9 ，2 2 5 ( 6 ) ：3 8 7 - 4 0 4 3 0 过增元，赵文华电弧和热等离子体 m 】，北京：科学出版社，1 9 8 0 ，4 5 9 0 3 1 赵文珍等厚壁波纹管加工新工艺方法 j 】，沈阳工业大学学报，1 9 9 6 ，( 1 2 ) ：2 5 - 2 9 3 2 日】藤木荣，中岛宏兴平成元年我国热处理研究动向阴，国外金属热处理，1 9 9 1 ， 1 2 ( 2 ) ：1 7 2 2 3 3 日】木村达夫，宫崎峻行用小口径喷嘴进行碳钢等离子淬火国外金属加工叨，国 外金属热处理，19 9 1 ，( 2 ) ：3 0 - 3 5 3 4 a a b 印hn k o b ，b c e 删】l l ，e c 印e p k a b a 等国外钢铁，1 9 9 6 ，( 1 ) ：6 5 - 6 8 3 5 g i a c d b b efw 使用氩热等离子喷射局部硬化高碳钢【j 】，h i 曲t c 1 p e r a l = 【l r e t e c l l n o l o g y ，1 9 9 0 ，( 8 ) ：2 5 - 3 0 3 6 s e l i v 趾o vmv ，s y r o p h y a t o vvy p l 姗ah a r d e n i n gp a r t s 四，i z o 鼢m a s h i n o g 吒1 9 9 7 ， ( 7 ) ：3 4 3 7 v v g r i s h a l l o v ，v 工m o r d a s o v c o m b i n a t i o no fl 昭e ra n dp l 踟ap r o c e s s e s 妇。m e t a l t r e a t i l l e n t i z v i b s s 们，a k a d n a u k ，m c t ，1 9 9 9 ，( 4 ) ：9 8 - 1 0 3 3 8 y m d o m b r o v s k i i ，a v b r o v e r ，t r 翩舡n e n to fs b e e lb ya i la n p l a s m a a r cw i t hs c a n n i n g m e t s c i 【j 】，h e a t1 、r e a t ，1 9 9 9 ，( 7 ) ：1 2 - 1 5 3 9 y m d o m l ) m v s 虹i e 腧to fp l a s m ah e a t 订e 曲玳幢o fm es u 如c eo nt h es t r e i l g l l lo f s t e e l 咖曲珊s 【j 】，w e l d i n t ，1 9 9 9 ，( 1 3 ) ：8 2 6 - 8 2 8 4 0 s 醐k o vag ，p 咖sv p l a s m as u 血c el l a r d e n i l 培w h e e lc o l 】p l e sa t o m 阴s v a r k a ， 1 9 9 9 ，( 7 ) ：7 l 一7 6 东北大学硕士学位论文 第1章概述 这些早期的电磁流量计产品使用的励磁技术都是直流励磁技术，直流励磁技 术具有方法简单可靠、受工频干扰影响很小、流体中的自感现象可以忽略不汁等 特点，但它存在的最大的问题是直流感应电势在两电极表面上形成固定的正负极 性，引起被测流体介质电解而产生正负离子，导致电极表面极化现象，使感生的流量信号电势减弱，电极间等效电阻增大，同时出现电极极化电势漂移，严重影 i l 向信号处理部分的工作，同时仪表的制造成本也较高。目前直流励磁技术仅在原 子能工业中用于电导率极高，而又不产生极化效应的液态金属流量测量中。 为了克服直流励磁的极化干扰，人们丌始使用工频正弦波励磁。1 9 5 0 年代后 期，工业发达国疆蔷喾薹蝴强w 蛆蛐靼埘；雕嬲她匾船稚劐穑j 】【茹渤型j 净 等簧啦i 鎏拣翘拦南揽确巍稍3 3 4 6 8 张三川，刘怀喜激光淬火提高合金铸铁显微硬度的研究阴，激光杂志，2 0 0 1 ，2 2 ( 0 1 ) ： 3 3 3 4 6 9 张永康，徐方大，陈朝晖提高发动机气缸孔的耐磨性的激光强化新技术阴，江苏理 工大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 1 ，2 3 ( 0 2 ) ：18 - 2 1 7 0 高铭文一种合理选择激光淬火缸套淬硬带螺距的计算方法阴，机械工程师，1 9 9 6 ， ( 6 ) ：2 0 7 1 石娟，吴钢，戴忠森齿轮激光淬火轴向扫描工艺参数对硬化带的影响及预测卿上 海海运学院学报，2 0 0 0 ( 0 1 ) ：7 8 8 9 7 2 杨洗陈，王云山，李会山，孙荣禄激光宽带淬火机理及应用研究四，中国机械工程， 2 0 0 4 ，1 5( 3 ) ：1 9 6 1 9 8 7 3 杜利平，郭洪，雒江涛，梁二军4 5 # 钢宽带激光淬火研究四，激光杂志，2 0 0 1 ，2 2 ( 0 2 ) ： 5 2 5 4 7 4 林子光y a g 激光热处理 j 】，金属热处理，1 9 9 9 ，( 1 0 ) ：3 - 4 7 5林子光发动机汽缸y a g 激光网纹状淬火 j 】，金属热处理，1 9 9 9 ，( 0 3 ) 7 6 林子光激光淬火提高发动机汽缸抗磨性能的研究阴，润滑与密封，2 0 0 0 ，( 0 6 ) ：1 5 1 6 7 7林子光，蔡军，王恩鸿高温线接触条件下表面抗磨损性能的试验研究明，润滑与密 封，2 0 0 0 ，( 0 1 ) ：4 3 4 4 7 8范春起，张英才，张厚君，鹿云缸套激光淬火的网格效应 j 】，河北工业科 技，1 9 9 9 ，1 6 ( 1 ) ：5 8 7 9武晓云，孙利民，陆传荣合金铸铁缸套试样在往复式磨损试验后的s e m 分析阴，传 东北大学硕士学位论文第1 章概述 1 9 8 3 年，国外多家公司研制成功三值低频矩形电磁流量计。三值低频矩形波 励磁技术是人们在总结低频矩形波励磁技术的基础上，为了使仪表零点稳定而提 出的一种励磁技术，其最大的特点是实现在零时动态校正零点，因而具有更优良 的零点稳定性。 虽然三值低频矩形汉励磁方式具有优良的零点稳定性，但在测量泥浆、纸浆 等含纤维和固体颗粒的流体介质和低电导率流体流量时，出现固体颗粒擦过电极 表面而产生低频尖峰噪声和流体流动噪声，这样往往导致励磁频率较低的三值励 磁电磁流量计输出摆动不稳。 由于三值低频矩形波励磁零点稳定，但无法抑制低频噪声；较高频率的矩形 波磁场能消除低频噪声，但一般其零点稳定性欠佳。人们在分析各种励磁技术的 基础上，提出了双频矩形波励磁技术。采用这种励磁方式，可用高频波采样米消 除含纤维和固体颗粒流体介质的低频噪声，同时又保持了低频矩形波励磁零点稳 定的优点，取得了很好的应用效果“”“。 1 9 8 7 年日本横河电机推出双频激磁电磁流量计。1 9 8 9 年，上海光华爱而美特 仪器有限公司生产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。 1 9 8 7 年前后，德国t u r b om e s s l e c h n i k 公司推出商业名称叫p r o g r a m m a b l e k e y e ds t o r a g e ( p k s ) 电磁流量计，它具有可编程序控制逻辑( p r o g r a m m a b l e c o n t r 0 11 0 9 i c ) 的激磁控制回路，用户按使用条件在一定范围内设定合适的脉冲 频率。较低频用于大管径仪表；较高频用于小管径仪表、高分辨率、小容量粉状 系统以及测量浆液。 1 9 8 9 年前后，t u r b om e s s t e c h n i k 公司推出商业名称叫t r a n s m a g 的脉冲调制 交流激磁( p u l s e da n e r n a t i n gc u r r e n te x c i t i n g ) 电磁流量计。流量信号幅值 为通常矩形波激磁仪表的1 0 倍，具有较高的信噪比，适用于纸浆、矿浆，甚至含 有磁性颗粒的浆液。 1 9 9 2 年，德国f i s c h e ra n dp o r t e rg m b h 推出用于测量非满管圆管流量的 p a r t 卜m a g 多路电极电磁流量计“，爱知时计电机1 9 9 3 年透露了非满管e m f 圆型 机的若干情况”。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 公司分别展示了非满管电磁流量计。 1 9 9 6 年，h o r n e r 等人在e n g l 的均匀磁场f 任意流型平均流速数学表达式的 基础上，提出了以层析成像理论为基础的多电极电磁流量计测量平均流速的方法， 东北大学硕士学位论文第1 章概述 研制出了工业共非轴对称流量测量的多电极电磁流量计“”1 “。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。”1 2 “。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。从8 0 年 代开始，许多学者多电极电磁流量汁进行了研究，并取得了不少成果。”1 ”1 。2 0 0 0 年，我国浙江大学研制成功多电极成像式电磁流量计“。 接着，管道式和插入式统一电磁流量计的产生突破了管道式电磁流量计精度 高而不易检修、插入式电磁流量计易于检修而精度低的局限“，它可以在线带压 安装和方便地进行电极检修，解决传统电磁流量计电极污染后的检修问题卡。美 国的m a r c h m c bi r n e y 公司的插入式电磁流量计在该领域处于领先地位，广泛应用 于污水、浆水、饮料、化工领域的流体测量。 1 2 2 影晌电磁流量计的因素 1 被测介质物理性能 1 被测介质电导率 使用e m f 的前提是被测液体必须是导电的，不能低于阀值( 即下限值) 。电导 率低于闽值会产生测量误差直至不能使用，超过闽值即使变化也可以测量，示值 误差变化不大，通用型e m f 的闽值在1 04 5 l o6 ) s c m 之间，视型号而异。电 磁流量计不能用于电导率更低的液体是因为传感器与变送器阻抗的匹配问题。变 送器内阻与液体电导率的关系是个反比例的关系，例如，对于圆盘形的电极来 说，如果电极的直径相对于两电极间的距离很小时，则可以近似地认为变送器的 内阻为： l l2 i ( 1 1 ) 式中，o 为液体的电导率( s c m ) ，d 为电极的直径( c m ) 。 对于电磁流量汁来说，变送器产生的感应电动势只有几【 v ，能否进行准确的 测量，还要取决于转换器的输入阻抗，通常要求转换器的输入阻抗应远远大于变 送器内阻，才可以保证仪表的测量精度。目前，转换器的输入阻抗一般达到1 0 0 2 0 0 m q ，即要保证o 1 传输精度的传感器内阻必须小于1 0 0 2 0 0 k q 。假设电极 直径为1 c m ，那么根据上式可得被测介质最低电导率为( o 5 1 ) 1 0s m 。故使用 时还取决于传感器和转换器间流量信号线长度及其分布电容。非接触电容耦合大 东北大学硕士学位论文第1 章概述 围所起的作用，更大于降低电导率所起作用。 4 电池供电式电磁流量计 e m f 的灵敏度以单位流速产生感应电势值来表示。，数值愈低灵敏度愈高。早 期交流激磁方式灵敏度设计在1 1 5 m v ( m s ) ，低频矩形波激磁方式则为0 2 - 0 4 m y ( m s ) ，现在有些仪表进一步提高到0 0 2 一o 0 4m y ( m s ) ，所需功率分别从 数百瓦特和1 0 2 0 m w 降低到几十毫瓦特，从而有可能实现采用电池供电。 1 3 本文的工作 流量是生产过程中需要检测和控制的重要物理量之一，电磁流量计是检测流 量特别是固液双相流体流量的重要仪表。近年来，由于经济高速发展，国内的电 磁流量汁的市场需求增加很快，但国内市场基本被国外著名品牌的仪表厂商所垄 断，而曰采用专用芯片加密等手段进行技术封锁。针对上述问题，本文开展了具 有自主知谚 产权的电磁流量计产品的研发工作，以实现固液两相如矿浆、纸浆等 难测量流体的高精度、低成本的在线测量。本文进行了电磁流量计信号转换器的 研发。本文主要侧重于电磁流量计信号转换器软件系统的研发工作，具体工作如 下： 1 对电磁流量计领域的国内外发展状况进行了系统全面的综述，结合当代先 进的芯片技术进行了电磁流量计信号转换器系统的整体设计。 2 从需求的角度围绕易用性、使用的安全性、良好的用户交互性能对电磁流 量计信号转换器的软件系统进行功能设计和详细设计。 3 进行了软件系统的开发、调试。 4 对研发的电磁流量汁信号转换器进行了实验测试，验证系统工作性能。 东北大学硕士学位论文第2 章电磁流量计信号转换器整体设计 第2 章电磁流量计信号转换器整体设计 2 1 电磁流量计工作原理 据法拉第电磁感应定律，当导体横切磁场移动时，在导体中感应出与速度成 正比的电压，电磁流量计就是按这条电磁感应定律求得流体的流速和流量的。在 电磁流量计实际应用中，导体就是导电液体，当导电液体流过电磁流量计时，导体 中会产生感应电动势，其感应电动势与导电液体的流速、磁感应强度、导体宽度( 流 量计内径) 成正比“1 。以v ( m s ) 表示导电液体的流速，d ( m ) 表示导电液体流过 的管子直径，b ( t ) 表示导电液体所处的磁场，u 表示感应电动势，那么电磁流量计 的应用原理图如图2 1 所示。 设“ 图2 1电磁流量计工作原理 f i g21w o r k i n gp r i n c i p l ef o re m f 在推导表述电磁流量计的原理和特征的基本方程式时，先作以下几个基本假 1 ) 均流体的磁导率p 均匀，且同真空中是一样的。 2 ) 流体的电导率是均匀的，各向同性的，符合欧姆定律。根据本条假设有： j = 盯瞄+ 矿荟) ( 2 1 ) 式中，j 为电流密度：o 为电导率，e 为电场强度；b 为磁场强度：v 为流体速 度( 以上均为矢量) 。 电场e 是基于流体内外存在着电荷而存在的量，第二项v x b 是因磁场中流体 运动引起的电磁感应。 3 ) 流体中的位移电流可以忽略。 东北大学硕士学位论文第2 章电磁流量计信号转换器整体设计 当角频率为、流体的介电常数为时，若佑1 1 ，位移电流可以忽略。水 或水溶液可满足这一条件。反之，对于叮一o 的油类，较高，所以位移电流占主 要地位。 除了欧姆定律以外，我们还以从麦克斯韦尔方程式为出发点，即： 。f 耳：j 十丝 。 a t d b ：dd 如基：o ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中，d = e 为电通量密度；p 为电荷密度；b = 曲。 式( 2 2 ) 右边的a b 伯t ，如果是交流磁场，可用相位差来判别，如果是恒 定磁场，则可忽略。同时，根据假设3 ) ，忽略其位移电流a d 伯t ，就得到： 。滢：o ( 2 5 ) r o t 甚：连 ( 2 6 ) 从式( 2 5 ) 可以判定存在着出式( 2 7 ) 定义的电位u 琶：一f q d u 当没有产生电流j 的源点( 电流源) 时， 由式( 2 1 ) 和式( 2 8 ) 得 西：o 硪，岂+ 西。( 芦局：o ( 2 7 ) ( 28 ) ( 2 9 ) 22 西百 一 1 i eor 东北大学硕士学位论文第2 章电磁流量计信号转换器整体设计 到 由式( 2 7 ) 和式( 2 9 ) 得： 可t u ：d 帝x 昏：毽r o t 专一诲o t 毽 ( 2 1 0 ) 磁场不会因流体中感应电流而受到影响，所以式( 2 1 0 ) 的第二项为0 ，得 呵：u ：甚r o t 铲 ( 2 1 1 ) 式( 2 1 0 ) 或式( 2 1 1 ) 为电磁量计的基本方程式。在适当的边界条件下， 根据给定的v 和b 问的空间分布，就可求得流速矢量v 和电位u 的相对应关系。 假设，就可由式( 2 1 1 ) 的基本方程式推导出求电动势的公式。 1 ) 管路的坐标是；在半径为t 的圆管截面上x y 坐标图2 2 坐标轴示意图 图2 2 所示。 ( o x ( 0 ，- t ，o ) 图2 2 坐标轴示意图 f 培22d e s c r i p t i o no f x y - z “i s 2 ) 电极设在y 轴上的a ( o ，t ，0 ) 、b ( o ，一t ，o ) 点上。电极面积小到可以 忽略。 3 ) 仅考虑z 轴方向的流动； 4 ) 在x 方向上加磁场，假设z 方向上是一样的； 5 ) 管壁为绝缘体，流体均匀； 1 4 东北大学硕士学位论文第2 章 电磁流量计信号转换器整体设计 哪卿= 击揣 = 圭( 嘉+ 击)2 j 【再瓦丽+ 再铲j ：要卜r e z m + ( _ r ) 2 一十a 2 。 、7 = 1 + ( ：i r 掣i 兰 _ 篓 i 萋雾品( 戮舞? ! g j 薹 孽羹淡雾篝蠹黪。；i “i 罩茬誊萋。；t s 善囊i 蕃j - ；t 誉善矗蓊羹蒿；= 毫毫| | 钳；i 墓霸；l ，；l i 剧芝毯；巨n 。；辩i ；蠢暂妻斟 址液晶显示控制字o xfaol 液晶显示o xfa02 a ，d c读数据端口 oxfa03，oxfa04 专用芯片计数器控制字o xf8 计数器00 xa05 计数器1 0 xfa06 计数器2 ox矗07 东北大学硕士学位论文第2 章电磁流量计信号转换器整体设计 2 2 电磁流量计的结构 电磁流量计在结构上一般由电磁流量计传感器和电磁流量计信号转换器两部 分组成。一般情况一f 传感器和转换器是分体的，传感器安装在生产过程工艺管道 上，它的作用是将流经管内的液体流量值线性地变换成感应电势信号，并通过传 输线将此信号送到转换器中去，主要由管组件、磁路系统、电极及干扰调整机构 等部分组成。信号转换器的作用是将传感器送来的流量信号进行比较、放大、并 转换成统一标准的输出信号，以实现对被测液体流量的远距离指示、记录、积算 或调节控制。也有的电磁流量计将传感器和信号转换器装在一起组成一体型电磁 流量计，可就地显示，并远传显示和控制。如图2 4 是分体的传感器和信号转换 器：l 作原理图。 幽24 一般电磁流量计构成 f i g2 4n o r m a le m f s f f u c t u r e 根据电磁流量传感器的特点，要求转换器具备以下几个方面的性能： 1 线性放大能力 转换器应具有高稳定性能的线性放大器，能把毫伏级流量信号放大到足够高 的电平，并线性地转换成标准电信号输出。 2 能够分辨和抑制各种干扰信号 根据不同的励磁方式，转换器应有相应的措施抑制或消除各干扰信号的影响。 对于正交干扰，除了传感器中的干扰调熬机构调零外，转换器中应有分辨和 东北大学硕士学位论文第2 章电磁流量计信号转换器整体设计 则 r ，9 9 9 r 1 0 0 0 r ( 22 5 ) 如果传感器内阻r 为2 0 0 kq ，则转换器的输入阻抗至少为2 0 0 m q 。如果传感 器内阻再提高，则转换器输入阻抗也应更高。 传感器内阻与被测介质的电导率以及电极与介质的接触面积有关，对于通 常采用的圆形电极来说，如果电极直径d 相对于电极间的距离d 很小时，可以近 似地用下式来计算传感器内阻 r ；上 耐 ( 22 6 ) 假设电极直径为l c m ，则为使传感器内阻不超过2 0 0 k q ，被测介质的电导率的 最小值应控制在 o - m i n = 面1 = 赢s 蛔= 0 5 x 1 0 - 5 s c m ( 2 2 7 ) 一般可以认为这个值是目前通用电磁流量计可测量的介质电导率的下限，相 当于蒸馏水的电导率。如果希望测量电导率低的流体介质而又不影响传输精度， 则转换器应有更高的输入阻抗。一般转换器最小输入阻抗约可达2 0 0 m q ，目前国 内一些较好的转换器输入阻抗已达1 0 0 0 0 m q 以上。 转换器的输入阻抗越高，测量时就越不容易受传感器内阻变化的影响。可测 介质的电导率下限也可降得越低，即扩大了电磁流量计的应用范围。国外有特殊 结构的电磁流量计，用与液体不接触的电极以电容方式传送流量信号，可测电导 率下限达1 0 “s c m 的液体。 4 能消除电源电压和频率波动的影响 对于交流励磁的电磁流量计，即使管径和平均流速保持不变，当电源电压或 频率波动时，也会使电势信号e 波动。所以在检测流量信号时，如果只检测电势 信号e ，就会使仪表的工作受电压和频率波动的影响。为了消除电压和频率波动的 影响，可采用测量比值e b s i n m t ，而不是仅测量的方法。这样，从流量的基本测 东北大学硕士学位论文第2 章 电磁流量计信号转换器整体设计 量关系式可知，当管道直径固定时，所测得的信号e b s i n o ) t 恰能反映流量，消除 了电源电压和频率的影响。较早期的工频励磁电磁流量转换器采用霍尔乘法器实 现e b 的除法运算，由于霍尔乘法器体积大，工艺复杂，稳定性又差，可用乘法 电路代替霍尔乘法器。 对于方波励磁的电磁流量计，由于b 已基本不受电源的影响，所以不需要测 量e b ，可直接避开微分干扰采样流量信号。 2 3 电磁流量信号转换器整体设计 图2 5电磁流量计转换器系统框图 f i g 2 5 s y s t e mo f e m fs i g n a lc o n v e r t e r 电磁流星计信号转换器是将传感器送来的流量信号进行比较、放大、并转换 成统一一标准的输出信号，以实现对被测液体流量的远距离指示、记录、积算或调 节控制。那么由信号转换器的工作任务进行分析，系统要完成对传感器信号的采 集、信号的处理以及将流量送出显示这些任务，以及当系统运行异常时，为了保 证系统的正常、可靠运行而进行的系统保护措施，考虑到信号转换器所受的干扰， 确立了采用模拟数字相结合的解决办法。另外，考虑到电磁流量计的设计要实现 好的抗干扰特性，必然涉及复杂逻辑：如通过脉冲输出提高系统的输出精度，方 便实现与外部控制单元的隔离，提高电磁兼容性：为兼顾目前主流的4 - 2 0 m a 的输 出形式，确立以脉冲到电压，再到电流的转换形式，也在脉冲到电压的转换过程 中，实现了电磁流量计与上一级控制单元的完全隔离，进一步提高了系统的性能。 对于种种脉冲的输出，必然剥微处理器的中断资源提出了更多的要求，由于m c s 一5 】 只有两个中断接口，为了确保系统的实时性，引入了复杂逻辑门阵列( c p l d ) 设 东北大学硕士学位论文第3 章电磁流量计信号转换器软件系统设计与开发 第3 章电磁流量信号转换器软件系统的设计 与开发 3 1 软件系统分析 3 1 1 任务来源 为某企业开发一套电磁流量转换器。本文完成该装置的软件系统的开发、编 码工作。 3 1 2 项目目标 根据用户提出的要求，结合目前电磁流量计的市场需求，开发一套功能较为 全面的电磁流量转换器，做成产品，推向市场。 3 1 3 开发的原则 为了能在短期内完成开发该电磁流量装置的软件系统的目的阻及项目合同的 制约作用，本软件系统的开发遵循如下原则： 1 坚持行业标准 电磁流量计属于计量行业的范畴。作为计量工具，就必须具备计量工具的特 点。计量的基本特点是准确性，它表征的是计量结果与被测量的真值的接近程度， 只有量值，而无准确程度的结果，不是计量结果；另外，计量还必须具备一致性， 计量不仅限于国内，而且也要适用于国际，无论在任何时间、任何地点，采用任 何方法、使用任何器具以及任何人进行计量，只要符合有关计量的要求，计量结 果就应在给定的不确定度( 或误差范围) 内一致，否则，计量将失去其社会意义。 因此，开发过程中应注意向国际标准、国家标准、相关行业标准靠拢，贯彻遵循 标准的原则。 2 统一规划、高效开发 根据用户的需求，采用较成熟的技术，对系统进行统一规划，重点突出，将 大目标化解为小目标，尽可能地缩短系统开发时问。 3 操作简单、用户交互界面简洁 方便用户获取系统的信息，检查转换器运行状态，同时方便用户浏览系统参 东北大学硕士学位论文第3 章电磁流量计信号转换器软件系统设计与开发 数以及进行参数的修改。 3 1 4 需求分析 需求分析在软件系统的开发过程中是一个很重要环节，它是在可行性研究的 基础上，确定新项目必须完成哪些任务，即对项目最终目标提出完整、准确、清 晰和具体的要求，其目的是： 1 ) 检测和解决需求之间的冲突； 2 ) 发现软件的边界，以及软件与其环境如何交互； 3 ) 详细描述系统需求，以导出软件需求。 在系统开发中，因为需求分析的结构是新工程项目开发的依据，直接关系项 目开发的成败和软件的质量，所以需求分析是最重要的一步。需求分析规定了系 统设计最基本的要求，其分析的结果是系统设计、实现、测试验收和维护的依据。 所以，捕述需求时，必须谨慎、仔细，应该精确到能确认需求，验证需求实现。 需求分析阶段需要做的工作是： 1 ) 确定用户对系统的综合要求； 2 ) 分析系统的数据要求： 3 ) 确定系统功能模块； 4 ) 初步确定系统的开发计划。 1 项目简介 电磁流量转换器软件系统开发的目标是开发一套能直观地给用户实时显示管 道瞬时流量、累计流量，并及时反映转换器外部状态的软件系统。 2 用户对系统的功能要求 1 系统功能要求 1 ) 计算瞬时流量和累积流量，显示单位可设置。 2 ) 能将瞬时流量转换符合工业标准的电流信号输出，如4 2 0 m a 等。 3 ) 能将瞬时流量转换成脉冲输出，脉冲频率和宽度可设置。 4 ) 用户可以方便地通过面板操作来设置参瓤；撑嗲餐錾谚嚣， ；t i ：f 则必搏弭醛熏耀缮赞爹颦墨塑磐叠瓤鲫唧露建鏖 m li ! 删必覆悍拙揖疆回髂琢佳堪墅孝廖j ；糕到叠簦剧嵫牌撄藜世佰芎罨翅型孝囊； 9 i 露酉抒堑晕仟缒拦i 嚣塾郇岔抒至鲁仟箍挂堪簧值量； x 东北大学硕士学位论文第3 章 电磁流量计信号转换器软件系统设计与开发 9 ) 处理外部触发事件( 外部触发系统调零、外部触发累加器清零) ； l o ) 默认显示语种为英语，程序结构要适合增加新的语种，如简体中文、繁体 中文等。 1 1 ) 保证系统运行的可靠性。 2 系统性能要求 除了满足用户提出的功能要求外，系统性能也是衡量整个系统的一个重要指 标，本项目中要求： 1 ) 系统测量误差达到2 ； 2 ) 系统运行稳定，零点稳定。 3 系统数据要求 分析系统数据要求的目的在于准确地描述系统要处理的数据元素组成，这样 有利于系统数据的一致性，以便于进行系统的详细设计。 本系统的数据主要由传感器采集电压信号和参考信号数据、进行瞬时流量和 累计流量等等运算时必要的常数数据以及方便用户了解本装置的相关菜单信息数 据三大部分组成。 4 系统流程图 系统流程图用于表示系统各部件间信息流动情况，图3 1 只描述了系统信息 如何流动，不代表任何信息加工处理情况。 3 2 软件系统设计 图3 1 系统流程图 f i g 3 1s y s t e mn o wc h a n 3 2 1 软件系统的功能 本软件系统主要包含如下模块：采集信号模块、系统监控模块、系统算法实 现模块、用户交互模块、数据模块，各模块完成的功能如卜所述。 1 采集信号模块 东北大学硕士学位论文第3 章电磁流量计信号转换器软件系统设计与开发 采集信号模块完成对电极电压信号、参考信号的采集功能； 2 系统监控模块 系统监控模块包含系统自诊断模块、系统保护模块、系统检测模块、系统r 志模块。 系统自诊断完成对系统工作状态的诊断，判断系统工作是否正常，系统是否 处于异常状态。围绕系统工作的目标，对于本系统，将下面所列出的事件视为异 常： 1 ) 流过管道内液体的流景大于用户设定的流量上限值或者下限值； 2 ) 系统的参考电压信号过小或者过大； 3 ) 系统的电极电压信号过小或者过大，电极电压信号分p 极、n 极电压； 4 ) 待测量管道内液体截流； 5 ) a d 转换器过饱和； 6 ) 由于计数器的局限性，系统可累计的流量有一个上限，当累计流量达到这 个上限时，就会发生计数器溢出的情况。本系统将此视为累计流量的溢出； 累计流量的溢出分正反方向； 7 ) 系统设簧参数超出参数定义范围； 系统保护模块用于提高系统的安全等级，保护信号转换器安全、无故障工作， 保护程序的正常运行，保证程序不进入死循环或者不会乱飞，万一发生这种状况， 给出报警信号。 系统检测模块完成系统可实现功能的检测，检测的功能包括系统的屁示、系 统瞬时流量的电流输出、系统瞬时流量的脉冲输出、被测液体的流向、数据存储 器件( 包括e e p r o m 和n v r a m ) 、程序存储器件( e p r o m ) 、系统报警、累计流量复位。 系统 = ；i 志模块完成系统工作情况的记录，如系统掉电多少次、系统的工作条 件、系统工作的上限、系统工作情况记录，系统的工作条件为系统的励磁频率， 系统的工作上限为系统可测量的最大液体流速，系统工作情况记录包括本系统出 错历史记录、系统已完成了的累计流量历史记录。这是增加系统与用户友好交互 的一个功能。 3 系统算法实现模块 系统算法实现模块要完成系统要进行的一切算法，包括瞬时流量的计算、采 集信号可调增益的调艇、系统外部调零( 电极电压调零) 算法、系统调零算法、 东北大学硕士学位论文第3 章电磁流量计信号转换器软件系统设计与开发 系统满量程凋节算法、瞬