（测试计量技术及仪器专业论文）基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统.pdf

、咚州i n a 匈i n gu n i v e r s 时o f a e r o n a u t i c s a j l da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a e r o s p a c ee n g i n e e r i n g a h i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e d o ne l e c t r o m a g n e t i cfl o w m e t e r a t h e s i si n m e a s u r e m e n ta n dt e s t i n gt e c h n o l o 蹦& i n s t m m e n t s z h a n g m a d v i s e db y p r o f e s s o rc h e nr e n w e n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i n m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e c e m b e r ，2 0 0 9 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：鍪垃 日 期：沁l 生。主。2 一 鸯 南京航空航天大学硕士学位论文 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。本文在分析国内外电磁流量计发 展现状和趋势基础上，根据被测液体( 牛奶) 的安全卫生、电导率、安装以及每次收购牛奶密 度不同的要求，设计了基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统。 论文首先研究了电磁流量传感器输出信号的特点，设计了高性能的信号处理电路，并采用 专门用于微弱信号的1 6 位模数转换芯片7 7 1 5 进行模数转换，提高了转换器的测量精度，使用 s p l 总线与微处理器进行通信，高速高效。其次，设计了频率可控、低功耗、抗干扰能力强、 外界环境对a d 转换结果影响小的高精度激磁电路，提高了流量测量的稳定性。此外，还设计 了软硬件结合的抗干扰方法，针对各种不同类型的干扰采用不同的抗干扰措施，抗干扰能力强、 精度高、流量测量范围大。另外，根据空管时和有气泡流过管道时的信号特征，设计了空管检 测报警电路和气泡的软件处理方法。系统采用3 2 位嵌入式微处理器，在软件设计中基于软件模 块化、结构化、复用性好等原则设计，为二次开发打下了基础。最后制作电路板并进行实验调 试，对实验结果进行分析。 关键词：电磁感应定律，电磁流量计，激磁电路，嵌入式，牛奶高精度测量系统 基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统 a b s t r a c t e 1 e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ，w h i c hi sb 嬲e do nf a r a d a y sl a wo fe l e c 臼o m a g n e t i ci i l d u c t i o n ，i sa v e l o c i 锣- t y p ef l o w - m e t e r o na n a t y z m gt h ed e v e l o p m e n ts t a t i l sa n dt r e n do fm ee l e c 订o m a g i l e t i c f l o w m e t e rt e c l l i l o l o 蹦a th o m e 觚da b o a r d 锄dc 伽s i d e m gt h es 锄i t a t i o n ，s a f e 吼c o n d u c t a i l c e ， i n s t a l l a t i o na n d 也ed e n s i t yo ft h em i l kb o u g h te v e r yt 妇e ，ah i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi s d e s i g n e db 勰e do n l ee l e c 订o m a g n e t i cn o w - m e t e r f i r s t ，r e s e a r c hm ec h a m c t e r so ft h es i g n a lw h i c hi s 叭螂 u | t t e d 丘o mt h ee l e c 打o m a g n e t i c f l o w _ m e t e rs e n s o r t h e nd e s i 印ah i g l l p o w e r e ds i g n a l - p r o c e s s i i l gc m i t 锄dm a k eu s eo fa1 6 - b i t a i l a l o g - t 0 一d i g i 协ls h i p ，w h i c hc o m m 吼i c a t e sw i mt h ea i u 垤t l 帅u 曲s p i 锄di l i l p r o v e sm ea c c u m c yo f t h ee l e c 仃0 m a g n e t i cf l o w m e t e r s e c o n d ，d e s i g l la s q u a r ew a v e f o me x c i t i i l gc i r c u i tw i mh i g l l a c c u r a c ya i l d1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n dt h ee n v i r o l l i i l e mh 嬲l o w 访n u e n c eo nt h er e s u ho ft h e d c o n v e r s i o n s ot h es t a b i l i 够o fm e 硒u r es y s t e mi s i m p r 0 v e d t 1 l 姗，a d o p ts o m e 觚t i - i n t e l f e r e n c e t e d m o l o g i e s ，i n c l u d i i l gn l eh a r d w a r e 锄ds o f h v a r e p e c t s f o rd i 鼢e n ti i l t e r f e r c n c e sd i f f e r e n t a i l t i i n 蛔r f e r e n c em e 觞u r c sa r e 值k e na c t i o n ，w h i c hm a k et h ea m i i n t e r f b r c n c ea b i l i 劬p r c c i s i o n ， s t a b i l n ya n dt l l em e a s u r ee x t e n s i o no fe l e c 仃o m a g i l e t i cn o w - m e t e ri i i l p m v e d f o u m l ，觚a l y z et h e c h a r a c t e r so ft h es i g n a lw h e nt l l ea i rb u b b i e sn o wt h r o u g ht l l ep i p eo rw h e nt h ep i p ei s 锄p t ) ，觚d d e s i g nam e t h o dt op r o c e s s 也es i g n a lw h e nn l ea i rb u b b i e sn o wm r o u g ht l l ep i p e 锄d 锄a l e r tc i r c u i t f o rd e t e c t i i l gt h ee m p 锣p i p e f i f n l ，a3 2 - b i t 锄b e d d e dc h i pi sa p p l i e di i l 也i ss y s t e m i i ln l ep r o c e s so f t h es o f t w a r ed e s i g n ，w eo b e yt h el a wt h a tt h es o f t 、 r 甜es h o u l dh a v et 量l ec h a r a c t e r so fm o d u l 撕z a t i o n ， 仔锄e w o r k ，r e u s a b i l i 吼s ot h es o f 研a r cc a i lb eu s e dr e c l l n e n t l y f i 船l l y d e s 咖锄d 缅i s hm ep c b b o a r d 锄dd oe x p e r i m e n t sa n da n a l y z et h er e s u n so ft h ee x p 鲥m e n t s k e y w o r d s ：l a wo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，e l e c 仃o m a g n e t i cf l o w m e t e r ，e x c i t i n gc i r c u i t ，e m b e d d e d ， h i g hp r e c i s i o nm e 弱u r e m e n ts y s t e mo fm i l l ( 南京航窄航天大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s 仃a c t i i 第l 章绪论1 1 1 弓i 言。l 1 2 课题来源以及方案论证2 1 3 电磁流量计发展历史3 1 4 电磁流量计的发展现状4 1 5 本课题研究目标及内容6 第2 章电磁流量计原理以及激磁技术8 2 1 引言8 2 2 法拉第电磁感应原理8 2 3 电磁流量计测量原理9 2 4 电磁流量计的特点1 0 2 5 电磁流量计的激磁技术。l l 2 6 ，j 、结1 4 第3 章系统硬件电路设计1 5 3 1 引言1 5 3 2 系统硬件总体设计1 5 3 3 电磁流量传感器简介1 6 3 4 系统电源、时钟、复位以及唤醒电路。1 6 3 5s t r 7 1 0 系统设计1 8 3 6 系统电平转换电路设计1 9 3 7 信号采集与处理电路1 9 3 8 模数转换电路2 4 3 9 通讯电路2 5 3 1 0 键艋接口电路设计2 6 3 1 l 显示模块电路2 6 3 1 2j t a g 调试接口以及系统启动模式选择电路2 7 3 1 3 本章小结2 8 第4 章电磁流量计中的抗干扰措施2 9 4 1 引言2 9 4 2 电磁流量计中的干扰类型2 9 4 3 电磁流量计的抗干扰措施及其效果分析2 9 4 3 1 高精度的激磁电路的设计2 9 4 3 2 微分干扰和工频干扰的消除3 3 4 3 3 零点漂移的消除3 4 4 3 4 基于权重函数的补偿方法3 5 4 3 5 其他去除干扰的措施4 3 4 4 ，j 、结4 4 第5 章电磁流量计中气泡干扰的研究4 5 基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统 5 1 气泡成因4 5 5 2 气泡模型分析4 5 5 3 空管干扰的检测4 9 5 3 1 空管信号模型的建立4 9 5 3 2 空管检测5 1 5 4 气泡干扰的榆测。5 3 5 5 小结5 5 第6 章电磁流量计测试系统的软件设计5 7 6 1 引言5 7 6 2a i 己m 的集成开发环境5 7 6 2 1 系统的软件开发平台5 8 6 2 2 系统软件开发5 9 6 3 系统软硬件调试实验6 1 6 3 1a r m 调试通道的类型。6 1 6 3 2 系统调试实验6 2 6 4 本章小结6 5 第7 章结论与展望。6 6 7 1 本文主要的工作与贡献6 6 7 2 未来上作展望6 7 参考文献6 8 致谢7 l 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1e l 2 4 0 0 电磁流量计5 图2 1 磁场、运动液体以及感应电势三者的关系1 0 图2 2 直流激磁波形1 2 图2 3 工频交流激磁波形1 2 图2 4 低频矩形波激磁波形1 3 图2 5 低频三值矩形波1 4 图2 6 双频矩形波1 4 图3 1 系统硬件总体框图1 5 图3 2 电磁流量传感器1 6 图3 3 模拟电源设计1 7 图3 4 数字电源设计1 8 图3 5 系统时钟、复位以及唤醒电路1 8 图3 6s t r 7 1 0 系统设计1 9 图3 7 电平转换电路2 0 图3 8 前置级放大电路2 0 图3 9 低通滤波电路。2 1 图3 1 0 幅频响应曲线。2 l 图3 1 l6 2 5 h z 方波滤波后波形对比2 2 图3 1 25 0 h z 工频正弦波滤波后波形对比2 2 图3 1 33 0 0 h z 正弦波滤波后波形对比2 3 图3 1 4 二级放大电路2 3 图3 1 5 二级放大仿真图2 4 图3 1 6 模数转换电路2 5 图3 1 7r s 4 8 5 通讯电路2 6 图3 1 8 键盘接口电路。2 7 图3 1 9l c d 接口电路2 7 图3 2 0j t a g 调试接口电路以及启动模式选择电路2 8 图4 1 常用激磁电路示意图3 0 图4 2 新型激磁电路3 l 图4 3 激磁电路仿真结果3 2 图4 4 同步采样后的信号3 4 图4 5 长筒流量计物理模型3 6 图4 6 三维权重函数图3 7 图4 7 二维权重函数等势线3 8 图4 8 点电极参数示意图3 9 图4 9z = 0 时点电极电磁流量计权重函数4 1 图4 1 0z = o 0 0 5 时点电极电磁流量计权重函数4 2 图4 1 lz = 0 0 4 时点电极电磁流量计权重函数4 2 图4 1 2z = 0 0 8 时点电极电磁流量计权重函数4 3 图5 1 气泡产生模型4 5 基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统 图5 2 理论模型示意图4 6 图5 3 气泡在不同轴向位置时虚电流势的分布4 8 图5 4 气泡在同一位置时不同横截面上虚电流势的分布4 8 图5 5 不同气泡尺寸和位置对虚电流的影响4 9 图5 6 空管模型图5 0 图5 7 空管模型的等效原理图5 0 图5 8 空管信号削顶5 l 图5 9 满管输m 信号5 2 图5 1 0 空管检测电路。5 2 图5 1 l 空管检测电路比较器满管时以及空管时输出5 3 图5 1 2 空管检测电路触发器满管时以及空管时输出。5 3 图5 1 3 气泡摩擦电极输出信号5 4 图5 1 4 气泡噪声与阻尼时间的关系5 5 图6 1p s i o ni d e 工作界面。5 9 图6 2 系统程序流程图6 0 图6 3j t a g 仿真器6 2 图6 4 系统调试实验设备6 3 图6 5 实验输入波形6 3 图6 6 输入输出拟合曲线图6 4 南京航 表6 1 输入信号与输出瞬时流量 表6 2 输出瞬时流量值均值 表6 3 流量标准差6 5 基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统 _ 二二二= = = 二二= = - 二二= = 一一 注释表 回路中产生的感应电动势 回路中磁通量的变化 时间的变化 不考虑正负回路中产生的感应电动势 磁感应强度 磁通量变化面积 导体长度 被测介质运动的距离 被测介质运动的速度 液体的瞬时体积流量 导体长度，也即液体流经管道直径 流量系数 前置级放大电路放大倍数 电路中各个电阻 电路中各个电容 滤波电路的截至频率 二级放大电路的放大倍数 恒流源参考电压 采样电阻 恒流源采样电阻上电压 恒流源恒流 a d 转换器的参考输入端的参考电压 p 2 端口输出电压幅值的绝对值 流过电阻恐l 的电流 三极管基射极电压降 a d 转换的结果 经放大、滤波处理过的电压信号，也是a d 转换器的输入信号 信号处理电路总的放大倍数 传感器两电极输出的原始流量信号 真宅磁导率 电磁流量传感器线圈匝数 e 抛 击 u b 彳 d 讲；q d k凡q4r屹l厶吖k 心 南京航空航天大学硕士学位论文 j ， k 五、薯 矗。、气。 蛔、墙。 i 、工 流过线圈的电流 线圈的长度 ，d 转换器输出的系数 a d 采样的值 a d 采样的最大值 刖d 采样的最小值 a d 采样的平均值 a d 采样的个数 斜率零点漂移的斜率 采样时间 传感器输出信号周期 从刀r + 3 到o + 1 ) r 采样结果的算术平均值 从盯r 到，l r + 吖2 流量信号中问值的算术平均值 从刀r + 吖2 到( 刀+ 1 ) 7 流量信号中间值的算术平均值 从疗丁+ 到疗r + 么采样结果的算术平均值 矢量磁感应强度 传感器两电极电位 管道内壁半径 矢量权函数 虚电流密度 虚电流势 无气泡存在时的虚电流势 考虑管壁边界条件时的虚电流势 考虑气泡边界条件时的虚电流势 考虑气泡边界条件和管壁边界条件时的虚电流势 勒让德函数 修i e 贝塞尔函数 气泡对流量计的测量误差 勒让德函数的模 运算放大器的输入阻抗 流量信号对应的流体阻抗 流体干扰信号在空间上产生的阻抗 u 力砖 乞 、 h ( ( ， 疗七r m m儿欺否队口矿，g瓯q q引“c心乙互乙 基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统 二二= = 二= = = = 一一 x 传感器输出的流量信号 空间电场在电极上产生感应电势的干扰 差动电路的输入信号 脉冲宽度 脉冲宽度计算系数 电阻 电容 输出信号幅度 输入信号幅度 阻尼时间 气泡摩擦电极产生的零信号脉冲宽度 标准差 白 乞乙 k r c 岛巨 ， f 盯 南京航空航天大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着国民经济的发展和现代生产过程自动化程度的不断提高，流量作为主要的过程参数之 一，已成为判断生产过程的效率，工作状况及经济性能的重要指标，因此测量流体流量的流量 计的地位日趋突出。同时，流速和流量测量领域不断扩大，从水文测量到工业用水排水、生活 用水、环境监测、农业排灌，从单相流速流量测量到多相流速流量测量，与人们的日常生活有 着密不町分的关系。 在工业生产过程中，流量是极其重要的热工参数，是工农业生产过程控制中的重要的测定 参数之一，与温度、压力、物位、气体成分并称为过程检测的五大参数。精确地计算出在某一 时刻流体的瞬时流量和在一段时间间隔内的累积流量，既可以指导生产，同时也是规范工艺操 作的需要和进行经济核算的依据。液体流动的流量检测，要比温度、压力等参数检测困难得多。 其原因在于，流量这个参数受输送液体的工作条件如压力、温度、流动状态、流体状态、液体 的种类、开关等参数的影响。要达到正确测量流量的目的，必须采用不同的测量仪表和不同的 补偿措施。这就是说，流量计的种类和品种是十分繁多的。例如，考虑到测量不同的流体状态， 则有气体、水、蒸汽、油等不同的流量计。同样是液体测量，使用的流量计也不同。譬如，使 用电磁流量计可测量导电液体流量，但随着液体导电性质不同，液态金属流量测量需要使用直 流磁场或者低频激磁的电磁流量计；低电导率液体流量要用电容型电磁流量计等等。因此，研 究和使用流量计相对于其他测量仪表要困难得多。只有结合具体测量的流体对象和测量的目的， 针对性地选择适当的流量计，才能合理、经济、可靠、准确地进行有效的流量测量u 圳。 流量计的使用由来己久，在古代，埃及人用尼罗河流量计来预报年成的好坏；古罗马人修 渠引水，采用原始状态的孔板测量流量；到本世纪5 0 年代，工业生产中开始采用孔板、皮托管、 浮子流量计来测量流量；随着经济和科学技术的发展，流量计量越来越受到重视，流量计也随 之发展起来以满足不同流体的计量，现在研制并投入使用的流量计种类繁多，主要有速度式流 量计、容积流量计、动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等。由于流量测量条件的多样 性和复杂性，现代工业中的流量检测的方法非常多，应用于各种不同的场合和各种不同的测量 目的。这些检测方法基于多种不同的测量原理，利用各种不同的输出信号变化来反映流体的变 化。一般来说，流量检测依据以下四种测量原理可分为以下四种p j ： 1 利用伯努利方程，已知流体条件和检测件与测量管的几何尺寸，通过测量流体的差压 信号来计算流量，其中最为典型应用是孔板流量计、文丘里管流量计和匀速管流量计 基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统 等； 2 利用测量流速间接测量流鼍，电磁流量讨和转予流量计是其中的最典型代表； 3 容积式流量测量，即利用机械测量元件把流体连续地不断分割成已知的体积部分，根 据测量时逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数量流体体积总量，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，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。 1 2 课题来源以及方案论证 某牛奶公司1 6 个奶牛养殖场均配置了进口的管道化挤奶设备和直冷式奶罐，直冷式奶罐 能迅速将牛奶降温同时又作为牛奶暂时储存的容器。公司每天用运奶车将直冷式奶罐里暂存的 牛奶拖运到乳品公司，进行乳品的生产加工。鲜奶从奶牛养殖场收购时，需要对直冷式奶罐里 的牛奶量进行准确计量，运奶车拖运到加工车间后又需要对牛奶量进行计量。目前，该牛奶公 司对牛奶流量计量主要是通过特制的量筒和量尺进行的，采用这种测量方法一方面计量准确性 不是太高，另一方面量筒和量尺容易产生卫生死角，需要经常进行灭菌消毒，生产效率不高， 使用起来也较麻烦。在牛奶加工过程中，牛奶经过配料、灭菌后，考虑到二次污染等原因，目 前还没有采用合适的技术或手段对成品进行准确计量。据统计：该牛奶公司每年因鲜奶原料计 量不准确带来的误差损失有近3 0 吨，给企业带来的直接经济损失有：、三十万元。此外，由于 计量手段跟不上，给企业在生产成本管理、成本考核等方面带来不便，不利于精细化的量化考 核管理工作的开展。 在牛奶生产中，对流体流量的检测已成为生产中不可缺少的组成部分，要准确地检测牛奶 流量就要依赖于有效的测试工具，传统检测方法和涡轮、空板、电磁等流量计等都需要将其传 感器安装在管内，并配备一段安装管，不便于安装；此外，由于食品生产加工的特殊安全、卫 生要求，牛奶生产的管道、设备等需要经常进行消毒灭菌；还由于牛奶在管道中流淌时会产生 一定的气泡或泡沫，因而在一定程度上会影响牛奶流量计量的准确性。由于上述种种原因，目 前在牛奶生产中，对牛奶流量测量研究的不多，国外的用于牛奶流量测量的设备价格又比较高， 国内专门用于奶流量测量的设备少且往往达不到用户的要求。此外，由于每次收购的牛奶因各 种原因其密度会或大或小有所不同，那么对测试系统就提出了新的要求，测量过程与液体的密 度无关。 基于以上原因以及测试要求，本系统采用电磁流量计作为该测试系统的测量工具，设计了 基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统。电磁流量计是利用上一节中的第二种测量原理，即利 用测量流速间接测量流量，主要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 2 南京航空航天大学硕士学位论文 度式流量计。该方案解决了企业在食品生产中对测量装置安全、卫生等要求高，而对装置的动 态测餐能力要求强且计量准确的技术问题，解决企业的实际问题，提高企业的经济效益和社会 效益【4 】。 l 1 3 电磁流量计发展历史 电磁流量计是利用电磁感应原理测景液体体积流量的仪表，是众多流量测量流量方法中利 用最普遍的方法之一。它能够测量多种形状管道内导电液体的流速和流量，是法拉第电磁感应 定律的具体实践应用【o 门。 1 8 31 年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应定律，即当导体在磁场中作切割磁力线运动 时，在导体两端就会感应一个与磁场方向和导体运动方向相互垂直的感应电动势，该感应电动 势的大小与磁感应强度以及导体的运动速度成正比。 1 8 3 2 年，法拉第在英国泰晤士河滑铁卢桥两头放置两根电极，想要以河水作为导体，并利 用地磁场来测量河水的流量。但由于当时对干扰信号处理不当，测出来的感应信号基本全是干 扰信号，并不能反映出泰晤士河河水的流量，所以当时实验并未获得成功。据后来分析，当时 测量时测量的感应信号不能反映河水流量不仅是因为受到电化学极化作用和热电效应的影响， 最主要的原因是当时测量技术十分落后，很难从测得信号中提取出真实反映河水流量的信号。 l8 51 年，w b l l s a t o n 等人汲取这次试验失败的经验教训，利用电磁感应法成功测量英吉利海峡 潮汐，是世界上最早利用电磁感应原理测量流量的先驱，是电磁流量计发展史上的一个里程碑。 1 9 1 7 年。史密斯和斯皮雷安利用电磁感应的原理制造船舶测速仪，其中利用交流激磁来克 服水的极化效应，并有效抑制了测量过程中的零点漂移的问题，并成功申请专利，为电磁感应 原理在海洋学上的应用开辟了先例。 1 9 3 0 年，威廉斯等人对电磁流量计工作原理进行了数学解释，分析了被测液体流速在测量 管横截面上各点分布的不均匀性以及液体的导电率对感应电势的影响，同时也解释了电磁流量 检测中可能产生干扰的一些原因。自此以后，我们有了比较系统的电磁流量计理论基础。但他 们的研究大多属于理论分析，还不能做出有实用价值的电磁流量检测仪器。 1 9 3 2 年以后，生物学家柯林等人根据法布伦的建议，利用电磁流量计来测量和记录瞬时动 脉血液流量，并且获得成功。不过，当时的电磁流量计只能作为实验室专用仪器，并没有得到 广泛应用。1 9 5 1 年，荷兰人首先在挖泥船上使用电磁流量计测量泥浆流量，后来电磁流量计在 美国的一般工业生产中得到了应用。 1 9 5 5 年日本的北辰电机和横河电机分别引进美国f i s c h e r & p o r t e r 公司和f o x b o r o 公司的电 磁流量计产品，经过不断地消化、吸收和改进，该公司生产的电磁流量计很快进入世界先进行 列。1 9 5 5 年前后，前苏联、英国、德国也成功地生产出模拟信号传输的电磁流量计。 3 基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统 到了五十年代后期，由于电子工业的飞速发展，工业自动化程度的不断提高，尤其是电子 计算机和程序控制系统在工业上的应用，电磁流量计进入高速发展时期。1 9 7 0 年，德国心0 h n e 公司和荷兰a l t o m e t e r 公司的d r k a r i b o n l i g 、f h o 缸锄首先研制成功单极性矩形波激磁电磁流 量计，并投入工业应用。7 0 年代中期，工业发达国家纷纷研制成功双极性低频矩形波电磁流量 计，从而开始了低频矩形波电磁流量计的工业应用时代。 1 9 8 3 年，日本横河北辰电机株式会社、德国i ( r o l l i l e 公司、美国f o x b o 公司、f i s c h e r & p o r t e r 公司等均研制成功二值低频矩形波电磁流量计产品，并将微处理器和软件技术应用到电磁流量 计产品中，提高了电磁流量计性能。1 9 8 8 年7 月，日本横河北辰电机株式会社首先出双频矩形 波激磁技术，开始了双频矩形波激磁技术的工业应用。 二十世纪九十年代以后，新一代具有h a r t 协议及其他现场总线通信协议的电磁流量计出 现了，这为用户实现全新的现场总线生产控制与管理提供了条件。电磁流量计在化工、石油、 钢铁、冶金等工业生产过程自动控制中越来越受欢迎，一体型、两线制、防爆型、高压型、具 有通信功能的电磁流量计也蜂拥出现，备受青睐。、 随着生产力的提高和科学技术的进步，电磁流量计使用领域越来越大，出现了应用电磁感 应原理的各种新型导电液体流量测量仪表和系统，能测量低电导率的电容式电磁流量计，用于 测量自流排水的非满管的电磁流量计，用于明渠测量的潜水电磁流量计，使用能测量明渠和大 口行管道点流速的电磁流量计与插入电磁流量计测量系统等，这些流量计的出现在钢铁、冶金、 给水、排水、石油、化工、食品、医疗、环保、航空、航海、航天、农业灌溉等部门起到举足 轻重的作用p j 。 1 4 电磁流量计的发展现状 电磁流量计广泛应用于水泥、化工、纺织、医药、造纸、给排水、食品饮料等技术部门， 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【9 1 们： 1 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激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 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 位或1 6 位单片机，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。目前的电磁流量汁转换器多由分离式模拟器件构成，从而使仪表的结构、 4 r 南京航空航天大学硕士学位论文 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。 4 目前国内的电磁流量计针对食品行业的卫生型食品专用流量计很少，大部分都是购买 国外产品，价格昂贵。国内少有的几家公司基本没有专门用于测量食品的卫生型电磁 流量计，上海光华爱而美特仪器有限公司在电磁流量计方面做得比较好的，但生产和 主要技术都是德国的，其他的也基本一样，所也在食品行业的电磁流量计国内还是很 空缺的。而在国外，这种电磁流量计技术以及生产制造是比较成熟的，比如美国的 e l 2 4 0 0 系列就是牛奶果汁专用的流量计j ，如图1 1 所示。 微电子技术的发展和新型电子元件的不断问世，使得电磁流量计有了很大的发展空间。目 前，国内外电磁流量计发展动向为【1 2 - 1 4 1 ： ， ， 图1 1e l 2 4 0 0 电磁流量计 1 提高仪表智能性。 仪表的智能性主要是功能上的智能性，特别是近年来新型微处理器的出现和应用，使仪表 通过软件控制和管理整个测量的工作过程得以实现，充分发挥出微机的功能和灵活性。另外， 流量仪表的智能性还体现在空管检测、正反向流量测量、小信号处理、非线性补偿、数字滤波、 零点自校准等新功能的增加上。 5 7、1，f、)l 基于电磁流量计的牛奶高精度测量系统 2 提高激磁技术水平，改善测量性能。 测量精度和稳定性是电磁流量计的重要技术指标，并与所采用的激磁技术密切相关。随着 电磁流量计和电子技术的发展，激磁技术也从直流激磁、交流激磁、低频矩形激磁发展到三值 低频矩形激磁及双频激磁技术阶段，其目的就是为了减少干扰、提高检测精度和仪表零点稳定 性。目前低频矩形激磁和三值低频矩形激磁已成为国外电磁流量激磁方式的主流。近几年来浙 江大学也有采用低频三值梯形波激磁的技术，但只是在研究阶段，目前还没有付诸于实际应用。 另外，国外还出现了可由微机控制激磁电压，可按被测流体性质选用所需激磁方式，并能根据 各种激磁方式进行信号运算处理，准确地找出被各种噪声埋没的流量信号的智能电磁流量计。 3 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。目前，实际现场使用中的 电磁流量计的测量下限基本停留在0 0 2 l l l s 的水平，而若想进一步拓展测量下限，则必须提高 零点稳定性。 4 增强信号处理能力，减小测量误差。、 智能化电磁流量计经降低激磁电流、改进传感器结构及其磁通分布密度，使其小型、轻量 一体化的目标得以实现，但其单位流速电感也变得更小，而对于怀同的测量介质，流量传导内 阻变化很大，增加了信号处理的难度。随着微电子技术和计算机技术的进步，用高性能集成芯 片和微处理器来提高信号放大处理精度、拓宽仪表检测量程、补偿检测误差及零点校准己成为 当今仪表的发展方向之一。同时，在软件上采取非线性补偿和数字滤波等高级处理能力也是增 1 强仪表信号处理能力、减少测量误差的一个重要举措。 t 5 提高系统的开放性。 系统的开放性包括硬件电路开放性、软件结构开放性、通讯接口开放性以及人机界面开放 性。增强系统开放性有利于系统功能扩展、仪表间的互联以及系统组网，更有利于操作和维护。 随着e d a 工具及可编程器件技术的发展和日趋成熟，流量仪表工业进入矿新的发展时期。目 前，国外各大公司纷纷推出新一代各具特色的智能化流量仪表，其中，应用- p l d 实现系统数字 逻辑接口电路及逻辑运算的智能化电磁流量计的开发尤其引人注目。 1 5 本课题研究目标及内容 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，不仅解决牛奶测量中卫生、安全的要求，还经济实用，节约 成本，有很高的性价比，弥补目前国内食品行业电磁流量计存在的不足，具有很高经济效益和 广阔的社会效益。 本课题主要研究目标就是综合应用新型微处理器、a 巾转换技术和信号处理技术对电磁流 6 实现把传感器输出的电压信号转换为流量信号输出并显示，最终得到一个测牛奶流量的装置，即 电磁流量计。 本课题的主要的研究内容为： 1 针对行业需求进行调研一论证确定总体设计方案。根据给出的测量条件和流体的性质 选择测量方案，并确定流量计的类型，最终决定采用电磁流量计； 2 设计微处理器控制的高精度的稳定的激磁电路对传感器线圈进行激励； 3 设计高性能的硬件电路对电磁流量传感器输出的微弱信号进行采集和处理，满足后续 a d 转换的要求； 4 利用a d 转换器对前置电路的输出信号进行a d 转换，并传输给微处理器控制和处理； 5 用c c + + 语言结合汇编语言对a r m 单片机进行应用程序的开发； 6 进行调试实验，并对实验结果进行分析。 本论文的主要内容如下： 第一章介绍了本课题的来源并进行方案论证，另外介绍电磁流量计的发展历史及其发展现 状，以及本论文研究的目的及内容； 第二章介绍了电磁流量计的原理以及电磁流量计的激磁技术； 第三章介绍了电磁流量计系统框架的设计，并详细介绍了各个部分硬件电路