封闭管道非满管流量流量测量电磁流量计

--摘要非满管是指流体未充满管道截面的一种工况。由于非满管工况下流体的液位高度是瞬时变化的，因此很难准确测量管内流体的液位高度值。电磁流量计因具有耐腐蚀、测量精度较高且受管内流场分布较小等优势，故一般采用电磁法对非满管污水流量进行测量。电磁流量计以其独特的优点，广泛应用于工农业生产领域。但是，我国对于被测流体未充满管道时的体积流量测量，还没有成熟的测量技术。因此，本文在阅读并钻研了大量国内外文献的基础上，对电磁流量计的部分关键技术进行了深入的研究。励磁磁场的均匀度是影响电磁流量计测量精度和对流态适应性的重要因素，合理有效的评价指标体系对磁场均匀度的确定有重要的影响。目前在电磁流量计的设计中，或者不考虑均匀度问题，或者采用粗略的评价方法，并未形成较为公认和统一的评价体系。本文建立了基于面积权重偏离度的评价指标体系，并与传统的评价指标进行对比分析;依据该评价体系，在传统电磁流量计传感器励磁结构的基础上进行了改进和优化，设计了更加符合磁场均匀度要求的励磁模型。本文设计采用流速和液位测量相结合的方法测量非满管流体的体积流量。详细分析了传感器的测量原理，并对电磁流量测量机构进行关键电路和软件流程图的设计分析。最后搭建了非满管电磁流量计实验样机，通过现场测试结果表明该方案是有效可行的。关键词封闭管道，非满管流量，流量测量，电磁流量计目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 I目录 II第1章绪论 11.1课题研究背景 11.2非满管流量测量 21.3国内外研究现状 31.4本设计的主要设计内容 5第2章系统设计方案 62.1 电磁流量计的基础理论 62.1.1基本原理 62.1.2测量原理 72.1.3液位与流量 92.2 测量原理分析 102.3 流体的分布规律的影响 12第3章硬件部分设计 133.1系统总体框架设计 133.2系统硬件设计 143.2.1电源模块设计 143.2.2电容检测模块设计 163.2.3电磁检测装置部分电路设计 173.2.4信号处理电路设计 183.2.5无线信号传输电路设计 193.2.6显示电路设计 203.2.7通信电路设计 213.2.8单片机控制单元电路设计 22第4章软件流程设计 254.1初始化流程图 264.2显示流程图 264.3通信流程图 27第五章仿真分析 295.1电容量检测仿真 295.2电源仿真 315.3恒流源仿真分析 32结论 34致谢 35参考文献 36第1章绪论1.1课题研究背景当今社会的重要要求之一就是节约水资源，随着社会经济的不断发展，水资源短缺问题极大地制约了一个国家的现代化发展。当前，我国水利控制的主要矛盾已开始不断变化，因此，水利控制的方法和解决方案也必须做出相应地改变。水资源保护应作为当前社会的主要任务，用水方式应进行改变，从当前的粗放用水改为集约用水、节约用水的方式。中国农业方面每年需要消耗420万亿升水，约占年总用水总量的百分之七十。在之中有百分之九十的水都用于农田灌溉方面。从这些数据中不难看出，大部分的水都消耗在了农业灌溉上。并且因为农业灌溉所使用的水通常都为非满管水，其在测量上存在非常大的技术困难，因为灌溉用水中含有较高的杂质，所以目前难以实现精确地计量消耗水量，使得用水计价系统也非常难以建立健全。而令原本就非常严重的水资源问题更加严峻的是工业废液以及生活废水等含有污染物的液体向江河湖泊中的排放，由于日益提高的人民生活水平，高速发展的工农业及生产产业，需要用水量大量增加，城市对水量的供给以及排放呈逐年上升趋势，而居民生活用水的百分之八十以上，工业用水中的百分之五十以上都将转化为生活污水。因此现在要严格监测排放污水口的流量，更加合理利用水资源就显得至关紧要。但生活污水废液废水具有非满管流以及介质脏污等问题，使得流量测量变得越发困难。近年来，当需要提高工业和农业生产等排放液体的流量测量结果的精度时，液体总是出现无法充满管道管道的情况，传统的电磁流量计再用于被测导电流体的流量测量所得到的结果已经逐渐无法满足所需的要求。因此，适合于液体未充满管道的管道测量系统的电磁流量计的研究是当前被普遍使用的电磁流量计的发展方向。目前，对不完整管道电磁流量计的研究主要是电容式电磁流量计（又称无电极电磁流量计），长弧电极的电磁流量计和多电极的电磁流量计，非全管道电磁流量计的电容电极传感器以及实现非全管道测量的附加液位传感器方法等等。上述流量计在其应用领域中具有与不同流量计不同测量原理的各自的优点，但是显然它们会在不属于其应用领域的更复杂的测量环境中暴露其自身的缺点，例如：尽管电容式电磁流量计执行非接触式的测量方式，可以说是尽可能避免了测量电极被导电液体的磨损和腐蚀，已经提高了许多电磁流量计的使用寿命，但是其耦合电感信号的信噪比相对较低，同时其信号源的内阻过高（甚至高达几百兆欧姆），就把信号的检测变得非常困难，检测到的流量信号相对显得非常微弱，因此噪声总是会将检测到的有用信号淹没；励磁信号为高频信号，稳定零点较为困难。上述原因更是大大增加了流量计的开发设计难度。将具有长弧电极的电磁流量计和具有多个电极的电磁流量计与电容式电磁流量计进行了比较得到其虽然能够较容易地检测出感应信号，但在被测流体的液位在低于最大流量的百分之十时感应电极无法感应出信号，这就会增加许多测量误差并且降低精度。因此，迫切需要一种操作上简便，理论上易于推导并且具有高测量精度的一种可靠的流量检测仪器，以解决当前难以测量的液体未充满管道时的流量测量的问题。电磁流量计本身结构非常简单，操作也非常方便，并且其测量可靠性相对较高。各种工业生产场合也都正在应用电磁流量计。但是，只有很少的研究可以简化理论推导并优化磁场。因此，改善用于测量未满管情况时流量的流量检测仪器的结构，并且提高其对于不同情况下流量测量精度是现在此方面研究人员都在钻研的热门方向之一。因此，现在迫切地需要找到一种有效的方法来解决液体未充满管道时流量精确测量的问题。1.2非满管流量测量目前主要有以下四个方面影响研究液体未充满管道时流量精确测量：流体因素方面大多数普遍关注的液体具有相对较低的温度，并且它们的性质对于不同的液体是不同的。不同液体的成分和形状可能会有很大差异。例如，流过城市排水管道的液体包含相对较大的固体，悬浮固体和漂浮物等。水利条件方面通常，管道中的介质由于重力而产生自由流动现象。但是，在某些情况下，过载的管道中的流体会产生局部压力环境，从而导致某些流体在压力下流回源头方向。环境方面当在不完整的管道条件下测量流体时，不仅待测量的流体，而且不在测量范围内的气体也都在管道中，特别是在污水管中，甚至爆炸性和腐蚀性气体也包含在其中。因此，在安装之前，应根据特定的环境条件选择合适的测量设备，并根据相关规则和规定进行安装和操作。管道类型方面在实际应用中，待测流体流经的测量管的横截面形状通常是圆形的，但也有椭圆形横截面，矩形横截面，甚至马蹄形和三角形横截面的情况都会出现。因此，必须预先确定管道的横截面形状的选择。另外，应用的场合不同，所使用的测量管道的直径应根据最合适的方法进行选择，从2至3米甚至更大的管子直径到100毫米或更小的测量管直径范围。另外，管材的材质也不同，从不锈钢，塑料管到钢，铸铁等，都有其在现实生活中应用的例子。1.3国内外研究现状目前市场上“用于非满管道的流量计包括节流式流量计，超声波流量计，电磁流量计等，与其他流量计相比，电磁流量计具有传感器结构简单，无压力损失，耐腐蚀和精度高的优点，且不是由流体分布引起的，因此，对非满管电磁流量计的研究已成为不满管流量计的研究和应用中的热门话题”[1]。20世纪90年代，非满管电磁流量计由Fischer和Porter首先研制出来，它的出现使电磁流量计克服了无法测量管道中未充满被测液体的缺陷[1]。其与传统电磁流量计同样使用法拉第电磁感应原理，可以使用各种方法来对测量管中的被测流体液位进行测量。可以用测得的液位高度来获得流体的截面积，再将平均流速乘以流体的截面积最终得到流体的体积流量。如果所测量的流体液位低于管道中的检测电极时，常规电磁流量计会无法起作用。因此为了更好地实现未满管情况下的电磁流量测量系统构造的设计，必须改进用于电磁流量传感器上的流量的检测电极，以使被测流体在电极覆盖的区域内。例如：更改检测电极的物理形状，增加检测电极的数量等。同时，还需要测量液位的高度。国内外目前普遍使用以下方法来测量此新增加的物理量：1．液位计法（也称为多传感器法）：该方法基于电磁流量计的流量测量传感器和液位测量传感器，以实现液体体积流量的测量，其特点就是需要两种不同的传感器进行测量，常见的液位指示器包括：磁致伸缩液位传感器，微压液位传感器等[1]。2．信号相关法：在实际测量中，被测流体的流动状态和磁场分布不能完全满足电磁流量计测量流量时的理想情况[1]。其特点就是加入了权重函数的概念用来消除不规则磁场对测量结果的影响。根据权重函数的来源，可以知道其分布与测量管道中的几何位置有关。因此，可以创建在检测电极处测量的感应电势和液位的数学模型，以便获得要测量的此时流体的液位。其包括了多电极法与多磁场激励相关法等。3．电容测液位法：电容传感器的原理用于测量液位，即在测量管的衬里和管壁之间有两个竖直方向的金属电极板，当液体流过电极板时就会产生不同的电容[1]，利用此电容与其液位之间的数值关系就可以最终得到待测流体的液位高度。由于自由表面的存在，未满管道中的流体的流动状态与已满管道中的流体的流动状态完全不同。当管道未充满时，管道中的液位会实时变化，因此很难准确测量未满管道中的流量。当前常用的测量方法大多有较大误差或者只能测量特定范围内的流量。最近，用于测量非满管情况下液体流量的电磁流量计全部改变了传感器的结构。这种改进的理论计算过程麻烦且非常难以推导。对微处理器有较高性能的要求，因此近年来才有逐渐发展的现象。国内也是最近几年才开始对未满管道工况下流量计的研究的，目前浙江大学、上海大学、北京化工等各大高校都各自取得了一定的成绩。虽然当前市场上还没有足够成熟的非满管电磁流量计。但是，上海大学已经提出了一种新的方法，该方法是通过研究和开发能够测量非满管流量的电磁流量计。测量原理如下：在管的内壁上安装了两个长弧形电极用来接收液位信号和流速信号，在下方位置安装一对激励电极，根据法拉第电磁感应定律，对长弧电极施加励磁激励和电压激励，就可获得相应的流速和液位信号，当施加励磁激励时，获得流速信号，关闭激励激励并施加恒定的交流信号时就会根据管道中的流体阻力与液位之间的关系[2]，读取电压信号以获得当前液位值，最终可计算出测量结果。此方法虽然理论较为简单，但无法测量液面低于百分之十管径的情况就是其最大的缺陷。“北京中西远大科技有限公司设计的BY11/BYLFD型超声波流量计是基于多普勒法，管中液体的干扰会导致反射超声出现多普勒频移。此频移是流速的线性函数，从中可以得到管道中流体的流速”[2]。液位计用于获取液位值，并将两个值相乘以计算流量。但是，此方法也有局限性，因为外部安装必须确保管道中流体的液位高度必须大于管道直径的百分之十以上。而流体的液位越低，测量结果就越不精确。但内置型的安装又会扰乱管道中的液体流动，导致最终测量结果出现偏差。并且因为直接与液体接触还会缩短传感器的寿命。天津求精科技有限公司推出了可测量非满管流量的LSZ系列多声道超声波流量计，该流量计不同于其余流量计的特点就是其使用时差法测量流量信号，并使用液位计的超声波测量信号测量管道中的液位[2]。其根据管道直径选择安装的管道数量。该流量计的特性决定了其可以测量含有少量固体污染物的均质液体和废水的流量。然而，由于超声波换能器以相等的间隔安装，所以换能器的利用率不高，维护和更换也较为困难，并且维护成本高。其也无法测量液位高度在管径高度百分之十以下的流量。1.4本设计的主要设计内容本设计结合国内外非满管电磁流量计的发展趋势，针对其存在理论计算较为复杂或限制一定的液位测量范围（液位高于管径百分之十）等问题。提出了新的研究方法，并使用Multisim进行本设计内的仿真，主要工作如下：1．鉴于现有对非满管电磁流量计的研究，改进传感器励磁系统的结构，能更加简易地实现理论结果，简化工艺，使之更好进行磁场优化理论推导等，基本解决由磁场引起的流量计不准确的问题；2．重新构建磁场均匀度指标评定系统，避免一般指标引起的误差；3．利用Multisim软件进行仿真优化确定电路设计及功能实现；4．在传统电磁流量计的基础上对本设计中电磁流量计的结构进行改进，并且使用长条形电极，使流体的液位测量范围不在被电极安放位置及传感器的结构所影响；5．深入分析非满管的测量原理及相关理论，确定了测量流体体积流量的方法为流速与液位共同测量，再经过计算得到流体体积流量；6．设计一个完整的系统对获得的测量数据进行保存及通讯。第2章系统设计方案电磁流量计的基础理论2.1.1基本原理法拉第电磁感应定律中，金属棒在磁场中以一定的速度切割磁感线，这时在金属棒的两端就会产生一个既与磁场方向又与金属导体运动方向垂直的感应电动势[3]。只考虑感应电势大小的情况下公式为式（2-1）：（2-1）式中：是金属棒两端产生的感应电动势，单位；是金属导体回路磁通量，单位；是磁感应强度，单位；是磁通变化横截面积，单位；是运动金属导体的长度，单位；是金属导体的运动距离，单位；是金属导体运动的平均速度，单位。电磁流量计就是基于上述原理制成的，如图2-1所示。图2-1电磁流量测量原理图电磁流量传感器具有产生均匀磁场的励磁线圈，并且垂直于磁场的位置有一对检测电极。当待测的导电液体流过传感器的励磁磁场时，其就相当于金属导体正在做切割磁感线运动。流体以一定速度流过检测电极，就会在检测电极的两端产生感应电动势[1]。由式（2-1）可知，当励磁磁场的磁感应强度B均匀分布时，可通过两电极得到的感应电动势算出流体的平均流速v为：（2-2）式中：是测量管的直径，流量计是对流体体积流量进行测量，若在圆形管道中进行测量，公式即为：（2-3）式中：为被测导电液体的体积流量；为圆管的横截面积。把式（2-2）带入式（2-3）中得：（2-4）式中：为电磁流量计的仪表系数。由式（2-4）可知，如果磁感应强度恒定。流体的体积流量与由其进行切割磁感线运动产生的感应电动势为线性关系，即只要测量感应电动势，就可以通过计算得到待测流体的流量。要想式（2-4）完全成立需要在以下条件下实现：1．无穷大的磁场，并且拥有均匀的磁通密度；2．待测管道内流体为轴对称分布；3．待测管道内流体中无磁性物体；4．待测管道内流体需均匀分布，性质相同。2.1.2测量原理本设计使用的流量测量原理与以前的电磁流量计相同。然而由于非满管情况不同于以往的满管情况，待测流体无法随时填充满测量管道，就使得导电介质经常会失效。无法充满测量管横截面。图2-2即为传统方式测量时被测导电液体的两种典型情况。根据权重函数理论，我们可以得出，被测导电介质的感应电势信号是两个电极截面中所有粒子电势的集合。只有流体液位在电极之上时，才会记录两个电极之间的电位信号。反之如果流体液位在感应电极之下，则电磁流量计也会无法正常工作，并且无法检测到信号。图2-2液体未充满管道时的情况图图中：a为待测流体液位在检测电极之上时的情况；b为待测流体液位在检测电极之下时的情况。显然，对于图2-2的两种情况，式（2-3）就不再适用，流体体积流量为：（2-5）式中：为被测流体未充满管道时的体积流量；为被测流体的横截面积。此时被测流体的横截面积为：（2-6）式中：h为被测导电液体的液位高度；D为测量管的内径。从上式可以看出，在非满管流量测量的情况下，流体的面积不再是测量管的截面积了。所以除了测量平均流速，还必须同时测量管道中液体液位的高度，即必须同时测量平均流量和液位这两个物理量。2.1.3液位与流量流量为流体在一定时间内流过管道或沟渠的有效截面的总量。其可分为体积流量和质量流量，用参数和表示如下：（2-7）（2-8）式中，表示质量流量，表示流量质量的变化值，表示流体的密度，表示体积流量，表示流体体积的变化值，表示流体流过的时间，表示管内流体的平均流速，表示管道的横截面积。体积流量用流体所流过的体积与它所流过的时间之比来计算。体积流量主要有两种方法来完成流量计量：直接法（或容积法）和间接法（或速度法），直接法是使用标准固定体积数，以便在单位时间内连续不间断地对流动的介质进行测量，排出的固定体积数即为所需的体积流量[2]。间接法如上式（2-7）所示，其通过将管道内流体的平均流速与管道截面积相乘算得体积流量。如果以流体在流动时的质量与时间之比来表示流量，则称其为质量流量，质量流量也分为直接法和间接法两种测量方法，直接法是检测元件输出的信号即为流量测量的结果[2]，间接法的特点主要是响应参数需要在两个检测元件的输出信号中获得，要得到最终流量测量的结果还需要通过如上式（2-8）所示的算法进行处理后才可得到。目前大多采用此方式进行流量测量，其结果较为准确。根据流量公式可知：（2-9）流量的值取决于管内流体的平均流速与管内流体充满管道的横截面积的值。管内流体过水的横断面面积的计算公式如下：（2-10）式中，表示管道内过水的横断面积，（）；表示管道内径，（）；表示液位高度，（）。因为对于固定的管道，管道内径是常数，即的取值只与有关。故由的值可以推出的对应值。由公式（2-8）可知，已知管道过水横断面面积，通过采集不同液位高度下流入管道的流量的值来获得流过管道的流体流量的平​​均流速值与管道内的流体的液位高度之间的函数关系。（2-11）通过研究流体力学，可知管道测量同样倾斜度的管道流量时当被测流体流量增加时管道内流体的液位高度和平均流速都在增加，但液位的升高速度要比流速增加得更快，即在非满管的情况下，要想更灵敏地测量不断变化的流量就需要测量变化的液位。因此，通过更加精确地测量液位值可以获得更准确的流量值。式（2-12）为以上分析得出的液位与流量关系的模型：（2-12）测量原理分析本设计采用同时测量流量和液位的原理是通过励磁激励来测量流速，而通过电压激励来测量液位，激励产生的磁场恒定，随着流体的流动，在感应电极的两端就会产生感应电势信号，且该信号与流体的平均流速成比例，即可通过计算得出流体的平均流速[1]。液位测量部分需要耦合管道中的流体，即通过向电压激励电极施加高频激励电压来实现，且会在两电极板上形成电容信号，此信号与待测量流体液位“成线性关系。通过转换器分析容量信号，并对其进行处理即可获得被测流体的液位。最后再对两个信号进行分析计算，便可得到所需的流量值”[1]。图2-3显示了电容传感器的原理图与等效电路图。图2-3电容传感器等效图图中：（）为原理图；（）为等效电路图。如图2-3所示，变介电常数型电容器由流过测量管的流体、液位检测电极以及衬里三者组成，上下两部分电容并联而得到检测电极间的电容。表示检测电极和液位上方衬里之间的电容，表示检测电极和液位下方衬里之间的电容，为检测电极和管道内液位上方空气间的电容，表示检测电极和液位下方待测流体之间的电容。各电容之间的串并联关系如（）所示，总电容的计算式如下：（2-13）如图2-3中（）图所示，测量管道内存在上下两部分，中间介质分别为空气与待测流体，其中空气的介电常数表示为，流体的介电常数表示为，衬里的介电常数表示为，由于测量管道固定，又为矩形管，所以极板间距为固定，且衬里的介电常数也为固定，管道中待测流体随着液位高度的变化，其介电常数也会发生变化，因此电容值可以用平板电容器公式进行计算。对电容式传感器建立数学模型如下：（2-14）式中：表示方形管的纵向高度；表示方形管的轴向长度；表示液位高度；表示电极片与衬里之间宽度，它们的单位都为。从公式（2-14）之中得知，在两个液位检测电极处检测到的电容信号与流体液位成比例，即液位高度与电容值成线性关系。要想得到待测流体的液位只需将测得的电容值进行分析和计算即可。流体的分布规律的影响由于管中的液体通常是有粘性的，因此当液体流经测量管时，管中液体的流速在不同点处不同。在正常情况下，管道中流体流速有层流和湍流两种分布状态，且靠近管壁处的流量几乎为零，管中心部分流量最大。而实际测量会有流经弯头或阀门的导电流体的流量。但只要有超过一定长度的直管段（通常为管径的五到十倍），它就会重新变为轴对称流，此时，管道中的流速是测量从管道中每个点到管道中心的距离的函数”[1]：（2-15）平均流速为：（2-16）其中层流的平均流速是管中心流的，紊流的平均流速是管中心流的。由上文的原理可知，传感器磁通密度为常数，只要流体是轴对称的，两电极检测出的感应电势与流体的流速分布无关，而与平均流速成正比：（2-17）而对于非轴对称流，如果磁场均匀，则：（2-18）式中：为非轴对称流的流速。但是，我们也有许多方法来减小待测流体流速分布对流量计测量精度的影响，例如采用大面积电极，改进励磁系统的结构，研究权重函数的分布，采用多对电极等结构等均能达到效果。第3章硬件部分设计图3-1系统设计框图3.1系统总体框架设计测流量主要是利用流量测量装置进行测量，通过电容式传感器测得信号，但信号过于微弱，需经信号调理电路放大才可连接至单片机进行处理，使用电磁装置进行测量时单片机发出方波，经过三极管和组成的放大电路连接至电磁装置，并利用ICL8038正弦波发生芯片提供励磁波形，单片机通过PE0口控制继电器来控制正弦波是否连接上电磁装置，PE0为高电平时正弦波接地，不连通电磁装置，电磁装置不工作。反之，PE0为低电平时，电磁装置正常工作。单片机检测到流量信息之后，在LCD12864液晶显示屏上进行显示，同时在信息存储电路中储存数据，利用RS485、RS232以及WIFI无线信号传输的方式将信息上传至上位机进行进一步的存储和处理，如图3-1所示。3.2系统硬件设计3.2.1电源模块设计一个系统要想能够正常运行，最重要的基础就是其电源模块，它是各个功能模块实现预期功能的前提。没有电源，后续功能完全无法运行，更不用说实现其功能。依据本系统的需求，本课题所设计的电源应提供，，，，的电压。其中：是控制单元、部分恒流电路、RS232通信电路、检测电路以及信号处理电路的供电电压；是RS485通信电路、部分电容检测电路以及部分电压激励电路的供电电压；是无线信号传输电路、显示电路、部分恒流电路以及信息存储电路的供电电压；是部分电容检测电路的供电电压；是部分信号处理电路的供电电压。本文采用蓄电池进行供电，由于常规蓄电池提供的电压为，所以本文设计了电压转换电路进行供电电压的转换。（1）15V转12V转换电路设计：使用LM7812芯片为电压输出，LM7912芯片为电压输出。其非常适合本设计，因为其输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护等等特性与本设计的需求十分吻合。具体转换电路如图3-2所示。图3-2蓄电池供电电路（2）12V转5V、5V转3.3V转换电路设计：为了得到稳定可靠的直流5V电压，本课题所设计的系统选用AMS1117-5、AMS1117-3.3芯片。AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供输出电流且工作压差可低至。在最大输出电流时，AMS1117器件的最小压差保证不超过。并随负载电流的减小而逐渐降低，AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且也对电流限制进行了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力，具体转换电路如图3-3所示[4]。图3-3电源转换电路(2)5V转2.5V、1.5V转换电路设计：图3-45V转2.5V、1.5V电路图2.5V、1.5V电压是部分电容检测电路、部分信号处理电路所需的供电电压。具体转换电路如图3-4所示。3.2.2电容检测模块设计CAV424芯片适合于几乎所有电容变化的测量并将连续不间断的电压信号输出，并且该电压信号与所测电容呈线性关系，可以更方便的计算所需数值。该芯片检测灵敏度高，输出滤波电路可调，工作温度范围在零下40至零上105摄氏度之间，最大检测频率达2kHZ，耐压强度高，校准简单，非常适合作本次设计检测电路。模块电路如图3-5所示。图3-5电容检测电路图3.2.3电磁检测装置部分电路设计图3-6电压激励部分电路电磁检测装置部分又分为正弦波励磁电路与电压激励电路以及电磁检测装置。其使用ICL8038芯片提供励磁波形，ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需调整个别的外部元件就能产生从0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号，输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制，另外由于该芯片具有调频信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制[5]。电磁检测装置部分电路分别如图3-6、图3-7所示。图3-7正弦波励磁电路图3-8信号处理电路3.2.4信号处理电路设计本系统设计的主要目的是为了进行测量数据信号的处理。由于电容检测电路测量采集信号微弱，为了放大电容检测电路所采集的信号，设计了信号处理电路，信号处理电路图如图3-8所示。3.2.5无线信号传输电路设计本文选用ESP8266芯片作为无线信号传输主要芯片。ESP8266是一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，能够搭载软件应用，或通过另一个应用处理器卸载所有WiFi网络功能[6]。其拥有高性能无线SOC，内置TCP/IP协议栈口，支持天线分集，内置低功率32位CPU，可以兼作应用处理器[7]。使用3.3V直流电源，体积小，功耗低，支持透传，丢包现象不严重，而且价格非常便宜[8]，连接简单易行，无线信号传输电路图如图3-9所示。图3-9无线信号传输电路3.2.6显示电路设计本文选用了LCD12864液晶显示器作为本设计的显示器，带中文字库的128x64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128x64，内置8192个16x16点汉字，和128个16x8点ASCII字符集，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，可以显示8x4行16x16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点，由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块，其采用了低电源电压，2MHZ时钟频率，6点视角方向，其背光方式为侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5至1/10，其内置DC-DC转换电路，无需外加负压，并且无需片选信号，简化了软件设计[9]。具体显示电路设计如图3-10所示。图3-10显示电路3.2.7通信电路设计本文设计的通信电路分为两个部分，分别使用SP323与MAX485芯片，MAX485采用单一电源+5V工作，额定电流为300A。采用半双工通讯方式，它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能，MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器，RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0，在与单片机连接时接线非常简单，只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻[10]，一般可选100的电阻。具体电路分别如图3-11、图3-12所示。图3-11通信电路部分一图3-12通信电路部分二3.2.8单片机控制单元电路设计本设计采用STM32F103Z系列芯片，其内核为ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率为72MHz，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMIPS/MHz(DhrystONe2.1)[11]。可选择32-512KB的Flash存储器，最大64K字节的SRAM存储器，采用了3.3V供电和I/O引脚，上电复位（POR）、掉电复位（PDR）和可编程的电压探测器（PVD），内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器以及带校准的40KHz的RC振荡器，其拥有3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式[12]。Vbat为RTC和后备寄存器供电，2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道），转换范围为0至3.6V，拥有双采样和保持功能以及温度传感器，其2个DMA控制器共12个DMA通道，DMA1有7个通道，DMA2有5个通道[13]。支持定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART外设，拥有144个引脚，其调试模式为串行单线调试（SWD）和JTAG接口，有多达8个定时器，其中有3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器，2个看门狗定时器，分别为独立与窗口型，以及系统时间定时器，为24位自减型计数器[14]。STM32F103Z系列芯片还拥有多达9个通信接口，其中有2个I2C接口（支持SMBus/PMBus），3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制），2个SPI接口（18M位/秒），CAN接口（2.0B主动）以及USB2.0全速接口[15]。具体STM32单片机控制单元电路设计如图3-13所示。图3-13单片机控制单元电路图第4章软件流程设计软件流程图如图4-1所示。当设备上电后，首先工作的是网络接口，单片机会自动查询上位机给网络接口发出的命令，只有当工作人员向电磁流量计发出开始工作的命令后，电磁流量计才开始工作[1]。图4-1软件流程图4.1初始化流程图程序在运行之前需要进行初始化来配置GPIO口，配置相应寄存器，ADC初始化，中断初始化，配置相应中断向量，中断使能，返回主程序，初始化流程图如图4-2所示。图4-2初始化流程图4.2显示流程图本设计采用12864液晶显示器，使用其需经过屏幕设置，清屏处理，LCD写命令，LCD写数据，LCD滚动显示，LCD延时处理等步骤，显示流程图如图4-3所示。图4-3显示流程图4.3通信流程图本设计内容需求将信号传输至上位机，所以需要进行对通信部分的设计，具体流程分别为初始化，发送使能信号，发送应答信号，判断单片机是否收到应答，发送传输信号，发送校验信号，判断是否发送结束，发送结束信号，判断是否结束应答等，通信部分流程图如图4-4所示。图4-4通信流程图

第五章仿真分析本设计仿真采用了Multisim软件，Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育[16]。EDA（就是“ElectronicDesignAutomation”的缩写）技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成[17]。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作，EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段[18]。美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim系列软件就是这方面很好的一个工具，而且Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术（LabVIEW）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题，学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来[19]。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表，极大地提高了学员的学习热情和积极性，真正的做到了变被动学习为主动学习，这些在教学活动中已经得到了很好的体现，还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进[20]。5.1电容量检测仿真由于电磁流量计测得的信号过于微弱，又需要更加直观地观测到检测得到数据的变化，所以本设计将测得的信号经过调制放大四倍，最终得到的数据提交单片机进行处理。电容量检测电路如图5-1所示。图5-1电容量检测电路经测试，电路能够达到预期效果，虽然存在微小偏差，但是偏差过小可忽略不计。仿真结果如图5-2所示。图5-2电容量检测输入输出电压对照波形图图5-2中Channel_B为下方红线，亦为输入电压；Channel_A为上方红线，亦为输出电压；黑线为0刻度线。5.2电源仿真本设计需要首先得到12V电压才可继续将其调制为各部分所需的电压，图5-3即为电源仿真部分电路，其左侧为上文的蓄电池供电电路，在最后使用一个示波器分别显示其输出电压波形得到此仿真电路。图5-3电源仿真电路通过仿真分别得到两个电压，如图5-4所示，虽然存在部分误差，但可忽略不计。图5-4电源仿真结果图图中Channel_A为上方红线，Channel_B为下方红线，均已在理想范围内。5.3恒流源仿真分析在本设计中存在电磁检测装置，其需要通过恒流源进行供电，所以在设计中加入了恒流源部分，具体仿真电路如图5-5所示。图5-5恒流源仿真电路图中可以得到A点处输出为稳定的电流，即所需的恒流输出。只需将其连接至电磁检测装置即可。结论电磁传感器的部分是封闭管道非满管流量测量系统的关键部分。掌握电磁传感器的测量原理和关键测量技术是提高非满管流量测量系统整体测量精度的重要手段。本设计解决了当前封闭管道非满管测量系统研究的不足，采用了一种新型的测量结构来进行对封闭管道非满管流量的测量，从根本上消除了电磁流量计测量的准确性被磁场的均匀性所影响的问题。本文主要有以下三点结论：1．以消除当前封闭管道非满管流量测量系统内励磁磁场优化理论推导较为繁琐及在低液位的情况下测量精度不足的缺点为目标。基于激励磁场的均匀性，本设计使用的是新型的电磁流量计。因为圆形管道无法保证流体轴对称状态，又需要将流体流动方式变为轴对称流，所以本设计通过分析流体力学，将测量管道从圆形变为方形，使流体的流动状态变为轴对称流动。测量结果就不再受流体流动状态的影响，计算也更为方便，本设计也改进了传统流量测量传感器的磁极结构，成功提高激励磁场的均匀度，可将磁场对电磁流量计的影响降到最小。2．使用基于面积权重磁场偏差的磁场均匀性的指标，并将磁场均匀性评估体系加以改进。使用Multisim软件对本设计中各电路模型进行仿真分析。得到的仿真结果表明本设计中的模型可以达到预期效果。3．本设计在整个封闭管道非满管流量测量系统中加入了显示器及通信电路，使得上位机在能够更加方便轻松地得到系统测量的结果的同时也能更好的发现系统中的问题从而对整个系统做出改进。本设计虽然