插入式電磁流量計_插入式電磁流量計的研究
插入式電磁流量計的研制
摘.. 要.. 采用新型電路.. 調(diào)制解調(diào)器雙二次型濾波器.. 研制了插入式電磁流量計, 詳細介紹了電路設(shè)計及關(guān)鍵問題的處理方法。實測表明, 該插入式電磁流量計的性能指標(biāo)基本達到了國外同類產(chǎn)品的指標(biāo)。
關(guān)鍵詞.. 插入式電磁流量計.. 激磁信號電路.. 轉(zhuǎn)換器電路.. 共模抑制.. 接地
Abstract .. An insertion electromagnetic flowmeter is developed by using new circuitary modulation and demodulation as well as b-i quad filter. The design of circuits and the solutions to critical issues are introduced in detail. The practical tests show that the specifications of this insertion flowmeter reached the same level of similar foreign products. Key.. words.. Insertion electromagnetic flowmeter .. Excitation signal circuit .. Conversion circuit.. Common mode rejection.. Grounding
0 .. 前言
插入式電磁流量計在經(jīng)濟方面的*性主要體現(xiàn)在: 價格與口徑無關(guān), 在大口徑情況下, 價格十分低廉; 安裝維護方便、費用小。由于目前能源與環(huán)保計量方面的需求(如污水流量的測量等) , 發(fā)展插入式流量計已成為一種趨勢。其中美國的March-Mcbirney 公司的插入式電磁流量計在此領(lǐng)域處在地位, 廣泛應(yīng)用于污水、漿水, 飲料、化工領(lǐng)域的流體測量。如該公司的Model 282 型壓力管線插入式電磁流量計, 適合的口徑可從2 英寸~ 96 英寸; 探頭可通過球閥與O 型密封卷在不斷流狀伸出縮進和拆裝。該流量計探頭直徑小、頭部呈流線型、插入管道深度小, 可近似為不阻流( 阻塞系數(shù)..= 1) , 特別適合測量含有大量雜質(zhì)的原生污水; 還可通過現(xiàn)場流速分布測量, 獲得一組不同狀態(tài)下的平均流速, 用來確定回歸方程系數(shù), 進而可以測量非理想紊流狀的流量。在此基礎(chǔ)上我們研制了滿管型插入式電磁流量計。三臺樣機在常州熱工儀表廠測試設(shè)備上用穩(wěn)壓水塔和容積法進行測試, 探頭插入口徑為100mm 的內(nèi)壁光滑的鐵管, 其流量在0~ 100m3/h 以內(nèi)。使用后測試得到非線性誤差.. .. 1%, 基本達到了國外同類產(chǎn)品的指標(biāo)。同時該插入式電磁流量計在城市原生污水管線上試用兩個月, 探頭抗污性能良好, 在符合滿管狀態(tài)的條件下, 工作狀態(tài)穩(wěn)定正常。本文敘述的就是此流量計的電路設(shè)計及關(guān)鍵問題的處理。
1 .. 總體方案
為保證達到近似為不阻流的條件, 探頭尺寸應(yīng)盡可能小。選用1 英寸不銹鋼管為探頭殼體, 激磁線圈采用工業(yè)純鐵作鐵芯, 漆包線直徑0..1mm, 將它密封在一個流線型半球型尼龍頭內(nèi), 上面包括一對不銹鋼電極。尼龍頭和不銹鋼管通過螺紋密合在一起。電極與激磁線圈的引線由不銹鋼管內(nèi)引到頂部接線盒內(nèi)。為避免在探頭內(nèi)發(fā)射的信號通過漏電阻及電容耦合到接收端, 激磁線圈及信號發(fā)射引線與電極及信號接收引線應(yīng)分開屏蔽。傳輸線采用高質(zhì)量低頻屏蔽線。由于探頭尺寸小, 激磁線圈漆包線直徑只能很小, 為避免產(chǎn)生熱量激磁電流應(yīng)控制在30mA 以內(nèi)。由于產(chǎn)生的磁場強度就很小, 這就要求接收電路有足夠高的靈敏度及抗干擾性能。考慮50Hz 工頻電壓干擾, 我們選恒定方波電流激磁方式, 方波頻率選50/ 4Hz= 12..5Hz, 這樣對工頻干擾就能有很強的抑制作用。為進一步提高零點穩(wěn)定性, 防止發(fā)射信號從電源耦合到接收電路, 激磁信號電路與接收電路之間采用了電隔離, 同步信號通過光電耦合完成。
2 .. 激磁信號電路
激磁信號電路的供電電壓15V。接收電路中的25Hz 方波電壓信號通過光耦器件( P521) 耦合到發(fā)射信號電路, 再通過D 觸發(fā)器分頻成12..5Hz 兩反相的方波電壓, 去控制恒流源電路中的電子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)( T 7、T 8、T 9、T10) 進行切換。在激磁線包L1 上形成30mA 左右正負對稱的方波電流, 與控制方波電壓同步。這樣, 流體運動切割磁力線產(chǎn)生的方波電壓與激磁電流同步, 也即與控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的方波電壓同步, 這樣就保證了在接收電路中的同步解調(diào)。激磁信號電路詳見圖1,
其中T 11、T 12為鏡像恒流源。圖1.. 激磁信號電路圖
3 .. 轉(zhuǎn)換器電路
級要求有很高的輸入阻抗, 以降低由于流體電導(dǎo)率變化所引起的誤差; 同時也要求有很高的共模抑制比, 因為電極直接接觸流體, 50Hz 工頻干擾大, 而信號十分微弱, 沒有很高的共模干擾抑制能力, 信號將被50Hz 干擾所掩沒。為此級采用儀用放大器AD620, 選Rg= 5..1k.. 增益約20dB。第二級由高輸入阻抗運算放大器CA3140 組成射極跟隨器。由于第三級應(yīng)有很強的選頻選相特性和穩(wěn)定的高增益, 所以采用將載波的選放、基帶信號的低通濾波、解調(diào)三功能組合在一起的所謂.. 調(diào)制解調(diào)式雙二次型( 托氏電路) 濾波器電路.. , 詳見圖2。其中電子開關(guān)選用四雙向電子開關(guān)電路4066, S1- 2, S2..- 1.., S..1- 2, S..2..- 1..中的序號1, 1..為12..5Hz 同步方波的.. 0..相位控制, 序號2, 2..為同步方波的.. ....相位控制。圖中開關(guān)所示位置是在.. 0..相位低電平, .. ....相位高電平時的狀態(tài), 以保證該電路是負反饋。圖2.. 轉(zhuǎn)換器放大濾波電路轉(zhuǎn)換器電路的放大倍數(shù)*由電阻比決定。因為負反饋平衡作用, 積分器直流輸入總是等于零, 同步解調(diào)無直流輸出即同步積分器輸出也總是零, 它的兩個輸入信號電流值一定大小相等相位相反。因積分器的輸出直流電壓經(jīng)300 倍的衰減再調(diào)制成的方波信號與10 倍的方波流量信號相等( R18/ R5= 10) , 所以放大倍數(shù)( R14/ R15) .. ( R18/ R5) 為3000 約70dB。它對流量信號的截止頻率為1/ R18R13C4C6M, M = R14/ R15。由于同步積分器的同步積累作用使它有很強的抑制干擾與噪聲的能力, 而載波是50/ 4Hz, 所以對50Hz 干擾有很更強的抑制能力。從上分析可以看到同步積分器總是放大小信號, 因此線性好、穩(wěn)定性也好, 供電電壓.. 6V, 輸出電壓范圍0~ 5V。在校驗時, 調(diào)整增益, 使之對應(yīng)0~ 5m/ s 的流速, 即儀表的流速系數(shù)校正為1m/ sV。圖2 的輸出電壓U0 經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器輸出給本地的積算儀, 或經(jīng)V/ F 轉(zhuǎn)換器由光電耦合電隔離遠傳給單獨積算儀。在帶..P 的積算儀中設(shè)置速度分布系數(shù)a(定義為在面平均流速V 與測點處流速VOP之比) 與管道截面積A 經(jīng)運算得瞬時流量QV= ..VOPA (m3/ s) = ..VA ( m3/ s) 及累計總量Q總, 同時顯示瞬時流量QV 和累計總量Q總。
4 .. 共模抑制與接地處理
實踐表明, 即使采用儀用放大器AD620, 但如果接地處理不好, CMR 仍然很低, 以至儀器不能正常工作。分析其原因, 是從電極到AD620 輸入端有10m 長的電纜線, 信號芯線與屏蔽層之間的分布電容在兩點接大地情況下, 工頻共模干擾會轉(zhuǎn)化為串模干擾, 一般可采用共模屏蔽層驅(qū)動技術(shù)使電纜分布電容失去作用。考慮探頭外殼必須與大地相通, 而屏蔽層又與探頭外殼相通的情況, 采用一點接地以切斷地電流回路的方法防止共模干擾的轉(zhuǎn)化, 這樣線路板上的信號地( 模擬電源地) 浮置, 即與外殼隔斷。外殼只接交流供電的保護地線, 實踐表明效果很好。當(dāng)與其它外部儀器連接時( 如單獨積算儀等) , 可采用光電耦合進行電隔離, 以防止通過外部儀器的地與大地相通。
5 .. 校驗與回歸擬合
用穩(wěn)壓水塔和容積法校驗流速儀表系數(shù), 選用直徑為100mm( 即r = 50mm) 內(nèi)壁光滑的直管, 探頭插入離管道中心25mm 處( 即rx= 25mm) 。因接近理想紊流條件, 所以rx= 25mm、管道半徑r= 50mm、與雷諾數(shù)Re 有關(guān)的n 取7, 由經(jīng)驗公式.. V= 0..816Vmax即Vmax= .. V/ 0..861 與VOP = Vmax ( 1- rx / r) 1/ n。由此可求得測點處流速VOP與面平均流速.. V的關(guān)系為VOP= 1..12.. V( 即..= 1/ 1..12) , 式中.. V可通過容積時間法測得, VOP求出后, 可由輸出電壓UO 與VOP的數(shù)據(jù)求得流速儀表系數(shù)。
表1 .. 插入式電磁流量計的輸出電壓與測點處流速的關(guān)系流量QV .. m3/h 面平均流速..V .. m/ s 測點處流速VOP ( 計算的) m/ s 儀表輸出電壓UO ..V 5. 9 0. 21 0. 24 0. 211 19 0. 67 0. 75 0. 660 40 1. 42 1. 59 1. 390 88 3. 11 3. 48 3. 080 93 3. 29 3. 68 3. 215 .. .. 根據(jù)表1 所示的數(shù)據(jù)和線性回歸方程: VOP = ..UO + C .. .. 求得: ..= 1. 1386 .. C= - 0. 001m/ s( 很小, 可以忽略) , 則有: VOP ( 讀出) = ..UO= 1. 1386UO 將..作為一個乘數(shù)手動設(shè)置到流量計的積算儀中, 就可讀出VOP。讀出的VOP及它的相對誤差..見表2。表2 .. 讀出VOP以及它的相對誤差.. VOP ( 讀出的) m/ s VOP ( 計算的) m/ s ..( 誤差) % 0. 24 0. 24 .. 0 0. 75 0. 75 .. 0 1. 58 1. 59 - 0. 6 3. 51 3. 48 .. 0. 8 3. 66 3. 68 - 0. 5 .. .. 在現(xiàn)場流符合紊流狀況( 即在測量探頭前有大于10 倍管道口徑的直管段, 探頭后有大于5 倍管道口徑的直管段) 的條件下, 根據(jù)公式QV= ..VOPA ( m3/ s) = ..VA (m3/ s) , 由插入深度與管徑可計算出..和截面積A , 將兩參數(shù)設(shè)置到積算儀中即可。流速也可換算單位成m3/ h。在非理想紊流(如彎頭, 閥門附近) 的現(xiàn)場條件下, 二階回歸擬合關(guān)系式: ..V = k1 VOP + k2( VOP )2 已設(shè)置在積算儀中, 只要選用此方程進行測量。為了求得k1、k2, 將上述非線性的二階回歸方程轉(zhuǎn)化為如下線性方程: ..V / VOP = k1 + k2VOP 即: Y = k1+ k2X .. ( 其中Y = .. V/ VOP , X = VOP ) .. .. 在現(xiàn)場每一個穩(wěn)定的流速狀態(tài)下, 伸縮探頭測幾個不同半徑處的流速, 作流速分布圖。通過面積加權(quán)法求出一個面平均流速.. V, 至少要測量和計算三個以上不同的面平均流速。由測得的VOP ( 工作測點處的流速) 、..V 的一組數(shù)據(jù), 根據(jù)線性正規(guī)方程公式求出k1、k2, 將k1, k2 設(shè)置到積算儀中去就可直接顯示面平均流..V 。
6 .. 結(jié)束語
電磁流量計以法拉第電磁定律為基礎(chǔ), 具有線性好、穩(wěn)定、可靠、死區(qū)小、無活動部分的優(yōu)點, 可用于所有的導(dǎo)電液體的流量測量。但管道式電磁流量計在大口徑時, 體積大而笨重、價格高。插入式電磁流量計正是彌補了這一缺陷, 在污水、漿水、飲料、化工領(lǐng)域的流體測量中有著廣闊的應(yīng)用前景。
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