電磁流量計**應(yīng)用于各種導(dǎo)電液體的流量檢測,勵磁技術(shù)是電磁流量計中*關(guān)鍵的技術(shù),經(jīng)歷了直流勵磁、工頻正弦勵磁、低頻矩形波勵磁和低頻三值矩形波勵磁等幾個階段。本文將從電磁流量計的工作原理出發(fā),進行勵磁關(guān)鍵部分設(shè)計的闡述,并詳細(xì)設(shè)計勵磁控制電路的軟硬件結(jié)構(gòu)。
1.1電磁流量計工作原理
電磁流量計是用來測量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表,它根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律工作,能夠把流速流量信號變換成感應(yīng)電動勢信號。法拉第電磁感應(yīng)定律在電磁流量計中應(yīng)用的公式如下：
其中U為產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小，B為瞥道所在區(qū)域的勻強磁場大小，l為導(dǎo)電液體切割磁感線的長度(等效為管道內(nèi)徑D), V為液休流過的速度大小，可見在磁感應(yīng)強度B和管道內(nèi)徑D確定的情況下，感應(yīng)電動勢L和流速V為線性關(guān)系，原理如圖1所示。
1.2勵磁方式的選擇
電磁流量計的低頻知形波勵磁和低頻二值知形波勵磁叫以克服H.流勵磁產(chǎn)生的電極極化效應(yīng)等，而}}一也叫以克服止弦波勵磁產(chǎn)生的止交十?dāng)_影}}向。低頻二值知形波勵磁方式叫以進行零點動態(tài)補償，進步提iy電磁流量計的零點穩(wěn)定性，此外，低頻頻二值知形波勵磁方式與知形波方式相比有更低的勵磁功率，所以，本文選擇低頻二值知形波作為電磁流量計的勵磁信號。
2勵磁系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1系統(tǒng)設(shè)計分析
般來說，
電磁流量計的流速測量范圍為0.01 m/s一15m/s,管徑大小從15mm到400mm，這里選取管徑大小D=80mm的電磁流量計進行模刑建立。同時，為了保持電磁流量計的感應(yīng)電動勢小能太小，以免造成后續(xù)信號處理，信號放大電路難以匹配，設(shè)定感應(yīng)電動勢數(shù)量級范圍為:10-'-10-SV。因此，由公式(1) 可以求得，所需要的磁感應(yīng)強度I3的范圍為8.3 * 10-4——125*10-4，單位為T(1T=10'G s) 。
通過上述分析，計算出在管徑D=80mm，流速范圍為0.01-15m/s時，所需要的磁感應(yīng)強度大小為8.3-125Gs，同時，考慮到所需的I3小能太小，小然會造成小流速信號的無法測量，所以選定I3=80G、作為電磁流量計勵磁電路的磁感應(yīng)強度大小。
2.2勵磁線圈的設(shè)計
理論計算證明:線圈間距等于線圈半徑R時，兩個線圈的介磁場在軸附近較大范圍內(nèi)是均勻的，這時線倦}稱為Hchnholt:線圈，如圖2所示。
圖3為COMSOL中，對Hchnholt線倦進行建模之后的磁場仿真，從圖中也可以肴出其磁場分布的特點也是均勻的。根據(jù)利用霍爾效應(yīng)法測量Helmh0ltz線圈空間磁場均勻區(qū)、實際測量中得到的大量數(shù)據(jù)，可以得出相對的經(jīng)驗公式，中間的均勻矩形區(qū)的范圍為軸向0.7R.徑向D.67R.
2.3線圈參數(shù)的確定
這樣設(shè)計的線圈為一共32層,每層32根導(dǎo)線。這里,選擇SWG22號線作為勵磁線圈的原材料,外經(jīng)D=0.776mm,銅芯橫截面積S=0.4072mm2,直流電阻k=43.0Ω/Km。所以,線圈截面的長寬為:32*0.776=24.832mm。本文設(shè)計的線圈的尺寸參數(shù)如圖4所示,為了匹配其它電路器件?？梢杂嬎愠鰡蝹€線圈長度、線圈的電阻值以及線圈兩端的電壓等物理參數(shù)分別為738.832m、31.77Ω和31.77V。
2.4勵磁電路的設(shè)計
運用BP4610雙極性直流電源的可編程功能能夠輸出三值矩形波的電壓波形。程序輸入方式采用分步界面式輸入,根據(jù)產(chǎn)生一個三值矩形波的需要,設(shè)置相關(guān)參數(shù)后產(chǎn)生如5所示的三值方波。但是,BP4610 雙極性直流電源價格昂貴,所以,本文采用Labjack -U12單片機與固態(tài)繼電器構(gòu)成開關(guān)系統(tǒng),用以控制勵磁電路中線圈電流的反相。
利用四個固態(tài)繼電器構(gòu)成一個電流換向的開關(guān)組合系統(tǒng),其中每兩個繼電器一組構(gòu)成一路開關(guān),每路開關(guān)的兩個繼電器的控制端采用并聯(lián),用Labjack -U12上的模擬輸出口A0、A1以達(dá)到同時控制,開關(guān)端采用串聯(lián)構(gòu)成組合開關(guān),如圖6所示。
A1、A2兩個繼電器為一組,控制端由LABJACK模擬輸出口A0控制,A3、A4為一組,由模擬輸出口A1控制。工作時,A0口輸出合適的電壓和電流驅(qū)動繼電器A1、A2控制端,使開關(guān)A1、A2吸合,使線圈有右方向的電流導(dǎo)通,持續(xù)0.3秒以后,A0口停止輸出0.5秒,此期間開關(guān)斷開,線圈中無電流;然后控制A1口輸出0.3秒,控制開關(guān)A3、A4閉合,這樣線圈中就有了左方向的電路導(dǎo)通,0.3秒以后,停止輸出0.5秒,然后重復(fù)上面步驟進行。這樣我們就能得到一個正—零—負(fù)—零的電路狀態(tài),即是設(shè)計的勵磁電路能夠產(chǎn)生一個三值矩形波的勵磁信號。
Labjack U12有兩個模擬電壓輸出端———AO0 和 AO1。其電壓輸出在0和電源電壓(一般為+5伏)之間,具有10位分辨率。輸出電壓是線性的,精度一般為±5%。在 Labjack 中可以采用EAnalogOut或AOUpdate來輸出電壓,它們的執(zhí)行時間為20ms。固態(tài)繼電器(簡稱SSR)是采用固體半導(dǎo)體元件組裝而成的一種新穎的無觸點開關(guān),由于它的接通和斷開沒有機械接觸部件,因而其具有開關(guān)速度快,工作頻率高,使用壽命長,噪聲低和動作可靠等一系列優(yōu)點,尤其適用于動作頻繁的特殊場
在前面對電磁流量計勵磁電路的一些參數(shù)進行了確定,直流穩(wěn)壓電源采用32V,總干路電流2A,Labjack輸出電壓0~5V,輸出的電流30mA。根據(jù)這些數(shù)據(jù),選擇合適的固態(tài)繼電器來進行匹配。選型要求:開關(guān)電壓大于 32V,開關(guān)電流大于2A,控制電壓范圍包括5V,控制電流范圍小于30mA,并且考慮到需要輸入的控制電流較低,需要采用雙極性固態(tài)繼電器。根據(jù)上述要求選用了Celduc公司生產(chǎn)的固態(tài)繼電器,參數(shù)如表1所示
3勵磁系統(tǒng)的軟件設(shè)計
在軟件設(shè)計中,分別用LABJACK -U12的EAnalogOut函數(shù)控制周期內(nèi)的各個步驟,具體程序如下。
本文選用Labjack作為控制器,其模擬輸出端口的輸出電壓和驅(qū)動電流分別是5V和30mA,Celduc公司的固態(tài)繼電器需要的控制電壓和驅(qū)動電流分別是3~16V和1~30mA,因此利用Labjack作為控制器,可以很好的驅(qū)動固態(tài)繼電器,再選擇合適的直流電源,就可以為電磁流量的線圈提供1A的電流,從而產(chǎn)生80高斯左右的磁場,可以很好地滿足電磁流量計的試驗需要,為電磁流量計的性能測試提供了一種性價比較高的途徑。
本文作者的創(chuàng)新點在于,使用Labjack分辨率為10位的模擬量輸出端口控制固態(tài)繼電器的通斷實現(xiàn)電磁流量計所需要的低頻三值方波勵磁信號,并在實際的實驗中進行了應(yīng)用。作者對本文版權(quán)全權(quán)負(fù)責(zé),無抄襲。
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電磁流量計示值誤差校準(zhǔn)不確定度評估
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