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電磁流量計(jì)磁場(chǎng)采樣與互換方法
關(guān)鍵字：電磁流量計(jì),流量計(jì) 日期：2012-9-10 8:42:27
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1．電阻采樣
測(cè)量電磁流量計(jì)管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與勵(lì)磁電流I成正比。通常可以在勵(lì)磁回路中串接一個(gè)小阻
值、標(biāo)準(zhǔn)的純電阻RF來(lái)采樣磁場(chǎng)信號(hào)。從采樣電阻RF兩端得到磁場(chǎng)基準(zhǔn)電壓URF’其頻
率、波形與磁場(chǎng)基本一致，幅度大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例變化。
采樣電阻RF可放在傳感器內(nèi)，也可放在轉(zhuǎn)換器中。
當(dāng)采樣電阻放在傳感器中時(shí)，通過(guò)實(shí)際流量標(biāo)定，調(diào)整基準(zhǔn)電壓的分壓值，使之符合式
(2.3)的要求，即對(duì)任意口徑的傳感器，使之輸出的流量信號(hào)E和磁場(chǎng)B（由基準(zhǔn)電壓URF
代替）比值保持一定值。保持所有電磁流量計(jì)傳感器都是同樣的比例關(guān)系，利用轉(zhuǎn)換器的除法運(yùn)算功
能，就能夠?qū)崿F(xiàn)它們之間配套的互換。采用這樣的方法，盡管多了一組磁場(chǎng)基準(zhǔn)電壓電纜，
但在互換時(shí)，轉(zhuǎn)換器不必再做任何調(diào)整。
采樣電阻也可放在轉(zhuǎn)換器內(nèi)，由采樣電阻采得的磁場(chǎng)基準(zhǔn)信號(hào)在轉(zhuǎn)換器當(dāng)中與流量信號(hào)
進(jìn)行除法運(yùn)算。轉(zhuǎn)換器的輸出和顯示信號(hào)與除法運(yùn)算結(jié)果成正比例。配套的傳感器和轉(zhuǎn)換器
經(jīng)過(guò)實(shí)際流量的標(biāo)定，確定磁場(chǎng)基準(zhǔn)電壓，并用等效直流電壓的方法，把基準(zhǔn)電壓記作傳感
器常數(shù)。在與其他轉(zhuǎn)換器互換時(shí)，將轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓調(diào)到作標(biāo)記的傳感器常數(shù)值'也可實(shí)
現(xiàn)它們的互換。或者，把經(jīng)實(shí)際流量校驗(yàn)的轉(zhuǎn)換器除法運(yùn)算的比值作為常數(shù)賦給傳感器，同
樣可以實(shí)現(xiàn)傳感器與轉(zhuǎn)換器的互換。
如果電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器是恒流源勵(lì)磁，也可以通過(guò)實(shí)際流量的標(biāo)定，確定勵(lì)磁電流大小。記下采樣
電阻兩端的電壓降，可作為傳感器常數(shù)。在與其他傳感器互換時(shí)，將配套轉(zhuǎn)換器的勵(lì)磁電流
再調(diào)到所記傳感器常數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)它們的互換。
如果保持勵(lì)磁電流一定，通過(guò)把放大器的放大倍數(shù)乘一個(gè)系數(shù)，使與所有傳感器配套的
輸出信號(hào)幅度保證一致，也可實(shí)現(xiàn)它們之間的互換。對(duì)于采用數(shù)字采樣的轉(zhuǎn)換器，通過(guò)將采
樣值乘一個(gè)系數(shù)，使與所有傳感器配套得到的數(shù)字量相等，能實(shí)現(xiàn)傳感器和轉(zhuǎn)換器之間的互
換。所有傳感器的系數(shù)都是經(jīng)與符合傳遞標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的轉(zhuǎn)換器，通過(guò)配套實(shí)際流量標(biāo)定而得
到的。
2．線(xiàn)圈采樣
如同電壓互感器，在磁場(chǎng)中放置一個(gè)小匝數(shù)的次級(jí)繞組（稱(chēng)探測(cè)線(xiàn)圈），可測(cè)量傳感器
交變磁場(chǎng)的信息。探測(cè)線(xiàn)圈感應(yīng)的磁場(chǎng)基準(zhǔn)電壓是磁場(chǎng)頻率、幅度、波形的全部信息，只是
相位上與流量信號(hào)相差90。（或者說(shuō)，感應(yīng)線(xiàn)圈感應(yīng)的是微分波形）。因此，在與流量信號(hào)
做除法運(yùn)算時(shí)，轉(zhuǎn)換器需用積分器將感應(yīng)的磁場(chǎng)基準(zhǔn)電壓相位（波形）恢復(fù)過(guò)來(lái)。采用探測(cè)
線(xiàn)圈采樣的方法比電阻采樣能更準(zhǔn)確反應(yīng)磁場(chǎng)信息，所以在測(cè)量鐵磁性介質(zhì)流體時(shí)，常用探
測(cè)線(xiàn)圈的方式。
在實(shí)際流量標(biāo)定時(shí)，將傳感器內(nèi)探測(cè)線(xiàn)圈感應(yīng)的磁場(chǎng)基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)分壓，就可得到滿(mǎn)足
式(2.3)的除法運(yùn)算結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)互換性。應(yīng)用線(xiàn)圈采樣的方法，如前所述，缺點(diǎn)是多
一條傳輸電纜和積分恢復(fù)電路；優(yōu)點(diǎn)是較真實(shí)地反映磁場(chǎng)。對(duì)于使用于含有鐵磁性的固液兩
相流測(cè)量時(shí)，其具有一定的補(bǔ)償作用。
3．轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)
依據(jù)電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的功能要求，電磁流量轉(zhuǎn)換器應(yīng)由差分前置、同步信號(hào)采樣、放大轉(zhuǎn)換、時(shí)
間分配及勵(lì)磁等基本電路組成。不同組成方式的電路結(jié)構(gòu)有著不同的工作原理和效果。
圖1所示的原理框圖中，勵(lì)磁電路向傳感器提供恒流1/8工頻矩形波勵(lì)磁電流；前
置放大電路進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換、抑制共模干擾；放大電路作量程變換、隔離直流干擾電勢(shì)；同步
采樣除去正交干擾、串模干擾，輸出直流電壓信號(hào)；電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路把流量信號(hào)變換為
頻率信號(hào)，用作累計(jì)總量的數(shù)字量輸出并提供輸入／輸出信號(hào)間光電隔離脈沖；隔離的脈沖
信號(hào)經(jīng)頻率／電流轉(zhuǎn)換器變換為輸出4～20mA直流電流信號(hào)。本電路結(jié)構(gòu)自成單元、調(diào)節(jié)
容易，可將勵(lì)磁電流作為傳感器常數(shù)，互換方便。但是，電路性能對(duì)各單元電路和元器件要
求高，希望獲得高精確度測(cè)量不大容易。
圖1 開(kāi)環(huán)式恒流源勵(lì)磁轉(zhuǎn)換器原理框圖
圖2所示是低頻矩形波勵(lì)磁電流產(chǎn)生和信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成的非恒流勵(lì)磁閉環(huán)形式恒
流源勵(lì)磁轉(zhuǎn)換器的原理框圖。圖中Ki為前置放大器增益；Ko為誤差信號(hào)放大器增益；K2
為直流放大器增益；X為乘法器。本電路的勵(lì)磁電源可為非穩(wěn)壓、非恒流。勵(lì)磁電流流經(jīng)
采樣電阻得到的磁場(chǎng)基準(zhǔn)電壓，與輸出流量的占空比相乘，然后再與放大了的流量信號(hào)比
較，差值由誤差信號(hào)放大器放大，經(jīng)同步采樣，直流放大，再由電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路變換為
固定脈寬的頻率，即占空比輸出。與流量成比例的頻率信號(hào)，一方面變換為電流或頻率輸
出，另一方面反饋到乘法器進(jìn)行除法運(yùn)算，從而補(bǔ)償由電源或負(fù)載變動(dòng)引起磁感應(yīng)強(qiáng)度變化
的影響。本電路優(yōu)點(diǎn)是對(duì)閉環(huán)內(nèi)的單元電路和元器件要求不高，電路器件少，整機(jī)測(cè)量精確
度高。缺點(diǎn)是電路調(diào)節(jié)相對(duì)困難。
圖3所示是具有單片機(jī)的智能化轉(zhuǎn)換器的原理框圖。利用其計(jì)算功能和存儲(chǔ)功能，
可使轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量和多功能輸出。由CPU發(fā)出指令，進(jìn)行流量信號(hào)的數(shù)字采集、
運(yùn)算，不僅能簡(jiǎn)化硬件電路，而且也能增強(qiáng)測(cè)量的可靠性，提高線(xiàn)性度。例如，通過(guò)對(duì)信號(hào)
的PID運(yùn)算及調(diào)節(jié)處理，能有效地解決傳感器信號(hào)中出現(xiàn)的粗大誤差問(wèn)題。通過(guò)硬件和軟
件的結(jié)合，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)調(diào)零、量程自動(dòng)切換、上下限報(bào)警、流向鑒別、空管檢測(cè)
等附加功能。單片機(jī)能夠更簡(jiǎn)單地、直觀(guān)地引入數(shù)字式儀表系數(shù)，解決傳感器與轉(zhuǎn)換器的互
換性。
圖2 非恒流勵(lì)磁閉環(huán)形式轉(zhuǎn)換器原理框圖
圖3 智能化轉(zhuǎn)換器原理框圖
新型的單片機(jī)智能化電磁流量計(jì)，除應(yīng)用RS-485、RS-232C與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信外，
更廣泛地使用諸如HART、Profibus DP、FF等各種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信。這樣，不僅能把
流量測(cè)量信息傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)，便于儀表的設(shè)置、調(diào)整、檢查、維護(hù)。同時(shí)，能夠把儀表
工作狀況的各種信息與上位計(jì)算機(jī)雙向通信。用這些信息作為生產(chǎn)管理的依據(jù)，為科學(xué)的企
業(yè)管理提供工作平臺(tái)，是提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益的良好措施。
新型的智能化電磁流量計(jì)，把傳感器和轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)參數(shù)、制造參數(shù)、校驗(yàn)參數(shù)和維護(hù)
參數(shù)保存在存儲(chǔ)器芯片內(nèi)，以利于傳感器和轉(zhuǎn)換器的互換和定期檢查、維護(hù)保養(yǎng)。同時(shí)，通
過(guò)計(jì)算機(jī)的專(zhuān)家系統(tǒng)分析軟件，判斷電磁流量計(jì)性能的變化，提出維護(hù)、修正的實(shí)施措施，提高
儀表測(cè)量的精確度和可靠性。 |
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