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插入式电磁流量计

浏览: 发布日期:2018-10-31 11:18:47

0 前言


      插入式流量计在经济方面的优越性主要体现在:价格与口径无关,在大口径情况下,价格十分低廉;安装维护方便、费用小。由于目前能源与环保计量方面的需求 (如污水流量的测量等),发展插入式流量计已成为一种趋势。其中美国的March-Mcbimey公司的插入式电磁流量计在此领域处在领先地位,广泛应用 于污水、浆水,饮料、化工领域的流体测量。如该公司的Model 282型压力管线插入式电磁流量计,适合的口径可从2英寸~96英寸;探头可通过球阀与0型密封卷在不断流状伸出缩进和拆装。该流量计探头直径小、头部呈 流线型、插入管道深度小,可近似为不阻流(阻塞系数β=1),特别适合测量含有大量杂质的原生污水;还可通过现场流速分布测量,获得一组不同状态下的平均流速,用来确定回归方程系数,进而可以测量非理想紊流状的流量。


      在此基础上我们研制了满管型插入式电磁流量计。三台样机在常州热工仪表厂测试设备上用稳压水塔和容积法进行测试,探头插入口径为100mm的内壁光滑的铁管,其流量在0~100m3/h以内。使用后测试得到非线性误差≤±1%,基本达到了国外同类产品的指标。同时该插入式电磁流量计在城市原生污水管线上试用两个月,探头抗污性能良好,在符合满管状态的条件下,工作状态稳定正常。本文叙述的就是此流量计的电路设计及关键问题的处理。


      1 总体方案


      为保证达到近似为不阻流的条 件,探头尺寸应尽可能小。选用1英寸不锈钢管为探头壳体,激磁线圈采用工业纯铁作铁芯,漆包线直径0.1mm,将它密封在一个流线型半球型尼龙头内,上面 包括一对不锈钢电极。尼龙头和不锈钢管通过螺纹密合在一起。电极与激磁线圈的引线由不锈钢管内引到顶部接线盒内。为避免在探头内发射的信号通过漏电阻及电 容耦合到接收端,激磁线圈及信号发射引线与电极及信号接收引线应分开屏蔽。传输线采用高质量低频屏蔽线。由于探头尺寸小,激磁线圈漆包线直径只能很小,为 避免产生热量激磁电流应控制在30mA以内。由于产生的磁场强度就很小,这就要求接收电路有足够高的灵敏度及抗干扰性能。考虑50Hz工频电压干扰,我们 选恒定方波电流激磁方式,方波频率选50/4Hz=12.5Hz,这样对工频干扰就能有很强的抑制作用。为进一步提高零点稳定性,防止发射信号从电源耦合 到接收电路,激磁信号电路与接收电路之间采用了电隔离,同步信号通过光电耦合完成。


      2 激磁信号电路


      激磁信号电路的供电电压15V。接收电路中的25Hz方波电压信号通过光耦器件(P521)耦合到发射信号电路,再通过D触发器分频成12.5Hz两反相的方波电压,去控制恒流源电路中的电子开关网络(T7、T8、T9、T10) 进行切换。在激磁线包L1上形成30mA左右正负对称的方波电流,与控制方波电压同步。这样,流体运动切割磁力线产生的方波电压与激磁电流同步,也即与控 制开关网络的方波电压同步,这样就保证了在接收电路中的同步解调。激磁信号电路详见图1,插入式电磁流量计的研制夏敖敖。等其中T11、T12为镜像恒流源。




     3 转换器电路


      第一级要求有很高的输入阻抗,以降低由于流体电导率变化所引起的误差;同时也要求有很高的共模抑制比,因为电极直接接触流体,50Hz工频干扰大,而信号十分微弱,没有很高的共模干扰抑制能力,信号将被50Hz干扰所掩没。为此第一级采用仪用放大器,选Rg=5.1kΩ增 益约20dB。第二级由高输入阻抗运算放大器CA3140组成射极跟随器。由于第三级应有很强的选频选相特性和稳定的高增益,所以采用将载波的选放、基带 信号的低通滤波、解调三功能组合在一起的所谓“调制解调式双二次型(托氏电路)滤波器电路”,详见图2。其中电子开关选用四双向电子开关电路4066,S1-2,S2'-1',S'1-2,S'2'-1'中的序号1,1'为12.5Hz同步方波的“0”相位控制,序号2,2'为同步方波的“∏”相位控制。图中开关所示位置是在“0”相位低电平,“∏”相位高电平时的状态,以保证该电路是负反馈。




      转换器电路的放大倍数完全由电阻比决定。因为负反馈平衡作用,积分器直流输 入总是等于零,同步解调无直流输出即同步积分器输出也总是零,它的两个输入信号电流值一定大小相等相位相反。因积分器的输出直流电压经300倍的衰减再调 制成的方波信号与10倍的方波流量信号相等(R18/R5=10),所以放大倍数(R14/R15)×(R18/R5)为3000约70dB。它对流量信号的截止频率为。 由于同步积分器的同步积累作用使它有很强的抑制干扰与噪声的能力,而载波是50/4Hz,所以对50Hz干扰有很更强的抑制能力。从上分析可以看到同步积 分器总是放大小信号,因此线性好、稳定性也好,供电电压±6V,输出电压范围0~5V。在校验时,调整增益,使之对应0~5m/s的流速,即仪表的流速系 数校正为1m/sV。


      图2的输出电压经UoA/D转换器输出给本地的积算仪,或经V/F转换器由光电耦合电隔离远传给单独积算仪。在带μP的积算仪中设置速度分布系数α(定义为在面平均流速与测点处流速 与测点处流速Vop之比)与管道截面积A经运算得瞬时流量及累计总量Q总,同时显示瞬时流量Qv和累计总量Q总。


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