電磁流量計(jì)**應(yīng)用于各種導(dǎo)電液體的流量檢測(cè),勵(lì)磁技術(shù)是電磁流量計(jì)中*關(guān)鍵的技術(shù),經(jīng)歷了直流勵(lì)磁、工頻正弦勵(lì)磁、低頻矩形波勵(lì)磁和低頻三值矩形波勵(lì)磁等幾個(gè)階段。本文將從電磁流量計(jì)的工作原理出發(fā),進(jìn)行勵(lì)磁關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)的闡述,并詳細(xì)設(shè)計(jì)勵(lì)磁控制電路的軟硬件結(jié)構(gòu)。
1.1電磁流量計(jì)工作原理
電磁流量計(jì)是用來(lái)測(cè)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(hào)變換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。法拉第電磁感應(yīng)定律在電磁流量計(jì)中應(yīng)用的公式如下：
其中U為產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，B為瞥道所在區(qū)域的勻強(qiáng)磁場(chǎng)大小，l為導(dǎo)電液體切割磁感線的長(zhǎng)度(等效為管道內(nèi)徑D), V為液休流過(guò)的速度大小，可見在磁感應(yīng)強(qiáng)度B和管道內(nèi)徑D確定的情況下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)L和流速V為線性關(guān)系，原理如圖1所示。
1.2勵(lì)磁方式的選擇
電磁流量計(jì)的低頻知形波勵(lì)磁和低頻二值知形波勵(lì)磁叫以克服H.流勵(lì)磁產(chǎn)生的電極極化效應(yīng)等，而}}一也叫以克服止弦波勵(lì)磁產(chǎn)生的止交十?dāng)_影}}向。低頻二值知形波勵(lì)磁方式叫以進(jìn)行零點(diǎn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，進(jìn)步提iy電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性，此外，低頻頻二值知形波勵(lì)磁方式與知形波方式相比有更低的勵(lì)磁功率，所以，本文選擇低頻二值知形波作為電磁流量計(jì)的勵(lì)磁信號(hào)。
2勵(lì)磁系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
般來(lái)說(shuō)，
電磁流量計(jì)的流速測(cè)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(jì)進(jìn)行模刑建立。同時(shí)，為了保持電磁流量計(jì)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小能太小，以免造成后續(xù)信號(hào)處理，信號(hào)放大電路難以匹配，設(shè)定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)量級(jí)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(qiáng)度I3的范圍為8.3 * 10-4——125*10-4，單位為T(1T=10'G s) 。
通過(guò)上述分析，計(jì)算出在管徑D=80mm，流速范圍為0.01-15m/s時(shí)，所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為8.3-125Gs，同時(shí)，考慮到所需的I3小能太小，小然會(huì)造成小流速信號(hào)的無(wú)法測(cè)量，所以選定I3=80G、作為電磁流量計(jì)勵(lì)磁電路的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。
2.2勵(lì)磁線圈的設(shè)計(jì)
理論計(jì)算證明:線圈間距等于線圈半徑R時(shí)，兩個(gè)線圈的介磁場(chǎng)在軸附近較大范圍內(nèi)是均勻的，這時(shí)線倦}稱為Hchnholt:線圈，如圖2所示。
圖3為COMSOL中，對(duì)Hchnholt線倦進(jìn)行建模之后的磁場(chǎng)仿真，從圖中也可以肴出其磁場(chǎng)分布的特點(diǎn)也是均勻的。根據(jù)利用霍爾效應(yīng)法測(cè)量Helmh0ltz線圈空間磁場(chǎng)均勻區(qū)、實(shí)際測(cè)量中得到的大量數(shù)據(jù)，可以得出相對(duì)的經(jīng)驗(yàn)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(jì)的線圈為一共32層,每層32根導(dǎo)線。這里,選擇SWG22號(hào)線作為勵(lì)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(zhǎng)寬為:32*0.776=24.832mm。本文設(shè)計(jì)的線圈的尺寸參數(shù)如圖4所示,為了匹配其它電路器件。可以計(jì)算出單個(gè)線圈長(zhǎng)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(lì)磁電路的設(shè)計(jì)
運(yùn)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(gè)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(jià)格昂貴,所以,本文采用Labjack -U12單片機(jī)與固態(tài)繼電器構(gòu)成開關(guān)系統(tǒng),用以控制勵(lì)磁電路中線圈電流的反相。
利用四個(gè)固態(tài)繼電器構(gòu)成一個(gè)電流換向的開關(guān)組合系統(tǒng),其中每?jī)蓚€(gè)繼電器一組構(gòu)成一路開關(guān),每路開關(guān)的兩個(gè)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(shí)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(gè)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(shí),A0口輸出合適的電壓和電流驅(qū)動(dòng)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(wú)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(jìn)行。這樣我們就能得到一個(gè)正—零—負(fù)—零的電路狀態(tài),即是設(shè)計(jì)的勵(lì)磁電路能夠產(chǎn)生一個(gè)三值矩形波的勵(lì)磁信號(hào)。
Labjack U12有兩個(gè)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(lái)輸出電壓,它們的執(zhí)行時(shí)間為20ms。固態(tài)繼電器(簡(jiǎn)稱SSR)是采用固體半導(dǎo)體元件組裝而成的一種新穎的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān),由于它的接通和斷開沒有機(jī)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(zhǎng),噪聲低和動(dòng)作可靠等一系列優(yōu)點(diǎn),尤其適用于動(dòng)作頻繁的特殊場(chǎng)
在前面對(duì)電磁流量計(jì)勵(lì)磁電路的一些參數(shù)進(jìn)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(lái)進(jìn)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(lì)磁系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)中,分別用LABJACK -U12的EAnalogOut函數(shù)控制周期內(nèi)的各個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(chǎng),可以很好地滿足電磁流量計(jì)的試驗(yàn)需要,為電磁流量計(jì)的性能測(cè)試提供了一種性價(jià)比較高的途徑。
本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)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(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)所需要的低頻三值方波勵(lì)磁信號(hào),并在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用。作者對(duì)本文版權(quán)全權(quán)負(fù)責(zé),無(wú)抄襲。
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