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電磁流量計磁場采樣與互換方法
關(guān)鍵字：電磁流量計,流量計 日期：2012-9-10 8:42:27
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1．電阻采樣
測量電磁流量計管內(nèi)的磁感應(yīng)強度B與勵磁電流I成正比。通?？梢栽趧畲呕芈分写右粋€小阻
值、標準的純電阻RF來采樣磁場信號。從采樣電阻RF兩端得到磁場基準電壓URF’其頻
率、波形與磁場基本一致，幅度大小與磁場強度成比例變化。
采樣電阻RF可放在傳感器內(nèi)，也可放在轉(zhuǎn)換器中。
當采樣電阻放在傳感器中時，通過實際流量標定，調(diào)整基準電壓的分壓值，使之符合式
(2.3)的要求，即對任意口徑的傳感器，使之輸出的流量信號E和磁場B（由基準電壓URF
代替）比值保持一定值。保持所有電磁流量計傳感器都是同樣的比例關(guān)系，利用轉(zhuǎn)換器的除法運算功
能，就能夠?qū)崿F(xiàn)它們之間配套的互換。采用這樣的方法，盡管多了一組磁場基準電壓電纜，
但在互換時，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基準信號在轉(zhuǎn)換器當中與流量信號
進行除法運算。轉(zhuǎn)換器的輸出和顯示信號與除法運算結(jié)果成正比例。配套的傳感器和轉(zhuǎn)換器
經(jīng)過實際流量的標定，確定磁場基準電壓，并用等效直流電壓的方法，把基準電壓記作傳感
器常數(shù)。在與其他轉(zhuǎn)換器互換時，將轉(zhuǎn)換器的基準電壓調(diào)到作標記的傳感器常數(shù)值'也可實
現(xiàn)它們的互換?；蛘?，把經(jīng)實際流量校驗的轉(zhuǎn)換器除法運算的比值作為常數(shù)賦給傳感器，同
樣可以實現(xiàn)傳感器與轉(zhuǎn)換器的互換。
如果電磁流量計轉(zhuǎn)換器是恒流源勵磁，也可以通過實際流量的標定，確定勵磁電流大小。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，將配套轉(zhuǎn)換器的勵磁電流
再調(diào)到所記傳感器常數(shù)，即可實現(xiàn)它們的互換。
如果保持勵磁電流一定，通過把放大器的放大倍數(shù)乘一個系數(shù)，使與所有傳感器配套的
輸出信號幅度保證一致，也可實現(xiàn)它們之間的互換。對于采用數(shù)字采樣的轉(zhuǎn)換器，通過將采
樣值乘一個系數(shù)，使與所有傳感器配套得到的數(shù)字量相等，能實現(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)與符合傳遞標準規(guī)定的轉(zhuǎn)換器，通過配套實際流量標定而得
到的。
2．線圈采樣
如同電壓互感器，在磁場中放置一個小匝數(shù)的次級繞組（稱探測線圈），可測量傳感器
交變磁場的信息。探測線圈感應(yīng)的磁場基準電壓是磁場頻率、幅度、波形的全部信息，只是
相位上與流量信號相差90。（或者說，感應(yīng)線圈感應(yīng)的是微分波形）。因此，在與流量信號
做除法運算時，轉(zhuǎn)換器需用積分器將感應(yīng)的磁場基準電壓相位（波形）恢復(fù)過來。采用探測
線圈采樣的方法比電阻采樣能更準確反應(yīng)磁場信息，所以在測量鐵磁性介質(zhì)流體時，常用探
測線圈的方式。
在實際流量標定時，將傳感器內(nèi)探測線圈感應(yīng)的磁場基準電壓經(jīng)過分壓，就可得到滿足
式(2.3)的除法運算結(jié)果，從而實現(xiàn)互換性。應(yīng)用線圈采樣的方法，如前所述，缺點是多
一條傳輸電纜和積分恢復(fù)電路；優(yōu)點是較真實地反映磁場。對于使用于含有鐵磁性的固液兩
相流測量時，其具有一定的補償作用。
3．轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)
依據(jù)電磁流量計轉(zhuǎn)換器的功能要求，電磁流量轉(zhuǎn)換器應(yīng)由差分前置、同步信號采樣、放大轉(zhuǎn)換、時
間分配及勵磁等基本電路組成。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，勵磁電路向傳感器提供恒流1/8工頻矩形波勵磁電流；前
置放大電路進行阻抗轉(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；同步
采樣除去正交干擾、串模干擾，輸出直流電壓信號；電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路把流量信號變換為
頻率信號，用作累計總量的數(shù)字量輸出并提供輸入／輸出信號間光電隔離脈沖；隔離的脈沖
信號經(jīng)頻率／電流轉(zhuǎn)換器變換為輸出4～20mA直流電流信號。本電路結(jié)構(gòu)自成單元、調(diào)節(jié)
容易，可將勵磁電流作為傳感器常數(shù)，互換方便。但是，電路性能對各單元電路和元器件要
求高，希望獲得高精確度測量不大容易。
圖1 開環(huán)式恒流源勵磁轉(zhuǎn)換器原理框圖
圖2所示是低頻矩形波勵磁電流產(chǎn)生和信號測量系統(tǒng)構(gòu)成的非恒流勵磁閉環(huán)形式恒
流源勵磁轉(zhuǎn)換器的原理框圖。圖中Ki為前置放大器增益；Ko為誤差信號放大器增益；K2
為直流放大器增益；X為乘法器。本電路的勵磁電源可為非穩(wěn)壓、非恒流。勵磁電流流經(jīng)
采樣電阻得到的磁場基準電壓，與輸出流量的占空比相乘，然后再與放大了的流量信號比
較，差值由誤差信號放大器放大，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，一方面變換為電流或頻率輸
出，另一方面反饋到乘法器進行除法運算，從而補償由電源或負載變動引起磁感應(yīng)強度變化
的影響。本電路優(yōu)點是對閉環(huán)內(nèi)的單元電路和元器件要求不高，電路器件少，整機測量精確
度高。缺點是電路調(diào)節(jié)相對困難。
圖3所示是具有單片機的智能化轉(zhuǎn)換器的原理框圖。利用其計算功能和存儲功能，
可使轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)智能化測量和多功能輸出。由CPU發(fā)出指令，進行流量信號的數(shù)字采集、
運算，不僅能簡化硬件電路，而且也能增強測量的可靠性，提高線性度。例如，通過對信號
的PID運算及調(diào)節(jié)處理，能有效地解決傳感器信號中出現(xiàn)的粗大誤差問題。通過硬件和軟
件的結(jié)合，還能實現(xiàn)自動或半自動調(diào)零、量程自動切換、上下限報警、流向鑒別、空管檢測
等附加功能。單片機能夠更簡單地、直觀地引入數(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
新型的單片機智能化電磁流量計，除應(yīng)用RS-485、RS-232C與上位計算機進行通信外，
更廣泛地使用諸如HART、Profibus DP、FF等各種類型的現(xiàn)場總線通信。這樣，不僅能把
流量測量信息傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C，便于儀表的設(shè)置、調(diào)整、檢查、維護。同時，能夠把儀表
工作狀況的各種信息與上位計算機雙向通信。用這些信息作為生產(chǎn)管理的依據(jù)，為科學的企
業(yè)管理提供工作平臺，是提高工作效率和經(jīng)濟效益的良好措施。
新型的智能化電磁流量計，把傳感器和轉(zhuǎn)換器的設(shè)計參數(shù)、制造參數(shù)、校驗參數(shù)和維護
參數(shù)保存在存儲器芯片內(nèi)，以利于傳感器和轉(zhuǎn)換器的互換和定期檢查、維護保養(yǎng)。同時，通
過計算機的專家系統(tǒng)分析軟件，判斷電磁流量計性能的變化，提出維護、修正的實施措施，提高
儀表測量的精確度和可靠性。 |
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