趙宇洋，張 濤，LUCAS G

（1．天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072;2．哈德斯菲爾德大學(xué)計算與工程學(xué)院，哈德斯菲爾德 HD13DH）

0 引言

電磁流量計根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律原理制成，測量導(dǎo)電流體的體積流量，由于其獨特優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于腐蝕性介質(zhì)、易燃易爆介質(zhì)以及污水處理、化工、醫(yī)藥工業(yè)中各種漿液流量測量。在結(jié)構(gòu)上，電磁流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成:傳感器安裝在工業(yè)過程管道上，將液體體積流量變換成感應(yīng)電勢信號，并傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器;轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的流量信號進行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出，以進行顯示、累積和調(diào)節(jié)控制流量值［1］。本文設(shè)計了一種新型的多電極電磁流量計，以低頻三值方波勵磁方式［2］，基于權(quán)函數(shù)理論［3］進行流場速度分布重構(gòu)，在轉(zhuǎn)換器部分采用VM1微處理器作為控制與計算單元，提高了電磁流量計零點穩(wěn)定性和測量準(zhǔn)確性，實驗證明該設(shè)計對于單相不對稱流動與固—液兩相流傾斜管測量具有較高的精度與可靠性。

1 多電極電磁流量計系統(tǒng)設(shè)計

本文中闡述的多電極電磁流量計傳感器部分的磁路系統(tǒng)采用Helmholtz線圈作為勵磁線圈，激勵產(chǎn)生均勻磁場;內(nèi)徑80 mm的非導(dǎo)磁材料聚甲醛樹脂管段作為測量管組件;16個不銹鋼材質(zhì)的電極對陣列［4］用來測量感應(yīng)電勢差:由于不銹鋼價格經(jīng)濟且具備很高的抗腐蝕性及極低的相對磁導(dǎo)率，適合實際工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

分體式多電極電磁流量計，傳感器部分安裝在測量管道，并采用不銹鋼外殼設(shè)計，以屏蔽外界電磁信號對測量截面處磁場的干擾，而轉(zhuǎn)換器部分同樣采用不銹鋼外殼，提高了流量計的電磁兼容性，兩者之間由屏蔽線纜連接。

如圖1所示，多電極電磁流量計轉(zhuǎn)換器以VM1微處理器為核心，結(jié)合I/O模塊與前置面板模塊構(gòu)成整個微處理器系統(tǒng);并設(shè)計前端電路建立與傳感器之間的聯(lián)系，將控制信號經(jīng)磁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后激勵Helmholtz線圈，并將傳感器中電極對之間獲取的原始感應(yīng)電壓處理轉(zhuǎn)換為適合單片機內(nèi)部運算的數(shù)字信號，輸入VM1進行速度重構(gòu)和流量計算。

圖1 多電極電磁流量計轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig 1 Schematic diagram of system constitution of multi-electrode electromagnetic flow meter converter

1．1 勵磁系統(tǒng)與信號處理電路設(shè)計

在實際應(yīng)用中，由VM1微處理器內(nèi)部發(fā)出兩路數(shù)字信號，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換為模擬信號DAC 0/1輸入到勵磁時序產(chǎn)生電路的比較器中，結(jié)合固態(tài)繼電器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生三值方波電流信號，經(jīng)由驅(qū)動電路觸發(fā)激勵Helmholtz線圈最終得到低頻三值方波的磁場，由此在電極對間獲得同樣時序的感應(yīng)電壓，電磁流量計實際測量感應(yīng)電壓信號時序如圖2所示，S1～S4將一個激勵周期分成4個時間序列。

本設(shè)計采用多電極測量，7對在管道內(nèi)壁圓周處對稱分布的電極采集感應(yīng)電勢差，因此，轉(zhuǎn)換器部分包含7路布局嚴(yán)格對稱、設(shè)計完全相同的信號處理電路。感應(yīng)電壓經(jīng)電路處理后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入微處理器。

由于在實際測量中，電磁流量計感應(yīng)電勢差是一個微弱的交變信號，1 m/s的流速僅對應(yīng)大約0．1 mV的電勢差，且信號內(nèi)阻很高，為MΩ級，同時噪聲信號很多［5］，并存在零點漂移干擾，即一個不期望的電壓U0（見圖2），并且數(shù)值遠遠大于感應(yīng)電勢差Uj（j=1，2，…，7）。根據(jù)感應(yīng)電動勢特點，信號處理電路前端需要高倍差分放大電路設(shè)計（見圖2），而偏置補償電路的作用就是將零點電壓值U0實時測量，并反饋補償至信號處理電路以消除零點漂移，使感應(yīng)電壓不超出A/D采樣可接收的數(shù)值。另外，多級模擬濾波電路也消除了因磁場方向快速轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的尖刺干擾電壓并濾除紋波，消除矩形波的衰減。

圖2中（a），（b）對比了實際測量的感應(yīng)電壓信號Uj與電路未經(jīng)優(yōu)化時取得的電壓U*j，很明顯看出:設(shè)計合宜的信號處理電路可以大幅度改善感應(yīng)電壓信號的質(zhì)量，保證電壓幅值始終控制在A/D采樣范圍內(nèi)，并提供更長的有效采樣時間，從而提高電磁流量計的測量精度。

1．2 VM1微處理器系統(tǒng)

圖2 感應(yīng)電壓信號Fig 2 Induced voltage signal

本設(shè)計采用英國劍橋Micro-Robotics公司生產(chǎn)的VM1微處理器作為電磁流量計的CPU。VM1是一種低成本的嵌入式控制器，因其高性能、低功耗的特點十分適合過程控制與自動化工業(yè)領(lǐng)域的智能儀表開發(fā)。它具有16位指令結(jié)構(gòu)，運行速度16 MHz，適宜作為流量儀表的控制、計算及數(shù)據(jù)存儲單元。

I/O模塊包含12位A/D與D/A轉(zhuǎn)換器芯片，通過I2C總線與VM1通信，可提供2路模擬信號輸出和8路輸入，工作電壓0～5 V。

前置面板模塊載有圖像控制與觸摸控制芯片，通過這2種芯片分別控制分辨率為320×240的LCD液晶屏幕和電阻式觸摸板。在本文設(shè)計中，觸摸板放置于LCD屏幕前方，可通過編程定義虛擬鍵盤，即在觸摸板上某一坐標(biāo)位置定義特殊功能，并在LCD屏幕同一坐標(biāo)處向用戶顯示該鍵位，一旦點擊該鍵，觸摸板即可檢測到將碰觸信號，并啟用對應(yīng)的程序模塊，以實現(xiàn)人機對話。該觸摸板支持手指（可戴手套）和觸筆操作，適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。QVGA液晶屏支持多種方式的圖形、字符及數(shù)字顯示;支持多窗口，即將LCD定義為不同區(qū)域、賦予不同功能;并可用于“活動”對象的顯示，例如:可用數(shù)字與圖形顯示動態(tài)數(shù)組。本文闡述的多電磁流量計中，LCD屏幕被分為不同“窗口”，分別用以展示測量截面處各部分速度分布的柱狀圖與實時速度值和體積流量。

2 微處理器軟件系統(tǒng)設(shè)計

圖3展示了多電極電磁流量計重構(gòu)速度分布的流程圖，程序采用二線程并行方式，將用戶指令輸入與儀表測量、計算及顯示同步進行，在啟動儀表測量功能后，用戶可隨時“暫?！被颉巴Ｖ埂?，或跳轉(zhuǎn)至其他功能。

圖3 速度分布軟件流程圖Fig 3 Software flow chart of velocity distribution

在數(shù)據(jù)處理方面，由于多電極電磁流量計基于Shercliff權(quán)函數(shù)理論［6］，該理論內(nèi)容為流量截面處各點對電勢差的貢獻存在一定分布規(guī)律。本文采取有限元方法，將測量橫截面沿直徑方向分為7個互相平行的微元，在 COMSOL軟件環(huán)境中仿真求取權(quán)函數(shù)。利用如下公式重構(gòu)各個微元內(nèi)的平均軸向速度分布

其中，V為各微元平均速度vi（i=1～7）的矩陣，U為電勢差Uj（j=1～7），W 為權(quán)函數(shù)wij矩陣（i=1～7，j=1～7），A為各像素面積的對角陣。

3 實驗結(jié)果與討論

為了研究多電極電磁流量計對于非對稱流動平均軸向速度分布的可靠性，進行了一系列單相導(dǎo)電流體實驗與固—液兩相流實驗。所有實驗在英國Huddersfield大學(xué)多相流實驗裝置平臺上完成。

實驗裝置如圖4所示，在進行單相導(dǎo)電流實驗時，文中所述的多電極電磁流量計安裝在豎直管道中的門閥下游出口處;固—液兩相流實驗在δ=30°的傾斜管段進行，流量計安裝在距底部彎頭2 m處，固相由平均直徑4 mm、密度為1340．8 kgm－3的絕緣珠構(gòu)成。2種實驗條件都是針對非對稱流場進行測量，具體平均軸向速度分布結(jié)果如圖5所示。

圖5 速度分布結(jié)果Fig 5 Velocity distribution results

其中單相流實驗給出了在門閥一定開度情況下速度分布的結(jié)果，測量對象為充分發(fā)展的湍流，重構(gòu)結(jié)果與門閥特性曲線一致;在固—液兩相流實驗中，管道頂部（對應(yīng)微元1）的水流平均速度較快且方向沿軸向上，而底部重構(gòu)的軸向平均速度較低，甚至在最底部（對應(yīng)微元7）出現(xiàn)了負(fù)值，表明水流在此處出現(xiàn)了回流，與Lucas G P在1999年［7］利用侵入式探針測量固—液兩相流在傾斜管中速度分布的研究結(jié)果一致。

此外，在單相流非對稱速度分布實驗中，在不同流量點下，本設(shè)計測量得到的體積流量原始數(shù)據(jù)與渦輪標(biāo)準(zhǔn)表的參考值之間的相對誤差在5%左右，具有較高的精度。

4 結(jié)論

本文詳細介紹了多電極電磁流量計轉(zhuǎn)換器部分的設(shè)計，通過軟、硬件協(xié)同達到重構(gòu)測量橫截面各個微元軸向平均速度的目的，經(jīng)實驗證明:該設(shè)計對于單相導(dǎo)電流體的不對稱速度分布測量具有較高的體積流量測量精度，并給出速度分布結(jié)果;更具指導(dǎo)意義的是，在固—液兩相流實驗當(dāng)中，導(dǎo)電連續(xù)相速度分布的重構(gòu)結(jié)果也與之前進行的研究吻合，為今后結(jié)合其他測量相含率手段最終實現(xiàn)測量工業(yè)領(lǐng)域多相流各相體積流量［8］打下了堅實基礎(chǔ)。

［1］ 張小章．電磁流量計特性的理論研究［D］．南京:河海大學(xué)，1988．

［2］ 楊雙龍，王 剛，徐科軍，等．基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵磁控制系統(tǒng)［J］．電子測量與儀器學(xué)報，2010，24:147－152．

［3］ 王經(jīng)卓．電磁流量計權(quán)函數(shù)的數(shù)值仿真與驗證［J］．儀器儀表學(xué)報，2009，30:132 －137．

［4］ 徐立軍，王 亞，喬旭彤，等．多對電極電磁流量計傳感器電極陣列設(shè)計［J］．儀器儀表學(xué)報，2003，24:335 －339．

［5］ 鄧 建，楊志成，劉 茜，等．基于AD538AD乘法器的高精度溫度測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．儀表技術(shù)，2008（9）:39－40．

［6］ Shercliff J A．The theory of electromagnetic flow-measurement［M］．Cambridge，UK:Cambridge University Press，1962．

［7］ Lucas G P，Cory J，Waterfall R C，et al．Measurement of the solids volume fraction and velocity distributionsin solids-liquid flows using dual-plane electrical resistance tomography［J］．Flow Measurement and Instrumentation，1999，10:249 －258．

［8］ Wang M．Impedance mapping of particulate multiphase flows［J］．Flow Measurement and Instrumentation，2005，16:183 －189．