多电极电磁流量计转换器设计*

赵宇洋，张 涛，LUCAS G

（1．天津大学电气与自动化工程学院天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072;2．哈德斯菲尔德大学计算与工程学院，哈德斯菲尔德 HD13DH）

0 引言

电磁流量计根据法拉第电磁感应定律原理制成，测量导电流体的体积流量，由于其独特优点，广泛应用于腐蚀性介质、易燃易爆介质以及污水处理、化工、医药工业中各种浆液流量测量。在结构上，电磁流量计由传感器和转换器两部分组成:传感器安装在工业过程管道上，将液体体积流量变换成感应电势信号，并传输到转换器;转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成标准电信号输出，以进行显示、累积和调节控制流量值［1］。本文设计了一种新型的多电极电磁流量计，以低频三值方波励磁方式［2］，基于权函数理论［3］进行流场速度分布重构，在转换器部分采用VM1微处理器作为控制与计算单元，提高了电磁流量计零点稳定性和测量准确性，实验证明该设计对于单相不对称流动与固—液两相流倾斜管测量具有较高的精度与可靠性。

1 多电极电磁流量计系统设计

本文中阐述的多电极电磁流量计传感器部分的磁路系统采用Helmholtz线圈作为励磁线圈，激励产生均匀磁场;内径80 mm的非导磁材料聚甲醛树脂管段作为测量管组件;16个不锈钢材质的电极对阵列［4］用来测量感应电势差:由于不锈钢价格经济且具备很高的抗腐蚀性及极低的相对磁导率，适合实际工业领域的应用。

分体式多电极电磁流量计，传感器部分安装在测量管道，并采用不锈钢外壳设计，以屏蔽外界电磁信号对测量截面处磁场的干扰，而转换器部分同样采用不锈钢外壳，提高了流量计的电磁兼容性，两者之间由屏蔽线缆连接。

如图1所示，多电极电磁流量计转换器以VM1微处理器为核心，结合I/O模块与前置面板模块构成整个微处理器系统;并设计前端电路建立与传感器之间的联系，将控制信号经磁路系统转换后激励Helmholtz线圈，并将传感器中电极对之间获取的原始感应电压处理转换为适合单片机内部运算的数字信号，输入VM1进行速度重构和流量计算。

图1 多电极电磁流量计转换器系统构成示意图Fig 1 Schematic diagram of system constitution of multi-electrode electromagnetic flow meter converter

1．1 励磁系统与信号处理电路设计

在实际应用中，由VM1微处理器内部发出两路数字信号，经由D/A转换器后转换为模拟信号DAC 0/1输入到励磁时序产生电路的比较器中，结合固态继电器网络产生三值方波电流信号，经由驱动电路触发激励Helmholtz线圈最终得到低频三值方波的磁场，由此在电极对间获得同样时序的感应电压，电磁流量计实际测量感应电压信号时序如图2所示，S1～S4将一个激励周期分成4个时间序列。

本设计采用多电极测量，7对在管道内壁圆周处对称分布的电极采集感应电势差，因此，转换器部分包含7路布局严格对称、设计完全相同的信号处理电路。感应电压经电路处理后再由A/D转换器转换为数字信号送入微处理器。

由于在实际测量中，电磁流量计感应电势差是一个微弱的交变信号，1 m/s的流速仅对应大约0．1 mV的电势差，且信号内阻很高，为MΩ级，同时噪声信号很多［5］，并存在零点漂移干扰，即一个不期望的电压U0（见图2），并且数值远远大于感应电势差Uj（j=1，2，…，7）。根据感应电动势特点，信号处理电路前端需要高倍差分放大电路设计（见图2），而偏置补偿电路的作用就是将零点电压值U0实时测量，并反馈补偿至信号处理电路以消除零点漂移，使感应电压不超出A/D采样可接收的数值。另外，多级模拟滤波电路也消除了因磁场方向快速转换而产生的尖刺干扰电压并滤除纹波，消除矩形波的衰减。

图2中（a），（b）对比了实际测量的感应电压信号Uj与电路未经优化时取得的电压U*j，很明显看出:设计合宜的信号处理电路可以大幅度改善感应电压信号的质量，保证电压幅值始终控制在A/D采样范围内，并提供更长的有效采样时间，从而提高电磁流量计的测量精度。

1．2 VM1微处理器系统

图2 感应电压信号Fig 2 Induced voltage signal

本设计采用英国剑桥Micro-Robotics公司生产的VM1微处理器作为电磁流量计的CPU。VM1是一种低成本的嵌入式控制器，因其高性能、低功耗的特点十分适合过程控制与自动化工业领域的智能仪表开发。它具有16位指令结构，运行速度16 MHz，适宜作为流量仪表的控制、计算及数据存储单元。

I/O模块包含12位A/D与D/A转换器芯片，通过I2C总线与VM1通信，可提供2路模拟信号输出和8路输入，工作电压0～5 V。

前置面板模块载有图像控制与触摸控制芯片，通过这2种芯片分别控制分辨率为320×240的LCD液晶屏幕和电阻式触摸板。在本文设计中，触摸板放置于LCD屏幕前方，可通过编程定义虚拟键盘，即在触摸板上某一坐标位置定义特殊功能，并在LCD屏幕同一坐标处向用户显示该键位，一旦点击该键，触摸板即可检测到将碰触信号，并启用对应的程序模块，以实现人机对话。该触摸板支持手指（可戴手套）和触笔操作，适合工业现场应用。QVGA液晶屏支持多种方式的图形、字符及数字显示;支持多窗口，即将LCD定义为不同区域、赋予不同功能;并可用于“活动”对象的显示，例如:可用数字与图形显示动态数组。本文阐述的多电磁流量计中，LCD屏幕被分为不同“窗口”，分别用以展示测量截面处各部分速度分布的柱状图与实时速度值和体积流量。

2 微处理器软件系统设计

图3展示了多电极电磁流量计重构速度分布的流程图，程序采用二线程并行方式，将用户指令输入与仪表测量、计算及显示同步进行，在启动仪表测量功能后，用户可随时“暂停”或“停止”，或跳转至其他功能。

图3 速度分布软件流程图Fig 3 Software flow chart of velocity distribution

在数据处理方面，由于多电极电磁流量计基于Shercliff权函数理论［6］，该理论内容为流量截面处各点对电势差的贡献存在一定分布规律。本文采取有限元方法，将测量横截面沿直径方向分为7个互相平行的微元，在 COMSOL软件环境中仿真求取权函数。利用如下公式重构各个微元内的平均轴向速度分布

其中，V为各微元平均速度vi（i=1～7）的矩阵，U为电势差Uj（j=1～7），W 为权函数wij矩阵（i=1～7，j=1～7），A为各像素面积的对角阵。

3 实验结果与讨论

为了研究多电极电磁流量计对于非对称流动平均轴向速度分布的可靠性，进行了一系列单相导电流体实验与固—液两相流实验。所有实验在英国Huddersfield大学多相流实验装置平台上完成。

实验装置如图4所示，在进行单相导电流实验时，文中所述的多电极电磁流量计安装在竖直管道中的门阀下游出口处;固—液两相流实验在δ=30°的倾斜管段进行，流量计安装在距底部弯头2 m处，固相由平均直径4 mm、密度为1340．8 kgm－3的绝缘珠构成。2种实验条件都是针对非对称流场进行测量，具体平均轴向速度分布结果如图5所示。

图5 速度分布结果Fig 5 Velocity distribution results

其中单相流实验给出了在门阀一定开度情况下速度分布的结果，测量对象为充分发展的湍流，重构结果与门阀特性曲线一致;在固—液两相流实验中，管道顶部（对应微元1）的水流平均速度较快且方向沿轴向上，而底部重构的轴向平均速度较低，甚至在最底部（对应微元7）出现了负值，表明水流在此处出现了回流，与Lucas G P在1999年［7］利用侵入式探针测量固—液两相流在倾斜管中速度分布的研究结果一致。

此外，在单相流非对称速度分布实验中，在不同流量点下，本设计测量得到的体积流量原始数据与涡轮标准表的参考值之间的相对误差在5%左右，具有较高的精度。

4 结论

本文详细介绍了多电极电磁流量计转换器部分的设计，通过软、硬件协同达到重构测量横截面各个微元轴向平均速度的目的，经实验证明:该设计对于单相导电流体的不对称速度分布测量具有较高的体积流量测量精度，并给出速度分布结果;更具指导意义的是，在固—液两相流实验当中，导电连续相速度分布的重构结果也与之前进行的研究吻合，为今后结合其他测量相含率手段最终实现测量工业领域多相流各相体积流量［8］打下了坚实基础。

［1］ 张小章．电磁流量计特性的理论研究［D］．南京:河海大学，1988．

［2］ 杨双龙，王 刚，徐科军，等．基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统［J］．电子测量与仪器学报，2010，24:147－152．

［3］ 王经卓．电磁流量计权函数的数值仿真与验证［J］．仪器仪表学报，2009，30:132 －137．

［4］ 徐立军，王 亚，乔旭彤，等．多对电极电磁流量计传感器电极阵列设计［J］．仪器仪表学报，2003，24:335 －339．

［5］ 邓 建，杨志成，刘 茜，等．基于AD538AD乘法器的高精度温度测量仪的设计与实现［J］．仪表技术，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．