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電磁流量計

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高抗干擾性能的電磁流量計的結構設計

來源:作者:發表時間:2020-04-23 10:10:29

 3.1   電磁流量計結構設計 

3.1.1   主控芯片選型設計 
        該系統對主控芯片要求較高,因此本文選擇 PHILIPS 公司生產的 ARM7 作為微處理器。其型號為 LPC2136,對于該芯片而言,首先可以對 32 位數據進行運算和處理,除此之外,它還具有仿真實時性以及跟蹤目標的特點。其次,該主控芯片內部采用馮諾依曼結構,因而該芯片一方面可以高效工作,另一方面所消耗的資源較少。對于芯片的存儲結構而言,其既具有高速 Flash 存儲器[46],容量可達256KB, 32KB 片內靜態 RAM 等存儲結構,以滿足工程需求。CPU 可直接將數據通過 SPI 總線與其他芯片進行通信,無需其他輔助芯片。因此選用 LPC2136 在降低成本的同時可以減小芯片功耗。 
 
3.1.2   勵磁線圈設計 
        該部分的功能在于能夠產生系統所需要的穩定的磁場。勵磁線圈的組成十分簡單,包括線圈以及磁扼。線圈的分類也有諸多參考標準,目前主要有兩種形式,分別是分段繞制與集中繞制。下面對這兩種方式進行詳細敘述。 
 
1.線圈集中繞制方式 
        該方式主要通過"E”型骨架結構進行建立,對于這種結構而言,其主要采用集中繞制線圈的方式。通過該結構可以產生能夠產生均勻磁場的磁極。為了保證整體磁場的均勻分布,可以采用中間段參數略大于測量管直徑的方法。磁路的長度通常是指兩個線圈結構之間的間隙,若要保證磁路長度的有效性,需要保證磁路長度大于線圈機構之間的間距,即工作磁阻需要大于漏磁磁阻,這樣一來可保證磁場的損失率降低。當測量管的直徑增加時,磁場的利用率會有一定程度的減小。因此,在選用“E”型結構的同時選用中小型測量管徑的電磁流量計。在整個過程中,由于磁滯與渦流效應的存在,因此在選用構建材料時通常采用的是矽鋼薄片,該薄片具有高磁導率的特點。 
 
 “E”型骨架在工程應用中較為突出的問題是漏磁率大,因此本文用如圖 3.1
 
(b)所示的結構進行構建,該構建在中大型測量口徑的流量計中普遍采用。 
 
2.線圈分段繞制方式 
 
        在實際的應用場景中,該繞制線圈的構建通常分為 5 個部分。鑒于該種情況,通常利用段式繞制線圈來進行構建,一方面可以保證磁場的均勻分布,另一方面可以保證磁場提供的穩定性。但是該種方式也會帶來成本高以及制造流程復雜等問題。 
 
3.線圈的軸向要求 
        在第二章中詳細闡述了渦流噪聲產生的諸多原因,其中勵磁線圈的軸向長度限制會在一定程度上導致電磁場分布不均勻,存在邊緣效應等問題。針對該種情況,J.A.Shereliff 提出一種數學模型[4],具體公式如下所示:
電磁場數學模型
        在上式中,L 代表軸向長度,d 則表示管內半徑,S 代表靈敏度,該參數具體是指當軸向長度為 L 時產生的磁場強度與 L 趨向于無限大時產生的磁場強度的商。下圖表示的是當 L/d 是不同的值時,所產生的參數變化曲線。圖中,虛線表示的是磁場出現間斷消失的情況,實線則代表磁場趨向于變小的趨勢。 
 
        從下圖中可以得到如下結論:當比值為 2.8 或 3 的情況下,磁場靈敏度可以達到 1。該種情況下靈敏度最佳,磁場分布較為均勻。 
有限長度磁場的靈敏度 S 曲線
3.1.3   時鐘模塊設計 
        晶振的選擇對于一個系統的穩定性至關重要,選擇正確的晶振一方面可以提高系統的可靠性,另一方面可以降低系統的功耗。本文選擇的 LPC2136 微處理芯片既可以借助外圍電路實現該模塊的設計,也可以利用芯片內部的 PLL 電路實現相應功能。因此,該模塊實現方式多樣且可以根據實際應用場景選擇相應的實現方式。本文選擇第一種實現方式,利用 11.0592MHz 晶振對時鐘模塊進行構建,電路如下圖所示。 
外部晶振電路
 
3.1.4   檢測電極設計 
        與接觸式電磁流量計的相比,電容式流量計的最大差別在于產生感應電動勢的方式以及檢出方式不同。鑒于該種情況,檢測電極的設計方式對于系統而言十分重要。 
 
        對于信號的檢測可以利用 Abouelwafa 與 Kendall 所提出的理論[16],我們可以采用凹型電極耦合方式以提高系統的靈敏度。因此本文選擇該方式制作電極,即基本模型如下圖所示: 
檢測電極的基本模型
 
        為了提高信號檢測的靈敏度,同時降低電極之間的阻抗,本文采用如下圖所示的電路圖來建立阻抗模型:
檢測電極之間阻抗模型
 
        如圖 3.5 所示,電極之間的阻抗可表示為:
電極之間的阻抗
        式中:
電極之間的阻抗2
 
        在上式中,0ε 代表處于真空中時的介電常數;rt rwε 、ε 襯底為絕緣體時介電常數以及流體的對應參數;l 代表軸向長度;td 代表被測電極與流體之間的寬度;sd表示電極的厚度;D 為內徑。 
 
        由上式可知,當頻率一定的情況下,增大對應的周長寬度可以在一定程度上減小阻抗。但隨著極板面積的增大,對應的張角α 相應增加,l 相應增長。在第二章中,我們分析可知,隨著檢測極板面積的增大,渦流效應也會越來越明顯。 
 
 
3.1.5   電磁流量計的A/D 轉換器設計 
        電磁流量計A/D 轉換電路的功能主要在于能夠將傳感器采集到模擬量轉化為電路可識別的數字量,從而方便后續電路對信號的處理以及計算。通常在由單片機構建的系統中,該轉換電路的設計十分有必要,一方面系統需要利用傳感器對外界模擬量進行采集,另一方面后續電路需要將模擬量轉化為數字量,從而對數據進行分析,進一步進行數據的顯示。A/D 轉換器電路如圖 3.5 所示。 
 
        本文選擇 LM331 芯片作為搭建 A/D 轉換單元的中心部件。該芯片一方面可以利用溫度補償來減小模擬量的損失,另一方面,低于 4.0V 電源保證了整個轉換過程具有很高精度。除此之外,該芯片在保證造價低廉的前提下保證了低工作頻率以及高線性度等特點,因此在同類芯片中具有一定的優勢。 
 
        由下圖可知,芯片 LM331 第 2 引腳出有兩個電阻,分別為 R28,R29,這兩個電阻的功能主要在于調節由 C17,R27 引起的誤差,進而保證輸出頻率的準確性。LM308作為積分器來使用,其輸出引腳 6 連接在 LM331 的引腳 7 上,其目的在于保證系統周期的穩定性。對于整體電路而言,芯片 LM331 的調節作用并不會影響電路的精度以及穩定性,且 LM331 所產生的偏置電流以及電壓都不會對電路中的物理量產生影響。因此該電路比較適用于小信號電路。具體特征如下所述: 
(1)整體電路精確度高,誤差較小(優于±0.02%); 
(2)電路線性度高(優于 0.03%); 
(3)電路不易受到溫度的影響(最大±50ppm/℃); 
(4)電路安全性較高,并且具有一定的保護措施。 
A/D 轉換電路原理圖
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