CN103175578A

CN103175578A - 基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置

Info

Publication number: CN103175578A
Application number: CN2013100708913A
Authority: CN
Inventors: 刘铁军; 张光明
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: CN103175578B

Abstract

本发明公开了一种基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置。包括励磁电路、电磁流量测量传感器、电磁信号处理电路、430单片机、输出显示电路和通讯调试电路。还包括振荡驱动电路、电容式孔板流量测量传感器和电容式孔板信号处理电路；振荡驱动电路经电容式孔板流量测量传感器与电容式孔板信号处理电路的输入端连接；电容式孔板信号处理电路的输出端与单片机的A/D转换通道相连接。本发明在传统电磁流量计的基础上增加电容式孔板流量测量系统，一方面保持了电磁流量测量对导电液体体积流量测量具有的高精度，高准确性特点，同时弥补了在低流速、小流量状态下，测量精度不高的缺点。

Description

基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置

技术领域

本发明涉及一种流量测量装置，尤其是涉及一种基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置。

背景技术

基于电磁流量计的诸多优点如：测量范围度大；测量不受流体的密度、温度、压力、粘度、雷诺数等变化的影响；耐腐蚀性能好；测量原理线性，测量精度高；对流速分布要求低等。目前针对导电液体体积流量测量主要采用电磁流量测量技术的电磁流量计。

如图1所示，电磁流量测量是根据法拉第电磁感应定律，导电介质在管道内流动，切割磁力线，产生与磁场及流动方向垂直的感应电动势。在结构上，电磁流量计有电磁流量传感器和电磁流量转换器两部分组成。电磁流量传感器安装在工业管道上，主要由测量管、励磁电路和一对电极组成。基于其原理和结构上的原因，在低流速小流量的情况下，由于检测到的信号相对于干扰信号很微弱，难以测量，因此引入高放大倍数的放大器。然而这样就使得电磁流量计特别容易受外界电磁场的干扰，即使是很微弱的干扰在经过高倍放大后，对结果的影响也是巨大的。这样势必会大大地影响仪表的准确度，对控制系统的稳定性、可靠性也构成很大的隐患。如图2所示，德国科隆公司电磁流量计在标准条件下测量误差与流速的关系图可知，当流速小于1m/s时，电磁流量计测量误差明显增大。因此，对于小流速，在原来管道上实现流量的精确测量目前仍是一个难题。

为了保留电磁流量测量对导电液体体积流量测量具有的高精度、高准确性特点，同时弥补在低流速、小流量状态下，测量精度不高的缺点，可以引入一个适用于小流量测量的流量测量系统，与电磁流量计相结合。

传统孔板流量计，可以应用于流体的小流量测量，其主要利用流体通过锐孔的节流作用，使流速增大，压强减小，造成孔板前后形成压强差，将这个压强差作为测量的依据。差压法孔板流量计因为其设计简单、成本较低，所以被广泛应用，但是这种带差压测量装置的流量计会由于液体泄漏、隔膜材料弹性性能的改变、工艺流体的腐蚀性影响等原因而出错，使测量结果不可靠。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置，实现从小流量到大流量较宽范围内导电液体流量的精确测量。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括励磁电路、电磁流量测量传感器、电磁信号处理电路、单片机、输出显示电路和通讯调试电路；单片机分别与励磁电路、输出显示电路和通讯调试电路连接；电磁流量测量传感器的励磁线圈与励磁电路相连接，电磁流量测量传感器的一对电极接到电磁信号处理电路中，电磁信号处理电路输出端与单片机的A/D转换通道相连接；其特征在于：还包括振荡驱动电路、电容式孔板流量测量传感器和电容式孔板信号处理电路；振荡驱动电路经电容式孔板流量测量传感器与电容式孔板信号处理电路中的微小电容测量电路连接；电容式孔板信号处理电路包括微小电容测量电路、放大器、整流滤波电路和跟随器；微小电容测量电路的输入端与电容式孔板流量测量传感器相接，微小电容测量电路的输出端与放大器的输入端相接；放大器的输出端经整流滤波电路后与跟随器的输入端连接，跟随器的输出端与单片机的A/D转换通道相连接。

所述的电容式孔板流量测量传感器，包括绝缘测量管、金属孔板和金属环；绝缘测量管的进水端为渐缩管结构；中间段尺寸不变，出水端为突然扩张管道结构；金属孔板嵌于绝缘测量管突然扩张管道外端面；金属环套在出水端绝缘测量管的大径管道外；一对励磁线圈分别置于中间段管道外侧，电磁流量测量传感器有一对电极在垂直于励磁线圈内的绝缘测量管两侧，电磁流量测量传感器的一对电极接到电磁信号处理电路中；金属孔板和金属环为电容式孔板流量测量传感器的一对电极，从金属孔板和金属环引出一对导线，电容式孔板流量测量传感器的一极接振荡驱动电路中放大器LM741的第6脚进行激励，另一极接微小电容测量电路中低功耗放大器LM124的第一路运算放大器OP07-1的第2脚；绝缘测量管的两端面分别用法兰通过各自的绝缘垫片或聚四氯乙烯塑胶片与系统管道相连接。

所述的电容式孔板信号处理电路，包括微小电容测量电路、放大器、整流滤波电路和跟随器；低功耗运算放大器LM124共有四个运算放大器OP07；微小电容测量电路以低功耗运算放大器LM124的第一路运算放大器OP07-1为核心，第一路运算放大器OP07-1的第2脚经电容式孔板流量测量传感器与振荡驱动电路中放大器LM741的第6脚相接，第一路运算放大器OP07-1OP07-1的第1脚与放大器INA101的第10脚相接；整流滤波电路以第二个运算放大器OP07-2为核心，第二个运算放大器OP07-2的第5脚与放大器INA101的第8脚相接；第二个运算放大器OP07-2的第7脚与跟随器中第三个运算放大器OP07-3的第10脚相接，第三个运算放大器OP07-3的第8脚接入单片机的A/D转换通道中。

所述的振荡驱动电路，以放大器LM741为核心，放大器LM741的第6脚经电容式孔板流量测量传感器与第一路运算放大器OP07-1的第2脚相接。

所述的单片机，采用msp430f5438，为德州仪器公司生产的430系列16 位超低功耗微控制器；输出显示电路采用12864点阵带汉字液晶模块；通讯调试电路包括RS232接口和RS485接口；电容式孔板流量测量和电磁流量测量共用单片机电路、输出显示电路和通讯调试电路。

本发明具有的有益效果是：

1）新增加的电容式孔板流量测量，适用于低流速、小流量导电液体的体积流量测量。本测量装置在传统电磁流量测量的基础上，增加了电容式孔板流量测量，使该流量测量装置在空管检测或工程运行初期流速偏低时，使用电容式孔板流量测量系统对小流量进行计量。当流速增大到某一数值时，开启电磁流量测量励磁电路，关闭电容式孔板流量测量系统，保证测量精度。本装置一方面保持了电磁流量测量对导电液体体积流量测量具有的高精度，高准确性特点，同时弥补了在低流速、小流量状态下，测量精度不高的缺点。

2）采用两套控制系统，电容式孔板流量测量系统和电磁流量测量系统，互不影响。电容式孔板流量测量系统对传统电磁流量励磁电路不造成任何影响。本装置中的电容式孔板流量测量系统，不需要差压测量装置，因而避免了差压法孔板流量计会由于液体泄漏、隔膜材料弹性性能的改变、导电液体的腐蚀性影响等原因而出错的问题，结构简单，实现成本低，功耗低。

附图说明

图1电磁流量计工作原理示意图。

图2是德国科隆公司电磁流量计在标准条件下测量误差与流速的关系图。

图3是本发明的主视图。

图4是图3的A-A局部剖视图。

图5是本发明的结构原理框图。

图6是本发明的电容式孔板流量测量信号处理电路图。

图7是本发明的振荡驱动电路图。

图中：1、法兰，2、绝缘测量管，3、励磁线圈，4、金属孔板，5、金属环，6、电极，7、导线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图5所示，本发明包括励磁电路、电磁流量测量传感器、电磁信号处理电路、msp430f5438单片机、输出显示电路、通讯调试电路；msp430f5438单片机分别与励磁电路、输出显示电路和通讯调试电路连接；电磁流量测量传感器的励磁线圈与励磁电路相连接，电磁流量测量传感器的一对电极接到电磁信号处理电路中，电磁信号处理电路输出端与单片机的A/D转换通道相连接。此外，还包括振荡驱动电路、电容式孔板流量测量传感器和电容式孔板信号处理电路；振荡驱动电路经电容式孔板流量测量传感器与电容式孔板信号处理电路中的微小电容测量电路输入端相连接；电容式孔板信号处理电路包括微小电容测量电路、放大器、整流滤波电路和跟随器；微小电容测量电路的输入端与电容式孔板流量测量传感器相接，微小电容测量电路的输出端与放大器的输入端相接；放大器的输出端经整流滤波电路后与跟随器的输入端连接，跟随器的输出端与单片机的A/D转换通道相连接。

如图3、图4所示，所述的电容式孔板流量测量传感器，包括绝缘测量管2、金属孔板4和金属环5；绝缘测量管2的进水端为渐缩管结构，管道直径逐渐由大变小；中间段尺寸不变，出水端为突然扩张管道结构，管道直径突然由小变大；金属孔板4嵌于绝缘测量管2突然扩张管道外端面；金属环5套在出水端绝缘测量管2的大径管道外；一对励磁线圈3分别置于中间段管道外侧，电磁流量测量传感器有一对电极6在垂直于励磁线圈内的绝缘测量管两侧，电磁流量测量传感器的一对电极6为良导电性的金属电极，材质为不锈钢、钛合金等耐腐蚀材质，电磁流量测量传感器的一对电极6接到电磁信号处理电路中；金属孔板4和金属环5为电容式孔板流量测量传感器的一对电极，从金属孔板和金属环引出一对导线7，电容式孔板流量测量传感器的一极接振荡驱动电路中放大器LM741的第6脚进行激励，另一极接微小电容测量电路中低功耗放大器LM124的第一路运算放大器OP07-1的第2脚；绝缘测量管2的两端面分别用法兰1通过各自的绝缘垫片或聚四氯乙烯塑胶片与系统管道相连接。

如图6所示，所述的电容式孔板信号处理电路，包括微小电容测量电路、放大器、整流滤波电路和跟随器；低功耗运算放大器LM124共有四个运算放大器OP07。微小电容测量电路以低功耗运算放大器LM124的第一路运算放大器OP07-1为核心，第一路运算放大器OP07-1的第2脚与电容式孔板流量测量传感器的一个电极相接，第一路运算放大器OP07-1的第1脚与放大器INA101的第10脚相接，电阻R5与电容C6并联，一端接第一路运算放大器OP07-1的第1脚，另一端接第一路运算放大器OP07-1的第2脚。放大器INA101对微小电容测量电路输出的电压信号进行一级放大，放大器INA101的第9脚与正电源相接，放大器INA101的第6脚与负电源相接；正电源与放大器INA101的第9脚，负电源与放大器INA101的第6脚之间分别接一个高频滤波电容。放大器INA101的第1、4脚之间接一个划线变阻器R6用来调节放大器的增益，放大器INA101的第10脚为负输入端与第一路运算放大器OP07-1的第1脚相接，放大器INA101的第5脚接地，放大器INA101的第8脚为输出端，放大器INA101第8脚经电阻R7连接第二个运算放大器OP07-2的第5脚。整流滤波电路以第二个运算放大器OP07-2为核心，二极管D1、D2反向且并联，并联后的两个二极管D1和D2一端接第二个运算放大器OP07-2的第6脚，另一端接第二个运算放大器OP07-2的第7脚，第二个运算放大器OP07-1的第7脚通过电阻R8和电容C5并联接地。第二个运算放大器OP07-2的第7脚通过R9与第三个运算放大器OP07-3的第10脚相接。跟随器以第三个运算放大器OP07-3为核心，第三个运算放大器OP07-3的第9脚与第三个运算放大器OP07-3的第8脚直接相接，第三个运算放大器OP07-3的第8脚为输出端，第三个运算放大器OP07-3的第8脚连接msp430f5438单片机的一路A/D转换通道。

如图7所示，所述的振荡驱动电路以LM741为核心，LM741的第6脚输出端与电容式孔板流量测量传感器的一个电极相接；电阻R4一端接LM741的第3脚，另一端接地;划线变阻器R3一端接LM741的第6脚，另一端接LM741的第3；电阻R2与电容C2并联，一端接地，另一端接LM741的第2脚；电阻R1与电容C1串联，一端接LM741的第6脚，一端接LM741的第2脚。电容式孔板流量测量传感器的另一个电极接微小电容测量电路中第一路运算放大器OP07-1的第2脚。

如图5所示，励磁电路是有恒流源驱动一个H桥路，电流波形以方波、正弦波、三值波等形式产生一个交变磁场，导电液体在磁场中切割磁力线，在电磁流量测量传感器两电极上感应出几十微伏至几毫伏的交变电压信号，经电磁信号处理电路中的差分放大器、低通和高通滤波器和增益放大器与msp430f5438单片机相接，实现信号的放大去噪处理，提高信噪比。同样，在振荡驱动电路提供的稳定正弦信号的激励下，电容式孔板流量测量传感器的电容信号反应导电液体流量大小，经电容式孔板处理电路中微小电容测量电路、放大器、整流滤波电路和跟随器与msp430f5438单片机相接，实现信号的放大去噪处理，提高信噪比。通讯调试模块包括RS232接口和RS485接口，根据用户需要选择相应的通讯方式，方便与上位机进行通讯。输出显示电路采用12864点阵带汉字液晶模块。

本发明引入电容式孔板流量测量系统。根据物理学原理可知，改变电容传感器两极板间距离d、有效相对面积s或者极间介质常数ε，均可使该电容容量值发生变化。本发明的电容式孔板流量测量方法基于变介质常数型电容传感器的原理。由嵌入绝缘测量管突然扩张管道部位内部的金属孔板和与该孔板距离相近的环绕大经测量管的金属环组成集总电容C_x。当导电液体流经管道的突然扩张管道时，由于导电液体所受的压力的突然减小，导电液体不能充满使导电液体呈流动发散状态。当导电液体流量大小不同时，经过突然扩张管道后导电液体的发散程度不同，因而孔板与金属环之间的电介质随流量大小变化而变化。于是，由孔板和金属环组成的集总电容容量大小也就随流量大小变化而变化。那么，所形成的集总电容的容量大小是通过测量管的导电液体的流量的函数。测量装置安装完成后，测量管材料、测量管直径、孔板直径、孔板与金属环相对位置等因素确定。在外界环境温度、外部电压激励等因素不变的情况下，集总电容C_x的大小只是流量q的函数，即：C_x=C_x(q)，利用C_x与流量q之间的函数关系来实现对导电液体流量的精确测量。这就是电容式孔板流量测量技术的理论基础。

该流量测量系统在空管检测或工程运行初期流速偏低时，停止电磁流量测量系统，切换到电容式孔板流量测量系统，电磁流量传感器、励磁电路和电磁信号处理电路都不工作，实现完全的电容式孔板流量测量。当流速增大到达某一数值时，停止电容式孔板流量测量系统，切换到电磁流量测量系统，电磁流量传感器、励磁电路和电磁信号处理电路都开始工作，而电容式孔板流量测量传感器、振荡驱动电路和电容式孔板信号处理电路则停止工作。这样，既保留了电磁流量测量对导电液体体积流量测量具有的高精度，高准确性特点，同时弥补了其在低流速、小流量状态下，测量精度不高的缺点。这就是基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量方法的工作原理。

所述的单片机采用msp430f5438，为德州仪器公司生产的430系列16 位超低功耗微控制器；输出显示电路采用12864点阵带汉字液晶模块；通讯调试电路包括RS232接口和RS485接口；电容式孔板流量测量和电磁流量测量共用单片机电路、输出显示电路和通讯调试电路。

Claims

1.一种基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置，包括励磁电路、电磁流量测量传感器、电磁信号处理电路、单片机、输出显示电路和通讯调试电路；单片机分别与励磁电路、输出显示电路和通讯调试电路连接；电磁流量测量传感器的励磁线圈与励磁电路相连接，电磁流量测量传感器的一对电极接到电磁信号处理电路中，电磁信号处理电路输出端与单片机的A/D转换通道相连接；其特征在于：还包括振荡驱动电路、电容式孔板流量测量传感器和电容式孔板信号处理电路；振荡驱动电路经电容式孔板流量测量传感器与电容式孔板信号处理电路中的微小电容测量电路连接；电容式孔板信号处理电路包括微小电容测量电路、放大器、整流滤波电路和跟随器；微小电容测量电路的输入端与电容式孔板流量测量传感器相接，微小电容测量电路的输出端与放大器的输入端相接；放大器的输出端经整流滤波电路后与跟随器的输入端连接，跟随器的输出端与单片机的A/D转换通道相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置，其特征在于：所述的电容式孔板流量测量传感器，包括绝缘测量管（2）、金属孔板（4）和金属环（5）；绝缘测量管（2）的进水端为渐缩管结构；中间段尺寸不变，出水端为突然扩张管道结构；金属孔板（4）嵌于绝缘测量管（2）突然扩张管道外端面；金属环（5）套在出水端绝缘测量管（2）的大径管道外；一对励磁线圈（3）分别置于中间段管道外侧，电磁流量测量传感器有一对电极（6）在垂直于励磁线圈内的绝缘测量管（2）两侧，电磁流量测量传感器的一对电极（6）接到电磁信号处理电路中；金属孔板（4）和金属环（5）为电容式孔板流量测量传感器的一对电极，从金属孔板和金属环引出一对导线（7），电容式孔板流量测量传感器的一极接振荡驱动电路中放大器LM741的第6脚进行激励，另一极接微小电容测量电路中低功耗放大器LM124的第一路运算放大器OP07-1的第2脚；绝缘测量管（2）的两端面分别用法兰（1）通过各自的绝缘垫片或聚四氯乙烯塑胶片与系统管道相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置，其特征在于：所述的电容式孔板信号处理电路，包括微小电容测量电路、放大器、整流滤波电路和跟随器；低功耗运算放大器LM124共有四个运算放大器OP07；微小电容测量电路以低功耗运算放大器LM124的第一路运算放大器OP07-1为核心，第一路运算放大器OP07-1的第2脚经电容式孔板流量测量传感器与振荡驱动电路中放大器LM741的第6脚相接，第一路运算放大器OP07-1OP07-1的第1脚与放大器INA101的第10脚相接；整流滤波电路以第二个运算放大器OP07-2为核心，第二个运算放大器OP07-2的第5脚与放大器INA101的第8脚相接；第二个运算放大器OP07-2的第7脚与跟随器中第三个运算放大器OP07-3的第10脚相接，第三个运算放大器OP07-3的第8脚接入单片机的A/D转换通道中。

4.根据权利要求1所述的一种基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置，其特征在于：所述的振荡驱动电路，以放大器LM741为核心，放大器LM741的第6脚经电容式孔板流量测量传感器与第一路运算放大器OP07-1的第2脚相接。

5.根据权利要求1所述的一种基于电容式孔板流量测量与电磁流量测量的装置，其特征在于：所述的单片机，采用msp430f5438，为德州仪器公司生产的430系列16 位超低功耗微控制器；输出显示电路采用12864点阵带汉字液晶模块；通讯调试电路包括RS232接口和RS485接口；电容式孔板流量测量和电磁流量测量共用单片机电路、输出显示电路和通讯调试电路。