CN115752605A - 一种电磁流量计的磁路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁流量计的磁路系统，包括铁芯，所述铁芯的内侧缠绕设有励磁线圈，励磁线圈设置在被测导管的上方和下方，被测导管的两侧均设有电极，电极镶嵌设置在导管上；适用于不同励磁方式的信号处理，能够实现不同流量的监测和跟随，测量精确度高；通过对传感器数据的预处理，不需要进行长时间大数组形式保存，将最新的变量进行更新，占用存数空间少，计算效率高，得到流速信息准确；通过设置的磁路系统降低磁路系统的功耗，进一步提升散热能力；通过限定所述感应电动势与被测液体的流速和导管内的液体高度、导管的半径、励磁线圈的轴向长度之间的关系，进一步提高检测准确性，减少测量误差。

Description

一种电磁流量计的磁路系统

技术领域

本发明属于电磁流量计技术，尤其涉及一种电磁流量计的磁路系统。

背景技术

磁路系统产生均匀的直流或交流磁场。直流磁路用永久磁铁来实现，其优点是结构比较简单，受交流磁场的干扰较小，但它易使通过测量导管内的电解质液体极化，使正电极被负离子包围，负电极被正离子包围，即电极的极化现象，并导致两电极之间内阻增大，因而严重影响仪表正常工作。当管道直径较大时，永久磁铁相应也很大，笨重且不经济，所以电磁流量计一般采用交变磁场。

现有的电磁流量计信号处理方法的提出多是从信号的组成成分出发，以频域方式或时频域方式去除噪声干扰。采用数字滤波器进行处理时，适用范围有限，为了得到较高的测量精度，往往会减小滤波带宽，导致动态响应速度慢。采用小波变换等时频域结合方式处理信号时，由于处理器运算速度限制，难以实时实现，因此多用来对信号进行离线分析和信噪分离。采用相关原理的方法处理信号时，计算量较大，实时性差，且对于含有强非平稳噪声的信号无法得到可靠的处理效果。因此，现有的电磁流量计信号处理方法由于滤波参数限制、计算量大等因素，存在适用范围有限、难以快速跟踪变化流量的问题。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供了一种电磁流量计的磁路系统，适用于不同励磁方式的信号处理，能够实现不同流量的监测和跟随，测量精确度高。

本发明提供如下技术方案：

一种电磁流量计的磁路系统，包括铁芯，所述铁芯的内侧缠绕设有励磁线圈，励磁线圈设置在被测导管的上方和下方，被测导管的两侧均设有电极，电极镶嵌设置在导管上；

该系统还包括单片机，单片机设有电源模块、空管检测模块、显示模块、按键输入模块、脉冲输出模块、存储模块、励磁模块、采样模块、复位模块、时钟模块；所述励磁模块包括励磁电路，励磁电路接受励磁信号，将立此信号进行功率放大，为励磁线圈提供励磁电流，导管内的流体经过传感器将被测流体的流速信号转换成相应的电信号，电信号经过信号放大处理模块，将传感器输出的微弱电压信号放大，过滤干扰信号，提取有用信号，为A/D采样模块提供放大的电压模拟量，A/D采样模块将放大的电压模拟量转传成数字信号，传输到单片机内进行处理。

优选的，所述电源模块包括低电压监测模块，当系统的电压低于规定的电压值时，电源监测模块向单片机发出中断请求，在电压降到工作电压之前，将系统的监测参数保存到存储模块中。

优选的，按键输入模块和显示模块能够通过按键设置仪表运行的参数，同时能够在显示屏上查看瞬时流量和累计流量信息。

优选的，脉冲输出模块能够进行频率或者脉冲输出，主要用于计量检定，单片机没输出一个脉冲，代表测量的管道内流过一个当量体积的流体；频率输出主要用于对流量进行控制，输出的频率大小对应流量的百分比。

优选的，空管检测模块的检测过程为，在导管空管检测时，电极露在空气中，电极信号处于悬空状态，差分放大器的两同相输入端没有直流偏置会使运放输出电压处于饱和状态，A/D采集模块采集到的信号也是饱和状态。

优选的，导管满管时，差分放大器的两个相同输入端会有直流偏置，运放工作处于放大状态，在施加脉冲时进行分呀压，电容隔直滤波，运放不会达到饱和状态，从而与空管检测得到的信号明显区分

优选的，在导管空管检测时，传感器不施加励磁磁场，防止磁场在电极上产生感应电动势，影响检测的准确性。

优选的，信号处理模块接受到传感器输出的信号时，对接受的电流电压、电压信号进行预处理得到包含流速信息的结果，预处理的过程为：第一步，接受中断中读取的电流信号和电压信号，并标记当前周期采样点数的计数值n加1；第二步，判断当前的采样点是否处于矩形波的正半周期的后半段还是负半周期的后半段，若都不处于，返回第一步，若处于则进行下一步；第三步，对数字信号进行码值转换恢复成实际值后，判断电压信号值是否大于设定的阈值，若是，则将偏置调整到标志位位置，若不是，则进行下一步；第四步，对采集的电压信号进行带通滤波及相位三点幅值调节，同时判断当前周期是否经过偏置调整，若是，则在调节时使用上一周期的采样结果，若不是，则进行正常幅值解调；第五步，判断计算部分是否完成，若完成，则置位计算超时标志位，若不是，则完成预处理，将预处理完成计数值加1，并判断是否达到设定次数，若不是，则结束此次预处理，若是，将预处理完成标志位置位，之后将计算值清零，完成预处理过程。上述方法不需要进行长时间大数组形式保存，将最新的变量进行更新，占用存数空间少，计算效率高，得到流速信息准确。

优选的，励磁线圈的设置严重影响磁路系统的功耗，并且在磁路系统工作时需要良好的散热，为了降低磁路系统的功耗，进一步提升散热能力，所述励磁线圈的外尺寸A和长度B，线圈的厚度L之间与励磁线圈的内尺寸宽度a,内尺寸长度b之间满足：a=A-2L；b=B-2L；励磁线圈的平均周长c满足，c=(A+B)+(a+b)=2A+2B-4L；所述励磁线圈的铜线总长度S，与平均周长c、最大绕制匝数N之间满足，N=S/c；线圈厚度L与等效直径d、线圈厚度方向铜线根数n1之间满足，n1=L/d；线圈高度h方向的铜线根数n2满足，n2=N/n1；h= n2·d；线圈匝数N满足，N= n2·n1。

优选的，电磁流量计的导管被测液体不能总保证处于满管状态，液体的流速液不断变化，传统的流量计一般是按照满管进行测量的，且满足流速不变的前提下，此种方式会造成检测结果有较大的误差，为了进一步提高检测准确性，减少测量误差，导管中的被测液体的高度以及流速变化会对影响励磁线圈两端感应电动势的变化；所述感应电动势E与被测液体的流速v和导管内的液体高度H、导管的半径R、励磁线圈的轴向长度D之间满足，E=α·(D+R)Hv；上式中，E单位为伏特，D、R、H单位cm，v单位m/s；α为感应电动势系数，取值范围为0.36-1.25；上式为经验公式，只进行数值计算。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种电磁流量计的磁路系统，适用于不同励磁方式的信号处理，能够实现不同流量的监测和跟随，测量精确度高；通过对传感器数据的预处理，不需要进行长时间大数组形式保存，将最新的变量进行更新，占用存数空间少，计算效率高，得到流速信息准确；通过设置的磁路系统降低磁路系统的功耗，进一步提升散热能力；通过限定所述感应电动势与被测液体的流速和导管内的液体高度、导管的半径、励磁线圈的轴向长度之间的关系，进一步提高检测准确性，减少测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的励磁线圈结构示意图。

图3是本发明的控制系统框图。

图4是本发明的信号处理系统框图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-4所示，一种电磁流量计的磁路系统，包括铁芯2，所述铁芯2的内侧缠绕设有励磁线圈3，励磁线圈3设置在被测导管1的上方和下方，被测导管1的两侧均设有电极4，电极4镶嵌设置在导管1上；

该系统还包括单片机，单片机设有电源模块、空管检测模块、显示模块、按键输入模块、脉冲输出模块、存储模块、励磁模块、采样模块、复位模块、时钟模块；所述励磁模块包括励磁电路，励磁电路接受励磁信号，将立此信号进行功率放大，为励磁线圈3提供励磁电流，导管1内的流体经过传感器将被测流体的流速信号转换成相应的电信号，电信号经过信号放大处理模块，将传感器输出的微弱电压信号放大，过滤干扰信号，提取有用信号，为A/D采样模块提供放大的电压模拟量，A/D采样模块将放大的电压模拟量转传成数字信号，传输到单片机内进行处理。

所述电源模块包括低电压监测模块，当系统的电压低于规定的电压值时，电源监测模块向单片机发出中断请求，在电压降到工作电压之前，将系统的监测参数保存到存储模块中。按键输入模块和显示模块能够通过按键设置仪表运行的参数，同时能够在显示屏上查看瞬时流量和累计流量信息。脉冲输出模块能够进行频率或者脉冲输出，主要用于计量检定，单片机没输出一个脉冲，代表测量的管道内流过一个当量体积的流体；频率输出主要用于对流量进行控制，输出的频率大小对应流量的百分比。空管检测模块的检测过程为，在导管1空管检测时，电极4露在空气中，电极4信号处于悬空状态，差分放大器的两同相输入端没有直流偏置会使运放输出电压处于饱和状态，A/D采集模块采集到的信号也是饱和状态。导管1满管时，差分放大器的两个相同输入端会有直流偏置，运放工作处于放大状态，在施加脉冲时进行分呀压，电容隔直滤波，运放不会达到饱和状态，从而与空管检测得到的信号明显区分；在导管1空管检测时，传感器不施加励磁磁场，防止磁场在电极4上产生感应电动势，影响检测的准确性。

实施例二：

在实施例一的基础上，信号处理模块接受到传感器输出的信号时，对接受的电流电压、电压信号进行预处理得到包含流速信息的结果，预处理的过程为：第一步，接受中断中读取的电流信号和电压信号，并标记当前周期采样点数的计数值n加1；第二步，判断当前的采样点是否处于矩形波的正半周期的后半段还是负半周期的后半段，若都不处于，返回第一步，若处于则进行下一步；第三步，对数字信号进行码值转换恢复成实际值后，判断电压信号值是否大于设定的阈值，若是，则将偏置调整到标志位位置，若不是，则进行下一步；第四步，对采集的电压信号进行带通滤波及相位三点幅值调节，同时判断当前周期是否经过偏置调整，若是，则在调节时使用上一周期的采样结果，若不是，则进行正常幅值解调；第五步，判断计算部分是否完成，若完成，则置位计算超时标志位，若不是，则完成预处理，将预处理完成计数值加1，并判断是否达到设定次数，若不是，则结束此次预处理，若是，将预处理完成标志位置位，之后将计算值清零，完成预处理过程。上述方法不需要进行长时间大数组形式保存，将最新的变量进行更新，占用存数空间少，计算效率高，得到流速信息准确。

励磁线圈3的设置严重影响磁路系统的功耗，并且在磁路系统工作时需要良好的散热，为了降低磁路系统的功耗，进一步提升散热能力，所述励磁线圈3的外尺寸A和长度B，线圈的厚度L之间与励磁线圈3的内尺寸宽度a,内尺寸长度b之间满足：a=A-2L；b=B-2L；励磁线圈3的平均周长c满足，c=(A+B)+(a+b)=2A+2B-4L；所述励磁线圈3的铜线总长度S，与平均周长c、最大绕制匝数N之间满足，N=S/c；线圈厚度L与等效直径d、线圈厚度方向铜线根数n1之间满足，n1=L/d；线圈高度h方向的铜线根数n2满足，n2=N/n1；h= n2·d；线圈匝数N满足，N= n2·n1。

电磁流量计的导管1被测液体不能总保证处于满管状态，液体的流速液不断变化，传统的流量计一般是按照满管进行测量的，且满足流速不变的前提下，此种方式会造成检测结果有较大的误差，为了进一步提高检测准确性，减少测量误差，导管1中的被测液体的高度以及流速变化会对影响励磁线圈3两端感应电动势的变化；所述感应电动势E与被测液体的流速v和导管1内的液体高度H、导管1的半径R、励磁线圈3的轴向长度D之间满足，E=α·(D+R)Hv；上式中，E单位为伏特，D、R、H单位cm，v单位m/s；α为感应电动势系数，取值范围为0.36-1.25；上式为经验公式，只进行数值计算。

一种电磁流量计的磁路系统，适用于不同励磁方式的信号处理，能够实现不同流量的监测和跟随，测量精确度高；通过对传感器数据的预处理，不需要进行长时间大数组形式保存，将最新的变量进行更新，占用存数空间少，计算效率高，得到流速信息准确；通过设置的磁路系统降低磁路系统的功耗，进一步提升散热能力；通过限定所述感应电动势与被测液体的流速和导管内的液体高度、导管的半径、励磁线圈的轴向长度之间的关系，进一步提高检测准确性，减少测量误差。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电磁流量计的磁路系统，其特征在于：包括铁芯，所述铁芯的内侧缠绕设有励磁线圈，励磁线圈设置在被测导管的上方和下方，被测导管的两侧均设有电极，电极镶嵌设置在导管上；

该系统还包括单片机，单片机设有电源模块、空管检测模块、显示模块、按键输入模块、脉冲输出模块、存储模块、励磁模块、采样模块、复位模块、时钟模块；所述励磁模块包括励磁电路，励磁电路接受励磁信号，将立此信号进行功率放大，为励磁线圈提供励磁电流，导管内的流体经过传感器将被测流体的流速信号转换成相应的电信号，电信号经过信号放大处理模块，将传感器输出的微弱电压信号放大，过滤干扰信号，提取有用信号，为A/D采样模块提供放大的电压模拟量，A/D采样模块将放大的电压模拟量转传成数字信号，传输到单片机内进行处理。

2.根据权利要求1所述一种电磁流量计的磁路系统，其特征在于，所述电源模块包括低电压监测模块，当系统的电压低于规定的电压值时，电源监测模块向单片机发出中断请求，在电压降到工作电压之前，将系统的监测参数保存到存储模块中。

3.根据权利要求1所述一种电磁流量计的磁路系统，其特征在于，按键输入模块和显示模块能够通过按键设置仪表运行的参数，同时能够在显示屏上查看瞬时流量和累计流量信息。

4.根据权利要求1所述一种电磁流量计的磁路系统，其特征在于，脉冲输出模块能够进行频率或者脉冲输出，主要用于计量检定，单片机没输出一个脉冲，代表测量的管道内流过一个当量体积的流体；频率输出主要用于对流量进行控制，输出的频率大小对应流量的百分比。

5.根据权利要求1所述一种电磁流量计的磁路系统，其特征在于，空管检测模块的检测过程为，在导管空管检测时，电极露在空气中，电极信号处于悬空状态，差分放大器的两同相输入端没有直流偏置会使运放输出电压处于饱和状态，A/D采集模块采集到的信号也是饱和状态。

6.根据权利要求5所述一种电磁流量计的磁路系统，其特征在于，导管满管时，差分放大器的两个相同输入端会有直流偏置，运放工作处于放大状态，在施加脉冲时进行分呀压，电容隔直滤波，运放不会达到饱和状态，从而与空管检测得到的信号明显区分。

7.根据权利要求5述一种电磁流量计的磁路系统，其特征在于，在导管空管检测时，传感器不施加励磁磁场，防止磁场在电极上产生感应电动势，影响检测的准确性。

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