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电磁流量计

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高抗干扰性能的电磁流量计的结构设计

来源:作者:发表时间:2020-04-23 10:10:29

 3.1   电磁流量计结构设计 

3.1.1   主控芯片选型设计 
        该系统对主控芯片要求较高,因此本文选择 PHILIPS 公司生产的 ARM7 作为微处理器。其型号为 LPC2136,对于该芯片而言,首先可以对 32 位数据进行运算和处理,除此之外,它还具有仿真实时性以及跟踪目标的特点。其次,该主控芯片内部采用冯诺依曼结构,因而该芯片一方面可以高效工作,另一方面所消耗的资源较少。对于芯片的存储结构而言,其既具有高速 Flash 存储器[46],容量可达256KB, 32KB 片内静态 RAM 等存储结构,以满足工程需求。CPU 可直接将数据通过 SPI 总线与其他芯片进行通信,无需其他辅助芯片。因此选用 LPC2136 在降低成本的同时可以减小芯片功耗。 
 
3.1.2   励磁线圈设计 
        该部分的功能在于能够产生系统所需要的稳定的磁场。励磁线圈的组成十分简单,包括线圈以及磁扼。线圈的分类也有诸多参考标准,目前主要有两种形式,分别是分段绕制与集中绕制。下面对这两种方式进行详细叙述。 
 
1.线圈集中绕制方式 
        该方式主要通过"E”型骨架结构进行建立,对于这种结构而言,其主要采用集中绕制线圈的方式。通过该结构可以产生能够产生均匀磁场的磁极。为了保证整体磁场的均匀分布,可以采用中间段参数略大于测量管直径的方法。磁路的长度通常是指两个线圈结构之间的间隙,若要保证磁路长度的有效性,需要保证磁路长度大于线圈机构之间的间距,即工作磁阻需要大于漏磁磁阻,这样一来可保证磁场的损失率降低。当测量管的直径增加时,磁场的利用率会有一定程度的减小。因此,在选用“E”型结构的同时选用中小型测量管径的电磁流量计。在整个过程中,由于磁滞与涡流效应的存在,因此在选用构建材料时通常采用的是矽钢薄片,该薄片具有高磁导率的特点。 
 
 “E”型骨架在工程应用中较为突出的问题是漏磁率大,因此本文用如图 3.1
 
(b)所示的结构进行构建,该构建在中大型测量口径的流量计中普遍采用。 
 
2.线圈分段绕制方式 
 
        在实际的应用场景中,该绕制线圈的构建通常分为 5 个部分。鉴于该种情况,通常利用段式绕制线圈来进行构建,一方面可以保证磁场的均匀分布,另一方面可以保证磁场提供的稳定性。但是该种方式也会带来成本高以及制造流程复杂等问题。 
 
3.线圈的轴向要求 
        在第二章中详细阐述了涡流噪声产生的诸多原因,其中励磁线圈的轴向长度限制会在一定程度上导致电磁场分布不均匀,存在边缘效应等问题。针对该种情况,J.A.Shereliff 提出一种数学模型[4],具体公式如下所示:
电磁场数学模型
        在上式中,L 代表轴向长度,d 则表示管内半径,S 代表灵敏度,该参数具体是指当轴向长度为 L 时产生的磁场强度与 L 趋向于无限大时产生的磁场强度的商。下图表示的是当 L/d 是不同的值时,所产生的参数变化曲线。图中,虚线表示的是磁场出现间断消失的情况,实线则代表磁场趋向于变小的趋势。 
 
        从下图中可以得到如下结论:当比值为 2.8 或 3 的情况下,磁场灵敏度可以达到 1。该种情况下灵敏度最佳,磁场分布较为均匀。 
有限长度磁场的灵敏度 S 曲线
3.1.3   时钟模块设计 
        晶振的选择对于一个系统的稳定性至关重要,选择正确的晶振一方面可以提高系统的可靠性,另一方面可以降低系统的功耗。本文选择的 LPC2136 微处理芯片既可以借助外围电路实现该模块的设计,也可以利用芯片内部的 PLL 电路实现相应功能。因此,该模块实现方式多样且可以根据实际应用场景选择相应的实现方式。本文选择第一种实现方式,利用 11.0592MHz 晶振对时钟模块进行构建,电路如下图所示。 
外部晶振电路
 
3.1.4   检测电极设计 
        与接触式电磁流量计的相比,电容式流量计的最大差别在于产生感应电动势的方式以及检出方式不同。鉴于该种情况,检测电极的设计方式对于系统而言十分重要。 
 
        对于信号的检测可以利用 Abouelwafa 与 Kendall 所提出的理论[16],我们可以采用凹型电极耦合方式以提高系统的灵敏度。因此本文选择该方式制作电极,即基本模型如下图所示: 
检测电极的基本模型
 
        为了提高信号检测的灵敏度,同时降低电极之间的阻抗,本文采用如下图所示的电路图来建立阻抗模型:
检测电极之间阻抗模型
 
        如图 3.5 所示,电极之间的阻抗可表示为:
电极之间的阻抗
        式中:
电极之间的阻抗2
 
        在上式中,0ε 代表处于真空中时的介电常数;rt rwε 、ε 衬底为绝缘体时介电常数以及流体的对应参数;l 代表轴向长度;td 代表被测电极与流体之间的宽度;sd表示电极的厚度;D 为内径。 
 
        由上式可知,当频率一定的情况下,增大对应的周长宽度可以在一定程度上减小阻抗。但随着极板面积的增大,对应的张角α 相应增加,l 相应增长。在第二章中,我们分析可知,随着检测极板面积的增大,涡流效应也会越来越明显。 
 
 
3.1.5   电磁流量计的A/D 转换器设计 
        电磁流量计A/D 转换电路的功能主要在于能够将传感器采集到模拟量转化为电路可识别的数字量,从而方便后续电路对信号的处理以及计算。通常在由单片机构建的系统中,该转换电路的设计十分有必要,一方面系统需要利用传感器对外界模拟量进行采集,另一方面后续电路需要将模拟量转化为数字量,从而对数据进行分析,进一步进行数据的显示。A/D 转换器电路如图 3.5 所示。 
 
        本文选择 LM331 芯片作为搭建 A/D 转换单元的中心部件。该芯片一方面可以利用温度补偿来减小模拟量的损失,另一方面,低于 4.0V 电源保证了整个转换过程具有很高精度。除此之外,该芯片在保证造价低廉的前提下保证了低工作频率以及高线性度等特点,因此在同类芯片中具有一定的优势。 
 
        由下图可知,芯片 LM331 第 2 引脚出有两个电阻,分别为 R28,R29,这两个电阻的功能主要在于调节由 C17,R27 引起的误差,进而保证输出频率的准确性。LM308作为积分器来使用,其输出引脚 6 连接在 LM331 的引脚 7 上,其目的在于保证系统周期的稳定性。对于整体电路而言,芯片 LM331 的调节作用并不会影响电路的精度以及稳定性,且 LM331 所产生的偏置电流以及电压都不会对电路中的物理量产生影响。因此该电路比较适用于小信号电路。具体特征如下所述: 
(1)整体电路精确度高,误差较小(优于±0.02%); 
(2)电路线性度高(优于 0.03%); 
(3)电路不易受到温度的影响(最大±50ppm/℃); 
(4)电路安全性较高,并且具有一定的保护措施。 
A/D 转换电路原理图
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