一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置的製作方法

2023-07-16 02:47:41 1

專利名稱：一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種流量測量裝置，尤其是涉及一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置。
背景技術：
基於電磁流量計的諸多優點如:測量範圍度大；測量不受流體的密度、溫度、壓力、粘度、雷諾數等變化的影響；耐腐蝕性能好；測量原理線性，測量精度高；對流速分布要求低等。目前針對導電液體體積流量測量主要採用電磁流量測量技術的電磁流量計。如圖1所示，電磁流量測量是根據法拉第電磁感應定律，導電介質在管道內流動，切割磁力線，產生與磁場及流動方向垂直的感應電動勢。在結構上，電磁流量計有電磁流量傳感器和電磁流量轉換器兩部分組成。電磁流量傳感器安裝在工業管道上，主要由測量管、勵磁電路和一對電極組成。基於其原理和結構上的原因，在低流速小流量的情況下，由於檢測到的信號相對於幹擾信號很微弱，難以測量，因此引入高放大倍數的放大器。然而這樣就使得電磁流量計特別容易受外界電磁場的幹擾，即使是很微弱的幹擾在經過高倍放大後，對結果的影響也是巨大的。這樣勢必會大大地影響儀表的準確度，對控制系統的穩定性、可靠性也構成很大的隱患。如圖2所示，德國科隆公司電磁流量計在標準條件下測量誤差與流速的關係圖可知，當流速小於lm/s時，電磁流量計測量誤差明顯增大。因此，對於小流速，在原來管道上實現流量的精確測量目前仍是一個難題。為了保留電磁流量測量對導電液體體積流量測量具有的高精度、高準確性特點，同時彌補在低流速、小流量狀態下，測量精度不高的缺點，可以引入一個適用於小流量測量的流量測量系統，與電磁流量計相結合。傳統孔板流量計，可以應用於流體的小流量測量，其主要利用流體通過銳孔的節流作用，使流速增大 ，壓強減小，造成孔板前後形成壓強差，將這個壓強差作為測量的依據。差壓法孔板流量計因為其設計簡單、成本較低，所以被廣泛應用，但是這種帶差壓測量裝置的流量計會由於液體洩漏、隔膜材料彈性性能的改變、工藝流體的腐蝕性影響等原因而出錯，使測量結果不可靠。
發明內容本實用新型的目的是提供一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置，實現從小流量到大流量較寬範圍內導電液體流量的精確測量。本實用新型採用的技術方案是:本實用新型包括勵磁電路、電磁流量測量傳感器、電磁信號處理電路、單片機、輸出顯示電路和通訊調試電路；單片機分別與勵磁電路、輸出顯示電路和通訊調試電路連接；電磁流量測量傳感器的勵磁線圈與勵磁電路相連接，電磁流量測量傳感器的一對電極接到電磁信號處理電路中，電磁信號處理電路輸出端與單片機的A/D轉換通道相連接；其特徵在於:還包括振蕩驅動電路、電容式孔板流量測量傳感器和電容式孔板信號處理電路；振蕩驅動電路經電容式孔板流量測量傳感器與電容式孔板信號處理電路中的微小電容測量電路連接；電容式孔板信號處理電路包括微小電容測量電路、放大器、整流濾波電路和跟隨器；微小電容測量電路的輸入端與電容式孔板流量測量傳感器相接，微小電容測量電路的輸出端與放大器的輸入端相接；放大器的輸出端經整流濾波電路後與跟隨器的輸入端連接，跟隨器的輸出端與單片機的A/D轉換通道相連接。所述的電容式孔板流量測量傳感器，包括絕緣測量管、金屬孔板和金屬環；絕緣測量管的進水端為漸縮管結構；中間段尺寸不變，出水端為突然擴張管道結構；金屬孔板嵌於絕緣測量管突然擴張管道外端面；金屬環套在出水端絕緣測量管的大徑管道外；一對勵磁線圈分別置於中間段管道外側，電磁流量測量傳感器有一對電極在垂直於勵磁線圈內的絕緣測量管兩側，電磁流量測量傳感器的一對電極接到電磁信號處理電路中；金屬孔板和金屬環為電容式孔板流量測量傳感器的一對電極，從金屬孔板和金屬環引出一對導線，電容式孔板流量測量傳感器的一極接振蕩驅動電路中放大器LM741的第6腳進行激勵，另一極接微小電容測量電路中低功耗放大器LM124的第一路運算放大器0P07-1的第2腳；絕緣測量管的兩端面分別用法蘭通過各自的絕緣墊片或聚四氯乙烯塑膠片與系統管道相連接。所述的電容式孔板信號處理電路，包括微小電容測量電路、放大器、整流濾波電路和跟隨器；低功耗運算放大器LM124共有四個運算放大器0P07 ;微小電容測量電路以低功耗運算放大器LM124的第一路運算放大器0P07-1為核心，第一路運算放大器0P07-1的第2腳經電容式孔板流量測量傳感器與振蕩驅動電路中放大器LM741的第6腳相接，第一路運算放大器0P07-10P07-1的第I腳與放大器INAlOl的第10腳相接；整流濾波電路以第二個運算放大器0P07-2為核心，第二個運算放大器0P07-2的第5腳與放大器INAlOl的第8腳相接；第二個運算放大器0P07-2的第7腳與跟隨器中第三個運算放大器0P07-3的第10腳相接，第三個運算放大器0P07-3的第8腳接入單片機的A/D轉換通道中。所述的振蕩驅動電路，以放大器LM741為核心，放大器LM741的第6腳經電容式孔板流量測量傳感器與第一 路運算放大器0P07-1的第2腳相接。所述的單片機，採用msp430f5438，為德州儀器公司生產的430系列16位超低功耗微控制器；輸出顯示電路採用12864點陣帶漢字液晶模塊；通訊調試電路包括RS232接口和RS485接口 ；電容式孔板流量測量和電磁流量測量共用單片機電路、輸出顯示電路和通訊調試電路。本實用新型具有的有益效果是:I)新增加的電容式孔板流量測量，適用於低流速、小流量導電液體的體積流量測量。本測量裝置在傳統電磁流量測量的基礎上，增加了電容式孔板流量測量，使該流量測量裝置在空管檢測或工程運行初期流速偏低時，使用電容式孔板流量測量系統對小流量進行計量。當流速增大到某一數值時，開啟電磁流量測量勵磁電路，關閉電容式孔板流量測量系統，保證測量精度。本裝置一方面保持了電磁流量測量對導電液體體積流量測量具有的高精度，高準確性特點，同時彌補了在低流速、小流量狀態下，測量精度不高的缺點。2)採用兩套控制系統，電容式孔板流量測量系統和電磁流量測量系統，互不影響。電容式孔板流量測量系統對傳統電磁流量勵磁電路不造成任何影響。本裝置中的電容式孔板流量測量系統，不需要差壓測量裝置，因而避免了差壓法孔板流量計會由於液體洩漏、隔膜材料彈性性能的改變、導電液體的腐蝕性影響等原因而出錯的問題，結構簡單，實現成本低，功耗低。

圖1電磁流量計工作原理示意圖。圖2是德國科隆公司電磁流量計在標準條件下測量誤差與流速的關係圖。圖3是本實用新型的主視圖。圖4是圖3的A-A局部剖視圖。圖5是本實用新型的結構原理框圖。圖6是本實用新型的電容式孔板流量測量信號處理電路圖。圖7是本實用新型的振蕩驅動電路圖。圖中:1、法蘭，2、絕緣測量管，3、勵磁線圈，4、金屬孔板，5、金屬環，6、電極，7、導線具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。如圖5所示，本實用新型包括勵磁電路、電磁流量測量傳感器、電磁信號處理電路、msp430f5438單片機、輸出顯示電路、通訊調試電路；msp430f5438單片機分別與勵磁電路、輸出顯示電路和通訊調試電路連接；電磁流量測量傳感器的勵磁線圈與勵磁電路相連接，電磁流量測量傳感器的一對電極接到電磁信號處理電路中，電磁信號處理電路輸出端與單片機的A/D轉換通道相連接。此外，還包括振蕩驅動電路、電容式孔板流量測量傳感器和電容式孔板信號處理電路；振蕩驅動電路經電容式孔板流量測量傳感器與電容式孔板信號處理電路中的微小電容·測量電路輸入端相連接；電容式孔板信號處理電路包括微小電容測量電路、放大器、整流濾波電路和跟隨器；微小電容測量電路的輸入端與電容式孔板流量測量傳感器相接，微小電容測量電路的輸出端與放大器的輸入端相接；放大器的輸出端經整流濾波電路後與跟隨器的輸入端連接，跟隨器的輸出端與單片機的A/D轉換通道相連接。如圖3、圖4所示，所述的電容式孔板流量測量傳感器，包括絕緣測量管2、金屬孔板4和金屬環5 ;絕緣測量管2的進水端為漸縮管結構，管道直徑逐漸由大變小；中間段尺寸不變，出水端為突然擴張管道結構，管道直徑突然由小變大；金屬孔板4嵌於絕緣測量管2突然擴張管道外端面；金屬環5套在出水端絕緣測量管2的大徑管道外；一對勵磁線圈3分別置於中間段管道外側，電磁流量測量傳感器有一對電極6在垂直於勵磁線圈內的絕緣測量管兩側，電磁流量測量傳感器的一對電極6為良導電性的金屬電極，材質為不鏽鋼、鈦合金等耐腐蝕材質，電磁流量測量傳感器的一對電極6接到電磁信號處理電路中；金屬孔板4和金屬環5為電容式孔板流量測量傳感器的一對電極，從金屬孔板和金屬環引出一對導線7，電容式孔板流量測量傳感器的一極接振蕩驅動電路中放大器LM741的第6腳進行激勵，另一極接微小電容測量電路中低功耗放大器LM124的第一路運算放大器0P07-1的第2腳；絕緣測量管2的兩端面分別用法蘭I通過各自的絕緣墊片或聚四氯乙烯塑膠片與系統管道相連接。如圖6所示，所述的電容式孔板信號處理電路，包括微小電容測量電路、放大器、整流濾波電路和跟隨器；低功耗運算放大器LM124共有四個運算放大器0P07。微小電容測量電路以低功耗運算放大器LM124的第一路運算放大器0P07-1為核心，第一路運算放大器0P07-1的第2腳與電容式孔板流量測量傳感器的一個電極相接，第一路運算放大器0P07-1的第I腳與放大器INAlOl的第10腳相接，電阻R5與電容C6並聯，一端接第一路運算放大器0P07-1的第I腳，另一端接第一路運算放大器0P07-1的第2腳。放大器INAlOl對微小電容測量電路輸出的電壓信號進行一級放大，放大器INAlOl的第9腳與正電源相接，放大器INAlOl的第6腳與負電源相接；正電源與放大器INAlOl的第9腳，負電源與放大器INAlOl的第6腳之間分別接一個高頻濾波電容。放大器INAlOl的第1、4腳之間接一個劃線變阻器R6用來調節放大器的增益，放大器INAlOl的第10腳為負輸入端與第一路運算放大器0P07-1的第I腳相接，放大器INAlOl的第5腳接地，放大器INAlOl的第8腳為輸出端，放大器INAlOl第8腳經電阻R7連接第二個運算放大器0P07-2的第5腳。整流濾波電路以第二個運算放大器OP07-2為核心，二極體D1、D2反向且並聯，並聯後的兩個二極體Dl和D2 —端接第二個運算放大器0P07-2的第6腳，另一端接第二個運算放大器0P07-2的第7腳，第二個運算放大器0P07-1的第7腳通過電阻R8和電容C5並聯接地。第二個運算放大器0P07-2的第7腳通過R9與第三個運算放大器0P07-3的第10腳相接。跟隨器以第三個運算放大器0P07-3為核心，第三個運算放大器0P07-3的第9腳與第三個運算放大器0P07-3的第8腳直接相接，第三個運算放大器0P07-3的第8腳為輸出端，第三個運算放大器0P07-3的第8腳連接msp430f5438單片機的一路A/D轉換通道。如圖7所示，所述的振蕩驅動電路以LM741為核心，LM741的第6腳輸出端與電容式孔板流量測量傳感器的一個電極相接；電阻R4 —端接LM741的第3腳，另一端接地；劃線變阻器R3 —端接LM741的第6腳，另一端接LM741的第3 ；電阻R2與電容C2並聯，一端接地，另一端接LM741的第2腳；電阻Rl與電容Cl串聯，一端接LM741的第6腳，一端接LM741的第2腳。電容式孔板流量測量傳感器的另一個電極接微小電容測量電路中第一路運算放大器0P07-1的第2腳。如圖5所示，勵磁電路是有恆流源驅動一個H橋路，電流波形以方波、正弦波、三值波等形式產生一個交變磁場，導電液體在磁場中切割磁力線，在電磁流量測量傳感器兩電極上感應出幾十微伏至幾毫伏的交變電壓信號，經電磁信號處理電路中的差分放大器、低通和高通濾波器和增益放大器與msp430f5438單片機相接，實現信號的放大去噪處理，提高信噪比。同樣，在振蕩驅動電路提供的穩定正弦信號的激勵下，電容式孔板流量測量傳感器的電容信號反應導電液體流量大小，經電容式孔板處理電路中微小電容測量電路、放大器、整流濾波電路和跟隨器與msp430f5438單片機相接，實現信號的放大去噪處理，提高信噪比。通訊調試模塊包括RS232接口和RS485接口，根據用戶需要選擇相應的通訊方式，方便與上位機進行通訊。輸出顯示電路採用12864點陣帶漢字液晶模塊。本實用新型引入電容式孔板流量測量系統。根據物理學原理可知，改變電容傳感器兩極板間距離d、有效相對面積s或者極間介質常數e，均可使該電容容量值發生變化。本實用新型的電容式孔板流量測量方法基於變介質常數型電容傳感器的原理。由嵌入絕緣測量管突然擴張管道部位內部的金屬孔板和與該孔板距離相近的環繞大經測量管的金屬環組成集總電容Cx。當導電液體流經管道的突然擴張管道時，由於導電液體所受的壓力的突然減小，導電液體不能充滿 使導電液體呈流動發散狀態。當導電液體流量大小不同時，經過突然擴張管道後導電液體的發散程度不同，因而孔板與金屬環之間的電介質隨流量大小變化而變化。於是，由孔板和金屬環組成的集總電容容量大小也就隨流量大小變化而變化。那麼，所形成的集總電容的容量大小是通過測量管的導電液體的流量的函數。測量裝置安裝完成後，測量管材料、測量管直徑、孔板直徑、孔板與金屬環相對位置等因素確定。在外界環境溫度、外部電壓激勵等因素不變的情況下，集總電容Cx的大小只是流量q的函數，即:Cx=Cx(q)，利用Cx與流量q之間的函數關係來實現對導電液體流量的精確測量。這就是電容式孔板流量測量技術的理論基礎。該流量測量系統在空管檢測或工程運行初期流速偏低時，停止電磁流量測量系統，切換到電容式孔板流量測量系統，電磁流量傳感器、勵磁電路和電磁信號處理電路都不工作，實現完全的電容式孔板流量測量。當流速增大到達某一數值時，停止電容式孔板流量測量系統，切換到電磁流量測量系統，電磁流量傳感器、勵磁電路和電磁信號處理電路都開始工作，而電容式孔板流量測量傳感器、振蕩驅動電路和電容式孔板信號處理電路則停止工作。這樣，既保留了電磁流量測量對導電液體體積流量測量具有的高精度，高準確性特點，同時彌補了其在低流速、小流量狀態下，測量精度不高的缺點。這就是基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量方法的工作原理。所述的單片機採用msp430f5438，為德州儀器公司生產的430系列16位超低功耗微控制器；輸出顯示電路採用12864點陣帶漢字液晶模塊；通訊調試電路包括RS232接口和RS485接口 ；電容 式孔板流量測量和電磁流量測量共用單片機電路、輸出顯示電路和通訊調試電路。
權利要求1.一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置，包括勵磁電路、電磁流量測量傳感器、電磁信號處理電路、單片機、輸出顯示電路和通訊調試電路；單片機分別與勵磁電路、輸出顯示電路和通訊調試電路連接；電磁流量測量傳感器的勵磁線圈與勵磁電路相連接，電磁流量測量傳感器的一對電極接到電磁信號處理電路中，電磁信號處理電路輸出端與單片機的A/d轉換通道相連接；其特徵在於:還包括振蕩驅動電路、電容式孔板流量測量傳感器和電容式孔板信號處理電路；振蕩驅動電路經電容式孔板流量測量傳感器與電容式孔板信號處理電路中的微小電容測量電路連接；電容式孔板信號處理電路包括微小電容測量電路、放大器、整流濾波電路和跟隨器；微小電容測量電路的輸入端與電容式孔板流量測量傳感器相接，微小電容測量電路的輸出端與放大器的輸入端相接；放大器的輸出端經整流濾波電路後與跟隨器的輸入端連接，跟隨器的輸出端與單片機的A/D轉換通道相連接。
2.根據權利要求1所述的一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置，其特徵在於:所述的電容式孔板流量測量傳感器，包括絕緣測量管(2)、金屬孔板(4)和金屬環(5);絕緣測量管(2)的進水端為漸縮管結構；中間段尺寸不變，出水端為突然擴張管道結構；金屬孔板(4)嵌於絕緣測量管(2)突然擴張管道外端面；金屬環(5)套在出水端絕緣測量管(2)的大徑管道外；一對勵磁線圈(3)分別置於中間段管道外側，電磁流量測量傳感器有一對電極(6)在垂直於勵磁線圈內的絕緣測量管(2)兩側，電磁流量測量傳感器的一對電極(6)接到電磁信號處理電路中；金屬孔板(4)和金屬環(5)為電容式孔板流量測量傳感器的一對電極，從金屬孔板和金屬環引出一對導線(7)，電容式孔板流量測量傳感器的一極接振蕩驅動電路中放大器LM741的第6腳進行激勵，另一極接微小電容測量電路中低功耗放大器LM124的第一路運算放大器0P07-1的第2腳；絕緣測量管(2)的兩端面分別用法蘭(I)通過各自的絕緣墊片或聚四氯乙烯塑膠片與系統管道相連接。
3.根據權利要求1所述的一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置，其特徵在於:所述的電容式孔板信號處理電路，包括微小電容測量電路、放大器、整流濾波電路和跟隨器；低功 耗 運算放大器LM124共有四個運算放大器0P07 ;微小電容測量電路以低功耗運算放大器LM124的第一路運算放大器0P07-1為核心，第一路運算放大器0P07-1的第2腳經電容式孔板流量測量傳感器與振蕩驅動電路中放大器LM741的第6腳相接，第一路運算放大器0P07-10P07-1的第I腳與放大器INAlOl的第10腳相接；整流濾波電路以第二個運算放大器0P07-2為核心，第二個運算放大器0P07-2的第5腳與放大器INAlOl的第8腳相接；第二個運算放大器OP07-2的第7腳與跟隨器中第三個運算放大器0P07-3的第10腳相接，第三個運算放大器0P07-3的第8腳接入單片機的A/D轉換通道中。
4.根據權利要求1所述的一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置，其特徵在於:所述的振蕩驅動電路，以放大器LM741為核心，放大器LM741的第6腳經電容式孔板流量測量傳感器與第一路運算放大器OP07-1的第2腳相接。
5.根據權利要求1所述的一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置，其特徵在於:所述的單片機，採用msp430f5438，為德州儀器公司生產的430系列16位超低功耗微控制器；輸出顯示電路採用12864點陣帶漢字液晶模塊；通訊調試電路包括RS232接口和RS485接口 ；電容式孔板流量測量和電磁流量測量共用單片機電路、輸出顯示電路和通訊調試電路。
專利摘要本實用新型公開了一種基於電容式孔板流量測量與電磁流量測量的裝置。包括勵磁電路、電磁流量測量傳感器、電磁信號處理電路、430單片機、輸出顯示電路和通訊調試電路。還包括振蕩驅動電路、電容式孔板流量測量傳感器和電容式孔板信號處理電路；振蕩驅動電路經電容式孔板流量測量傳感器與電容式孔板信號處理電路的輸入端連接；電容式孔板信號處理電路的輸出端與單片機的A/D轉換通道相連接。本實用新型在傳統電磁流量計的基礎上增加電容式孔板流量測量系統，一方面保持了電磁流量測量對導電液體體積流量測量具有的高精度，高準確性特點，同時彌補了在低流速、小流量狀態下測量精度不高的缺點。
文檔編號G01F1/34GK203116776SQ20132010160
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月6日 優先權日2013年3月6日
發明者劉鐵軍, 張光明 申請人:中國計量學院