专利名称：基于桥式流量测量与电磁流量测量的流量测量装置的制作方法
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桥式流量测量与电磁流量测
量的流量测量装置。
背景技术：
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。电磁流量测量是根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动且切割磁力线时，导体两端会产生感应电动势。设在均勻磁场中，垂直于磁场有一个直径为D的管道。管道内表面有绝缘村里，当导电介质在管道内流动时，切割磁力线，因而会产生与磁场及流动方向垂直的感应电动势。该感应电动势由测量管壁上的一对电极检测到，如图1所示，其值为E = KB^D(1-1)式中E——感应电动势，V ；B——磁感应强度，T ；D——测量管内径，m ； 7——平均流速，m/s ；K——仪表常数；qv =^D2V(1-2)qv——体积流量，mL/s ；(1-1)式代入(1-2)式，得 ^ 4 B
_2](1.3)
_3]或qv=*Df(1.4)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。电磁流量传感器主要由测量管、励磁系统和一对电极组成。它安装在工业过程管道上，它的作用是将流进管道内的液体体积流量值线性地变换成感生电动势，并通过传输线将此信号传输到转换器。转换器安装在离传感器不远的地方，作用是把传感器传送过来的流量信号放大并转化成与被测介质体积流量成正比的4-20mA的标准电流信号以进行显示、累积和调节控制。一般工业管道如果输送水等粘度不高的流体，流速一般设计在经济流速1. 5 3m/s之间。电磁流量计用在这样的管道上，可选电磁流量计传感器口径与管径相同。电磁流量计满度计量时的液体流速在1 lOm/s范围内，电磁流量计的上限流速在原理上并无限制，但实际使用中，通常很少超过7m/s，超过lOm/s的更为罕见。满度流量流速下限一般为 lm/s。电磁流量计具有很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
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。 当流速小于lm/s时，测量误差明显增大。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。如某些工程运行初期流速偏低，从测量精度出发，仪表口径应改用小管径，用变径管连接到管径上。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。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于桥式流量测量与电磁流量测量的流量测量装置。在传统电磁流量测量励磁系统的基础上增加桥式流量测量系统，桥式流量测量对于电磁流量测量，它不需要励磁系统，结构简单，实现成本低，对电磁流量测量的励磁系统不产生任何的影响。本发明采用的技术方案是本发明包括励磁系统、电磁流量测量传感器、电磁信号处理电路、A/D转换器、ARM 微处理器、D/A转换器、输出显示电路和通讯调试电路；ARM微处理器分别与励磁系统、A/ D转换电路器、D/A转换器、输出显示电路和通讯调试电路连接；电磁流量测量传感器一路与励磁系统连接，另一路经电磁信号处理电路和A/D转换器连接；其特征在于还包括振荡驱动电路、桥式流量测量传感器和桥式信号处理电路；桥式信号处理电路中的跟随器与A/ D转换器连接，振荡驱动电路经桥式流量测量传感器与桥式信号处理电路中的放大器连接； 桥式信号处理电路包括放大器、整流滤波电路、零点校准电路和跟随器；放大器的一端与桥式信号处理电路连接，放大器的另一端经整流滤波电路和零点校准电路后与跟随器的一端连接，跟随器的另一端与A/D转换器连接。所述的桥式流量测量传感器有两对电极，两对电极分别放置在测量管轴向截面的电磁流量测量传感器的一对电极的两侧，桥式流量测量传感器的两对电极和电磁流量测量传感器的一对电极位于同一轴向截面内；桥式流量测量传感器的两对电极之间的集总参数阻抗组成惠斯登电桥，一组对角电极中的一个接地，另一个接振荡驱动电路LM741的第6脚进行激励，另一组对角电极接放大器INAlOl的第10、5脚；测量管内表面有绝缘衬里，测量管的两端面用法兰通过绝缘垫片或聚四氯乙烯塑胶片分别与两端被测管道连接。所述的振荡驱动电路以LM741为核心，LM741的第6脚输出端与桥式流量测量传感器的一组对角电极的一个电极相接，一组对角电极的另一个电极接地，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的一个电极接放大器INAlOl的第5脚，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的另一个电极接放大器INAlOl的第10脚。所述的桥式信号处理电路中，低功耗运算放大器LMlM共有四个运算放大器 0P07，其中作为整流滤波电路的第一个运算放大器0P07-1的第3脚与放大器INAlOl的第8脚相接，第一个算放大器0P07-1的第1脚与作为零点校准电路的第二个运算放大器 0P07-2的第6脚相接；第二个运算放大器0P07-2的第7脚与作为跟随器的第三个运算放大器0P07-3的第10脚相接，第三个运算放大器0P07-3的第8脚通过A/D转换器输入ARM微处理器。所述的ARM微处理器采用32位的ARM处理器，为Philips公司的LPC2106为主的 CPU或Atmel公司推出的针对嵌入式应用的工业级32位ARM嵌入式处理器，A/D转换器采用ADI公司的AD7715 ；D/A转换器采用4_20mA的输出模块AD421芯片；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 ；桥式流量测量和电磁流量测量共用以上电路。本发明具有的有益效果是1)新增加的桥式流量测量，适用于lm/s以下的低流速、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，增加了桥式流量测量，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，使用桥式流量测量系统对小流量进行计量。当流速增大到一定程度时，开启电磁流量测量励磁系统，关闭桥式流量测量系统，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，测量精度不高的特性。2)采用两套控制系统，桥式流量测量系统和电磁流量测量系统，互不影响。桥式流量测量系统对传统电磁流量励磁系统不造成任何影响。本装置中的桥式流量测量系统，不需要励磁线圈，结构简单，实现成本低。
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剖视图。图5是电磁流量计的结构原理框图。图6是本发明的结构原理框图。图7是本发明的桥式流量测量四电极集总参数阻抗网示意图。图8是本发明的桥式信号处理电路图。图9是本发明的振荡驱动电路图。。图中1、励磁线圈，2、法兰，3、电极，4、测量管，5、绝缘衬里。
具体实施例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、图6所示，本发明包括励磁系统、电磁流量测量传感器、电磁信号处理电路、A/D转换器、ARM微处理器、D/A转换器、输出显示电路、通讯调试电路；ARM微处理器分别与励磁系统、A/D转换电路器、D/A转换器、输出显示电路和通讯调试电路连接；电磁流量测量传感器一路与励磁系统连接，另一路经电磁信号处理电路和A/D转换器连接；还包括振荡驱动电路、桥式流量测量传感器和桥式信号处理电路；桥式信号处理电路中的跟随器与A/D转换器连接，振荡驱动电路经桥式流量测量传感器与桥式信号处理电路中的放大器连接；桥式信号处理电路包括放大器、整流滤波电路、零点校准电路和跟随器，如图6所示； 放大器的一端与桥式信号处理电路连接，放大器的另一端经整流滤波电路和零点校准电路后与跟随器的一端连接，跟随器的另一端与A/D转换器连接。励磁系统是有恒流源驱动一个H桥路，电流波形为方波、正弦波、三值波等形式产生一个交变磁场，导电流体在磁场中切割磁力线，在桥式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，经差分放大器、低通和高通滤波器、增益放大器以及A/ D转换器与ARM微处理器相接，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， 4-20mA的输出模块选用AD421芯片，可直接将数字信号转换成电流信号输出，并预留HART 协议通讯接口。如图3、图4、图7所示，所述的桥式流量测量传感器有两对电极3，两对电极3分别放置在测量管4轴向截面的电磁流量测量传感器的一对电极的两侧，桥式流量测量传感器的两对电极和电磁流量测量传感器的一对电极位于同一轴向截面内；桥式流量测量传感器的两对电极之间的集总参数阻抗组成惠斯登电桥，这两对电极不需要在励磁系统的励磁线圈产生的磁场作用域内，一组对角电极A、D中的一个接地，另一个接振荡驱动电路LM741 的第6脚进行激励，另一组对角电极B、C接放大器INAlOl的第10、5脚；测量管4内表面有绝缘衬里5，测量管的两端面的法兰2通过绝缘垫片或聚四氯乙烯塑胶片分别与两端被测管道连接，电磁流量测量传感器的一对电极的上下两侧分别置有励磁线圈1。如图7、图9所示，所述的振荡驱动电路以LM741为核心，LM741的第6脚输出端与桥式流量测量传感器的一组对角电极的一个电极A相接，一组对角电极的另一个电极D接地，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的一个电极C接放大器INAlOl的第5脚，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的另一个电极B接放大器INAlOl的第10脚。电阻R6 — 端接LM741的第3脚，另一端接地。划线变阻器R5 —端接LM741的第6脚，另一端接LM741 的第3。电阻R4与电容C2并联，一端接地，另一端接LM741的第2脚，电阻R3与电容Cl串联，一端接LM741的第6脚，一端接LM741的第2脚。如图8所示，所述的桥式信号处理电路中，低功耗运算放大器LMlM共有四个运算放大器0P07，其中作为整流滤波电路的第一个运算放大器0P07-1的第3脚与放大器 INAlOl的第8脚相接，第一个运算放大器0P07-1的第1脚与作为零点校准电路的第二个运算放大器0P07-2的第6脚相接；第二个运算放大器0P07-2的第7脚与作为跟随器的第三个运算放大器0P07-3的第10脚相接，第三个运算放大器0P07-3的第8脚通过A/D转换器输入ARM微处理器。桥式信号处理电路图由放大器、整流滤波电路、零点校准电路和跟随器组成。低功耗运算放大器LMlM共有四个运算放大器0P07，放大器INAlOl对输出电压进行一级放大， 放大器INAlOl的第9脚与正电源相接，放大器INAlOl的第6脚与负电源相接，正电源与放大器INAlOl的第9脚，负电源与放大器INAlOl的第6脚之间分别接一个高频滤波电容。放大器INAlOl的第1、4脚之间接一个划线变阻器R8用来调节放大器的增益，放大器INAlOl 的第10脚为负输入端，放大器INAlOl的第5脚为正输入端。放大器INAlOl的第8脚为输出端。整流滤波电路以第一个运算放大器0P07-1为核心，电阻R9的一端接放大器INAlOl 的第8脚，电阻R9的另一端接第一个运算放大器0P07-1的第3脚，二极管Dl、D2反向，一端接第一个运算放大器0P07-1的第2脚，另一端接第一个运算放大器0P07-1的第1脚。 第一个运算放大器0P07-1的第1脚通过电阻RlO和电容C5并联接地。零点校准电路以第二个运算放大器0p07-2为核心，电阻r13 —端接第二个运算放大器0p07-2的第6脚，另一端接第二个运算放大器0p07-2的第7脚，电阻r14 —端接第一个运算放大器0p07-1的第 1脚，另一端接第二个运算放大器0p07-2的第6脚，第二个运算放大器0p07-2的第7脚为输出端，划线变阻器rll—端接正电源，另一端接负电源，同时与电阻r12 —端相接再接第二个运算放大器0p07-2的第5脚，第二个运算放大器0p07-2的第5脚通过r15接地，第二个运算放大器0p07-2的第7脚通过r16与跟随器以第三个运算放大器0p07-3的第10脚相接，第三个运算放大器0p07-3的第9脚与第三个运算放大器0p07-3的第8脚直接相接， 同时，第三个运算放大器op07-3的第8脚为输出端。本发明引入桥式流量测量系统，金属电极在电解质流体中存在电化学现象。根据电化学原理，电极与流体间存在界面电场，电极与流体的界面是电极与流体相间存在的双电层所引起的。对电极与流体界面电场的研究发现物质的分子、原子和离子在界面具有富集或贫乏的吸附现象，而且发现大多数无机阴离子是表面活性物质，具有典型的离子吸附规律，而无机阳离子的表面活性很小。由于极化阻抗导致电势差，如果一个小信号交流电激励在一组对角电极上，这个交流电压与两电极之间的两个半电势相叠加，同时流体中的离子从一个电极流向另一个电极，电流密度受限于两电极之间的极化阻抗和欧姆阻抗。此外， 如果流体是沿测量管道方向从一个电极流向另一电极，离子随着流体移动，由于速度梯度产生的粘性力作用，电流密度最终达到动态平衡。因此，电极间的集总参数阻抗取决于极化阻抗，欧姆阻抗，流体的速度梯度阻抗。对于固定的系统极化阻抗和欧姆阻抗被认为恒定， 穿过管道流体横截面的速度梯度取决于流体的速率。如图7所示，桥式流量测量四电极集总参数阻抗网，假设轴向截面两两对称的四电极之间存在四个集总参数阻抗，当导电液体以层流小流量状态流过水平放置的测量管道时，假设它没有沿着直径方向的流速单元，因此，电极a、c之间的集总参数阻抗z1和电极b、 d之间的集总参数阻抗z3为常量。电极a、b之间的集总参数阻抗z2和电极c、d之间的集总参数阻抗z4随流体速度梯度而变化。因此，根据惠斯登电桥原理，一对角方向的两电极通以恒定交流电，而另一对角电极的输出随导电液体的流速而变化。在电极a、d之间提供固定频率的交流电压vs，由于测量电路具有高输入阻抗，桥路电压输出信号\为
权利要求
1.一种基于桥式流量测量与电磁流量测量的流量测量装置，包括励磁系统、电磁流量测量传感器、电磁信号处理电路、A/D转换器、ARM微处理器、D/A转换器、输出显示电路和通讯调试电路；ARM微处理器分别与励磁系统、A/D转换电路器、D/A转换器、输出显示电路和通讯调试电路连接；电磁流量测量传感器一路与励磁系统连接，另一路经电磁信号处理电路和A/D转换器连接；其特征在于还包括振荡驱动电路、桥式流量测量传感器和桥式信号处理电路；桥式信号处理电路中的跟随器与A/D转换器连接，振荡驱动电路经桥式流量测量传感器与桥式信号处理电路中的放大器连接；桥式信号处理电路包括放大器、整流滤波电路、零点校准电路和跟随器；放大器的一端与桥式信号处理电路连接，放大器的另一端经整流滤波电路和零点校准电路后与跟随器的一端连接，跟随器的另一端与A/D转换器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于桥式流量测量与电磁流量测量的流量测量装置，其特征在于所述的桥式流量测量传感器有两对电极，两对电极分别放置在测量管轴向截面的电磁流量测量传感器的一对电极的两侧，桥式流量测量传感器的两对电极和电磁流量测量传感器的一对电极位于同一轴向截面内；桥式流量测量传感器的两对电极之间的集总参数阻抗组成惠斯登电桥，一组对角电极(A、D)中的一个接地，另一个接振荡驱动电路LM741 的第6脚进行激励，另一组对角电极(B、C)接放大器INAlOl的第10、5脚；测量管内表面有绝缘衬里，测量管的两端面用法兰通过绝缘垫片或聚四氯乙烯塑胶片分别与两端被测管道连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于桥式流量测量与电磁流量测量的流量测量装置，其特征在于所述的振荡驱动电路以LM741为核心，LM741的第6脚输出端与桥式流量测量传感器的一组对角电极的一个电极(A)相接，一组对角电极的另一个电极(D)接地，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的一个电极(C)接放大器INAlOl的第5脚，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的另一个电极(B)接放大器INAlOl的第10脚。
4.根据权利要求1所述的一种基于桥式流量测量与电磁流量测量的流量测量装置， 其特征在于所述的桥式信号处理电路中，低功耗运算放大器LMlM共有四个运算放大器 0P07，其中作为整流滤波电路的第一个运算放大器0P07-1的第3脚与放大器INAlOl的第 8脚相接，第一个运算放大器0P07-1的第1脚与作为零点校准电路的第二个运算放大器 0P07-2的第6脚相接；第二个运算放大器0P07-2的第7脚与作为跟随器的第三个运算放大器0P07-3的第10脚相接，第三个运算放大器0P07-3的第8脚通过A/D转换器输入ARM 微处理器。
5.根据权利要求1所述的一种基于桥式流量测量与电磁流量测量的流量测量装置，其特征在于所述的ARM微处理器采用32位的ARM处理器，为Philips公司的LPC2106为主的CPU或Atmel公司推出的针对嵌入式应用的工业级32位ARM嵌入式处理器，A/D转换器采用ADI公司的AD7715 ；D/A转换器采用4_20mA的输出模块AD421芯片；输出显示电路采用1观64点阵带汉字液晶模块；通讯调试电路包括RS232接口和RS485接口 ；桥式流量测量和电磁流量测量共用以上电路。
全文摘要
本发明公开了一种基于桥式流量测量与电磁流量测量的流量测量装置。其ARM微处理器分别与励磁系统、A/D转换器、D/A转换器、输出显示电路和通讯调试电路连接；电磁流量测量传感器一路与励磁系统连接，另一路经电磁信号处理电路和A/D转换器连接；本发明还包括振荡驱动电路、桥式流量测量传感器和桥式信号处理电路；桥式信号处理电路与A/D转换器连接，振荡驱动电路经桥式流量测量传感器与桥式信号处理电路连接。桥式流量测量，适用于1m/s以下低流速、小流量导电液体的体积流量测量。当流速增大时，开启电磁流量测量励磁系统，关闭桥式流量测量系统，保证测量精度。本装置中的桥式流量测量系统，不需要励磁线圈，结构简单，实现成本低。
文档编号G01F1/60GK102445245SQ201110341270
公开日2012年5月9日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者刘铁军, 陈寅佳 申请人:刘铁军