专利名称：智能变频、变流式励磁方法及电磁流量计的制作方法
技术领域：
本发明一种智能变频、变流式励磁方法及电磁流量计。
背景技术：
电磁流量计是以法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表。
根据法拉第电磁感应定律，在均匀磁场下一个导体沿着与磁场垂直的方向运动时，感应电动势为U＝Hdv (1)式中U——感应电势；H——磁场强度；d——导体宽度；v——导体运动速度。
设在内径为d的管道中导电性流体流量为qv，则qv=vπ(d2)2---(2)]]>由式(1)、(2)可得U=4Hqvπd---(3)]]>由式(3)可见，对于确定管道一定磁场下，测出感应电势U，即可确定流量。
同时由式(3)可知在管道内径、液体流量一定的情况下，感应电压与磁场强度成正比，一定程度上提高磁场强度，可以提高感应电势，从而可以提高测量信号的信噪比。
现在的励磁方式主要有1.恒定频率、强度励磁。
2.智能变频励磁，但励磁频率并不是连续变化，而是在一定范围内的几个励磁点。
3.人工连续变频励磁，由人工根据口径、普遍流速设定励磁频率，一旦设定，一般不再改变。
其中频率由CPU1控制，幅值由励磁电路中的恒流源2控制。其中被测液体的流速是时刻变化的，并且虽然管道口径对于同一个仪表不再改变，但是在励磁方式1中，励磁电流的频率、幅值也并没有因为仪表口径的不同而有所改变，而在励磁方式2中，虽然有变化，但不是连续变化，而在励磁方式3中，则是由人的经验起作用，仪表并不是连续智能变频、变流励磁。所以，在影响被测信号的多个因素都在发生变化的情况下，传统励磁方式的弊端就很明显了。仪表不能根据测量状况的变化而自动作出相应变化，难取得更准确的测量效果。这在小口径仪表中不明显，但在大口径仪表中就比较明显，诸如零漂比较严重、读数不稳定、测量值跳动范围较大、标定困难等。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能变频、变流式励磁方法及电磁流量计。
电磁流量计的变频、变流式励磁方法是由数控励磁单元提供连续可调变频、变流励磁电流，并在标定时采用寻优算法得到最优的励磁电流频率和强度。
电磁流量计是由仪表处理器、通讯模块、PC机、励磁电路、励磁线圈及测量电极、前级差动放大电路、滤波电路、采样保持电路、后级差动放大电路、模数转换电路、三个光耦隔离电路、标准信号输出电路、显示器、开关组成；仪表处理器的通讯管脚依次与通讯模块、PC机、励磁电路、励磁线圈及测量电极、前级差动放大电路、滤波电路、采样保持电路、后级差动放大电路、模数转换电路、光耦隔离电路、仪表处理器输入管脚相接；然后仪表处理器的输出管脚经光电隔离与标准信号输出电路相接；显示器直接与仪表处理器的输出管脚相接；励磁电路的励磁电流控制线、励磁频率控制线及采样保持器经光耦隔离后与仪表处理器相接。
本发明的优点是使电磁流量计可以根据流速和管道口径的变化而相应改变励磁频率和励磁强度，从而可以在同样的条件下提高了输入信号的信噪比。引进智能寻优算法，进一步提高了电磁流量计的智能化水平。特别是在大口径、低流速情况下，提高了电磁流量计的测量精度和测量稳定性。
图1是现有电磁流量计框图；图2是电磁流量计测量管道端结构示意图；图3是智能变频、变流励磁式电磁流量计框图；图4是本发明励磁电路框图。
具体实施例方式
电磁流量计的变频、变流式励磁方法是由数控励磁单元32提供连续可调变频、变流励磁电流，并在标定时采用寻优算法得到最优的励磁电流频率和强度。
所说标定时和标定后励磁频率控制信号、数控恒流源控制信号、采样控制信号分别由励磁CPU41和仪表处理器1控制。
标定结束时，由PC机31形成一个表格，此表格分段存储了不同流量情况下的励磁频率和电流强度。并在标定结束时将此表格存到仪表处理器1的EEPROM中。标定结束后，仪表工作时，由仪表处理器1根据流量情况查表并计算出当前的励磁频率和强度。
寻优算法在执行时的数据交换是由PC机31通过RS232串行通讯接口48、14与励磁CPU41、仪表处理器1进行通讯而完成的。
如图1所示，仪表处理器1发出励磁控制信号，经光电隔离电路3后控制励磁丌关电路4，励磁开关4根据控制信号，控制恒流源2产生矩形或三值方波励磁电流。将励磁电流送至励磁线圈5，测量电极5将电势信号通过电缆送至前级差动放大器11，滤波电路10，采样保持电路9，后级差动发大电路8，模数转换电路7，转换后的数字信号经光耦隔离电路6送入仪表处理器1进行处理，计算出流量信号；流量信号送显示器13和标准信号输出电路15；通讯转换电路14提供RS232-RS485总线通讯接口。
如图2所示，管道22上下方为励磁线圈24，水平方向为测量电极23，液体流向21，磁力线方向25。励磁线圈24安装在测量管道22的上下方，在励磁电流作用下，产生一磁场，管道内液体流动时，相当于一导体在磁场内切割磁力线25，于是在水平方向的电极23上，产生一感应电动势，电极23与前级差动放大电路11相连。
如图3所示，与图1相比增加了PC机31，改变部分即励磁电路32作为一个功能框图，详见图4。
仪表处理器1发出励磁频率和电流大小控制信号，经光电隔离电路后控制励磁电路32，产生频率和强度均可变的矩形或三值波励磁电流，将励磁电流送至励磁线圈5，测量电极23将感应电势信号通过电缆送至前级差动放大器11、滤波电路10、采样保持电路9、后级差动放大电路8、模数转换电路7，转换后的数字信号经光耦隔离电路6送入仪表处理器1进行处理；流量值送显示器13和标准信号输出电路15；通讯转换电路14提供RS485总线通讯接口；由开关K133选择是由仪表处理器1控制采样信号还是由励磁专用CPU41控制采样信号仪表标定时由励磁专用CPU控制，标定结束后，由仪表处理器控制；PC机31是在标定时执行寻优算法，与电磁流量计处理器1通过通讯模块14进行通讯，以得到当前流量信号，然后将寻优后的控制信号送励磁电路32，由励磁电路产生励磁电流。此时采样控制信号来自励磁电路32。
PC机31通过RS485总线与电磁流量计处理器1及励磁CPU41相连，PC机与电磁流量计处理器1之间通讯内容为流量信号，即由处理器1将当前测得的流量信号处送给PC机，其稳定性作为寻优时的性能评价标准，PC机与励磁CPU之间通讯内容为励磁频率和励磁电流的大小(同时根据励磁频率产生采样控制信号)。
PC机根据当前电磁流量计所测流量与标准流量之间的误差，采用智能寻优算法寻找当前流量和口径下满足响应时间和精度要求的最佳励磁频率和电流幅值。寻优期间的励磁频率及电流由励磁CPU41根据PC机传送的数据进行控制。不同流量下的最佳值形成一张励磁电流幅值、频率表。
在标定结束后，此表格由PC机自动设定到电磁流量计处理器1的EEPROM中。电磁流量计处理器1中的原程序作一些改动(具体改动部分见本发明工作原理部分)。在正常工作时，由CPU1根据当前流量值，查表确定当前的最佳励磁参数，对于在两标定流量点之间的值，则采用插值法确定。从而使电磁流量计可以根据流量变化而改变励磁策略，最大程度上提高仪表的响应时间和精度励磁线圈24安装在测量管道22的上下方，在励磁电流作用下，产生一磁场，管道22内液体流动时，在水平方向的电极23方向上，相当于一导体在磁场25内切割磁力线，于是在电极23上，产生一感应电动势，电极23通过电缆接至前级差动放大器11、滤波电路10、采样保持电路9、后级差动发大8、模数转换7，转换后的数字信号经光电隔离电路6送入仪表处理器1进行处理。流量信号送显示器13和标准信号输出电路15。
如图4所示，数控恒流源43代替了一般恒流源2，固定频率励磁变成了变频励磁从图4可以看出，新增部分与原电磁流量计的接口有①数控恒流源控制信号接口数控恒流源43在仪表标定期间由专用CPU41控制，而在正常工作时则由仪表处理器1控制，因此要在恒流源43控制信号线上加上一个选择开关42。在标定时，将开关42倒向励磁专用CPU41端，使恒流源与励磁CPU连通，而在标定结束后，则将选择开关42连接仪表处理器1与恒流源43，由仪表处理器1控制恒流源43电流大小。
②励磁频率控制信号接口励磁电路32频率控制线首先接至选择开关42，以选择励磁频率的控制源。在标定期间由励磁CPU41控制，标定结束后，由仪表处理器控制1。
③采样保持电路9控制接口采样频率与励磁频率有关，所以在标定时，采样保持9同样由励磁CPU41控制，而在标定结束后，则由仪表处理器1控制，两种状态的选择由选择开关33控制。
本发明工作原理在一般电磁流量计中，CPU1以一定的励磁频率控制励磁电路4产生幅值恒定的矩形方波或三值波，通过电缆送至励磁线圈5，由该励磁线圈产生一磁场，在磁场正交方向的管壁上装有一对电极23，当管道22内的导电液体流动时，相当于有一段导体在磁场内作切割磁力线运动，故两电极23之间有一感应电动势存在，信号处理电路的输入端通过电缆连接至电极，感应电动势信号经过放大、滤波等处理后，通过模数转换器转换成数字信号经光电转换后送入CPU1中，由CPU1进行处理，送显示屏显示当前流量值、送标准信号输出电路输出，以及对瞬时流量值进行累积，存储/显示一段时间内的累积流量等。
对通常电磁流量计的励磁电路2，4做了改变，新励磁电路32采用数控恒流源43代替了一般恒流源2，与电磁流量计的CPU1结合，可以改变励磁电流幅值和励磁频率。
仪表在标定时与正常工作时采用不同的励磁工作模块，为了标定，系统增加标定PC机31和励磁控制CPU41两部分电路。PC机31通过通讯电路14，48与仪表处理器1及励磁CPU41相连，PC机31与仪表处理器1之间通讯内容为流量信号，即由处理器1将当前测得的流量信号处送给PC机31，处理后作为寻优时的性能评价标准，PC机31与励磁CPU41之间通讯内容为励磁频率和励磁电流的大小。
PC机31根据当前电磁流量计所测流量与标准流量之间的误差，采用智能寻优算法寻找当前流量和口径下满足响应时间和精度要求的最佳励磁频率和电流幅值。寻优期间的励磁频率及电流由励磁CPU41根据PC机31传送的数据进行控制，采样控制信号亦来自励磁CPU41。不同流量下的最佳值形成一张励磁电流幅值、频率表，和一张对应的仪表系数、零点表在标定结束后，此表格由PC机31自动设定到处理器1的EEPROM中。电磁流量计处理器1中的程序作一些改动(将恒频励磁改为变频、变流励磁，频率和强度由查表确定；输入信号处理部分也要作些改动，不同的励磁电流大小对应不同的仪表系数和零点，亦由查表确定)。在正常工作时，由CPU1根据当前流量值，查表确定当前的最佳励磁参数，对于在两标定流量点之间的值，则采用插值法确定；并同时确定对应的仪表系数和零点。从而使电磁流量计可以根据流量变化而改变励磁策略，最大程度上提高仪表的响应时间、稳定性和精度。
权利要求
1.一种智能变频、变流式励磁方法，其特征在于由数控励磁单元(32)提供连续可调变频、变流励磁电流，并在标定时采用寻优算法得到最优的励磁电流频率和强度。
2.根据权利要求1所述的一种变频、变流式励磁方法，其特征在于所说标定时和标定后励磁频率控制信号、数控恒流源控制信号、采样控制信号分别由励磁CPU(41)和仪表处理器(1)控制。
3.根据权利要求1所述的一种变频、变流式励磁方法，其特征在于所说标定结束时，由PC机(31)形成一个表格，此表格分段存储了不同流量情况下最优的励磁频率和电流强度。并在标定结束时将此表格存到仪表处理器(1)的EEPROM中。标定结束后，仪表工作时，由仪表处理器(1)根据流量情况查表并计算出当前的励磁频率和强度。
4.根据权利要求1所述的一种变频、变流式励磁方法，其特征在于所说的寻优算法在执行时的数据交换是由PC机(31)通过RS232串行通讯接口(48)(14)与励磁CPU(41)、仪表处理器(1)进行通讯而完成的。
5.一种智能变频、变流式励磁电磁流量计，其特征在于它由仪表处理器(1)、通讯模块(14)、PC机(31)、励磁电路(21)、励磁线圈及测量电极(5)、前级差动放大电路(11)、滤波电路(10)、采样保持电路(9)、后级差动放大电路(8)、模数转换电路(7)、光耦隔离电路(6)(12)(34)、标准信号输出电路(15)、显示器(13)、开关(33)组成；仪表处理器(1)的通讯管脚依次与通讯模块(14)、PC机(31)、励磁电路(21)、励磁线圈及测量电极(5)、前级差动放大电路(11)、滤波电路(10)、采样保持电路(9)、后级差动放大电路(8)、模数转换电路(7)、光耦隔离电路(6)、仪表处理器(1)输入管脚相接；然后仪表处理器(1)的输出管脚经光电隔离(12)与标准信号输出电路(15)相接；显示器(13)直接与仪表处理器的输出管脚相接；励磁电路(21)的励磁电流控制线、励磁频率控制线及采样保持器经光耦隔离后与仪表处理器(1)相接。
6.根据权利要求5所述的一种智能变频、变流式励磁电磁流量计，其特征在于所说的励磁电路(32)由励磁CPU(41)、数控恒流源(43)、励磁频率控制开关(45)、励磁电流控制开关(42)、光耦隔离电路(46)组成；励磁CPU(41)的恒流源控制管脚依次与开关K2、数控恒流源、励磁开关电路、励磁CPU(41)的励磁频率控制管脚相接；通讯模块(14)与励磁CPU(41)的通讯管脚相接；PC机(31)在标定时执行智能寻优算法，与仪表处理器(1)进行通讯，得到当前流量信号，根据标准流量，将寻优后的控制信号送励磁电路(32)，由励磁电路(32)产生励磁电流。
全文摘要
本发明公开了一种智能变频、变流式励磁方法及电磁流量计。励磁方法是由数控励磁单元提供连续可调变频、变流励磁电流，并在标定时采用寻优算法得到最优的励磁电流频率和强度。流量计是由仪表处理器的通讯管脚依次与通讯模块、PC机、励磁电路、励磁线圈及测量电极、前级差动放大电路、滤波电路、采样保持电路、后级差动放大电路、模数转换电路、光耦隔离电路、仪表处理器输入管脚相接；仪表处理器管脚经光电隔离电路与标准信号输出电路相接；显示器直接与仪表处理器管脚相接；励磁电路及采样保持器经光耦隔离电路与仪表处理器相接。本发明使电磁流量计的励磁输出信号根据测量输入信号的变化而相应改变。采用智能寻优算法提高了电磁流量计的智能化水平和稳定性。
文档编号G01F1/58GK1410742SQ02137470
公开日2003年4月16日 申请日期2002年10月14日 优先权日2002年10月14日
发明者严义, 包健, 张连仁 申请人:杭州电子工业学院