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2016年新型电磁流量计测量技术的发展方向

2016年新型电磁流量计测量技术的发展方向:

   根据调查报告显示,2003年中国市场的电磁流量计计超过了4600万美金;到2008年中国的电磁流量计计市场预计将达到大约7700万美金。由于水资源供需不平衡,中国政府将在供水、排水处理方面计划投资220亿美金。ARC预测,该领域将对电磁流量计计流量的需求量将会很大.。目前,国内外的学者和生产厂家关于电磁流量计计的研究开发主要集中在以下几个方面: 

2016新型电磁流量计

  1、励磁技术水平的改善“”’:励磁方式决定了传感器工作磁场特征、电磁流量计计的抗干扰能力大小和零点稳定性能的好坏,因此励磁技术始终是电磁流量计计的一个重要的研究方向。目前,低频矩形波励磁己成为国内外电磁流量计计励磁方式的丰流。然而,应用实践发现该方式对于抗流动噪声和抗浆液噪声的能力并不理想。针对这一缺点,国外一些电磁流量计计研究机构目前已推出了几种改进的激磁方式,如:双频率励磁技术、频率可调整矩形波励磁技术、脉冲交流励磁技术等。其中,德国Turbo Messtechnik企业推出的脉冲交流励磁技术效果最为突出。应用该技术制作的电磁流量计计,其检测到的流量信号幅值为通常矩形波励磁仪表的10倍,且具有较高的信噪比。

  2、多电极电磁流量计计的研究:两电极电磁流量计计不能用于测量非轴对称流型流体和小流量测量,其根本原因在于靠近电极区域对流型变化的“过度敏感”。当流型为轴对称时, 电极附近的过度敏感区被远离电极的欠敏感区所平衡,故可以准确测量;而当流速分布偏离轴对称时,这种敏感平衡关系被破坏,测量将会出现误差。多对电极、两对线圈的多电极电磁流量计计能明显改善这一状况,即使流型严重偏离轴对称,误差也不大,测量精度仍能满足一般的工程需要。”。多电极电磁流量计计还可用于流场速度分布的求解。国内外有许多研究者正在进行此项课题的研究。1996年清华大学的张小章提出了摹于流动电磁测量理论的流场重建,即用多电极电磁流量计计测量管道截面流速分布,并对多电极电磁流量计计用于流速分布的测量进行了数值模拟,证实了采用流动的电磁测量方法求解流场速度分布的可行性”刎。白1999年开始,浙江大学在基于电磁感应原理的多电极流量测量方法方面做了深入的研究,取得了一系列的研究成果,并于2000年开发成功多电极成像式电磁流量计计【翘】O 

   3、绝缘介质流量测量:在上个世纪60年代,电磁流量计计首次应用于测量绝缘液体流量.1。但是,磁芯和旁边的导电材料中的涡电流产生了衰退脉冲余波,造成为了等待衰退脉冲余波消退而信号采样每半周期均产生滞后。问题是使用高频励磁,没有足够的时间等待余波完全消退,因而产生了零点迁移。对此,V.Cushing提出了一种根据零点迁移电压方程的时间独立性来剔除零点迁移的电磁信号处理方法,在高频励磁下,可以校正零点迁移,使得电磁流量计计可以测量包括绝缘流体在内的各种流体o”。

   4、零点稳定性及测量下限拓展:电磁流量计计的零点稳定性决定了仪表的测量准确度和测量下限。提高零点稳定性是进一步拓展测量下限必要条件。为此,许多学者做了大量工作,例如从电路抗干扰角度入手,设计出高信噪比的电路;根据零点的变化方式提出了插入法预测零点电平变化的App处理方法;通过电路反馈法来消除零点漂移等。以上方法均是针对某种噪声信号直接通过硬件电路消除或在采样后通过App消除。2003年,浙江大学提出了基于相关检测原理的电磁流量计计,通过硬件电路将信号中的所有干扰噪声提取出来, 对感应电动势信号进行相位相关处理,将实时变化的零点噪声抵消,从而提高了零点稳定性和低流速下测量准确度,拓展了电磁流量计计的测量下限.。2004年,天津工业大学李小京也使用相关算法对电磁流量计计低流速性能进行了改进m.。

  5、励磁线圈及传感器内部磁场的优化设计:励磁线圈的大小、形状及放置位置直接影响传感器内部磁场分布。其中磁场的边缘效应对其测量准确度影响很大,因此励磁线圈的优化设计成为了电磁流量计计的重要研究方向。波兰学者A.Michalski,S.Wincenciak和J.Staezynski等人,采用有限元分析方法,对明渠电磁流量计计传感器及励磁线圈进行2D 和3D建模,在磁场快速减小的区域较好的消除了磁场边缘效应产生的误差影响,并做出了电磁流量计计传感器设计的GUIApp.~。

   本课题的研究意义

   本课题依托于天津市重大科技攻关项目一现场总线智能化仪表计主控系统成套产品的研发和产业化,主要研究摹于HART协议的智能电磁流量计变送器关键技术。通过对HART协议的解读,建立HART协议现场总线通信机制,应用于电磁流量计变送器的设计之中,实现HART总线协议的通信和互操作,并且要符合HART协议仪表低功耗的技术要求,并对其关键技术进行研究。

   电磁流量计计广泛应用于水泥、化工、纺织、医药、造纸、给排水、食品饮料等领域, 其产品质量和性能对上述企业的经济效益有着重要的影响。我国虽然己在电磁流量计计开发方面取得了一定的成绩,但由于起点低,还存在一定的缺陷,主要表现如下: 

  1、国产的流量检测仪表在系统设计上存在较多信息转换环节,因此增加了信号处理的中间环节和信号之间的连线,易引入干扰信号,从而影响系统的检测精度和抗干扰能力。另外国产的流量检测仪表还没有采用有效地软硬件容错、隔离等抗干扰措施。

   2、检测精度低。国产的流量检测仪表对传感器流量信号的转换精度不高,且多数缺少小信号切除、非线形补偿以及数字滤波等高级信号处理能力,从而影响流量检测的精度。可靠性不高。

  3、开放性差。目前的电磁流量计计转换器多由分离式模拟器件构成,从而使仪表的结构、功能等的扩充和使用维护变得困难,App采用过程化App设计思想,其可读性和可扩展性较差,网络通讯接口一般只配置单独RS一232或单独RS一485串行接口,组网和通讯能力差。仪表行业是我市重要支柱产业之一,对推动我市改革开放和经济发展具有重要的地位。通过对基于HART协议的智能电磁流量计变送器关键技术的研究,既实现智能电磁流量计变送器的现场总线的通信、智能化要求和提高其转换精度及抗干扰能力,可以大力促进天仪集团仪表研制、开发和制造进程,从而促进天津市仪表行业的发展,以信息化带动产业化,推动天津市整体经济素质的提高。

   本论文的主要研究内容:

   本文采用现场总线和计算机控制技术,研究开发出符合国外电磁流量计计智能化、网络化、小型化等发展趋势、具有组网通讯功能的智能化电磁流量计检测仪表,有助于改变国内电磁流量计计产品的落后现状。主要研究内容如下: 

  (1)对HART协议内容进行深入解读,对其消息包结构进行剖析。分析基于HART协议系统的通信模式,解读其操作命令和数据格式。灵活应用HART协议的物理层、数据链路层及应用层的规范,建立基于HART协议的总线通信机制。

  (2)采用模块化结构设计系统硬件电路,使其具有可扩展性和易维护性。着重对HART 通信电路进行分析,研究HART信号的整形及滤波电路的原理,分析HART调制解调器的通信原理,搭建符合HART物理层规范的硬件平台。

  (3)分析转换放大电路的实现机理并采用低线性误差V/F转换器,实现对前端传感器信号的采集和转换输出,提高仪表的检测精度,减少测量误差。

 (4)采用模块化程序设计方法设计系统App,各模块之间保持相对的独立性。根据HART协议要求,编写设备接收和响应处理程序,实现仪表与丰设备之间的通信功能。同时,采用容错、App陷阱、数据滤波等多种措施,提高系统的可靠性。本论文的丰要创新点如下: 

  (1)为电磁流量计变送器设计了HART标准总线的通讯接口,通过实验得到了关键元器件的经典参数,增强了该仪表的组网能力和通讯的可靠性。

  (2)通过解读HART协议文本,编写了设备接收命令予程序和响应命令予程序,实现了HART总线仪表与上位机的通信功能,使仪表可以在不干扰4~20mA模拟信号的情况下进行双向数字通讯.

 


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