專利名稱：智能變頻、變流式勵磁方法及電磁流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種智能變頻、變流式勵磁方法及電磁流量計。
背景技術(shù)：
電磁流量計是以法拉第電磁感應(yīng)定律來測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在均勻磁場下一個導(dǎo)體沿著與磁場垂直的方向運動時，感應(yīng)電動勢為U＝Hdv (1)式中U——感應(yīng)電勢；H——磁場強度；d——導(dǎo)體寬度；v——導(dǎo)體運動速度。
設(shè)在內(nèi)徑為d的管道中導(dǎo)電性流體流量為qv，則qv=vπ(d2)2---(2)]]>由式(1)、(2)可得U=4Hqvπd---(3)]]>由式(3)可見，對于確定管道一定磁場下，測出感應(yīng)電勢U，即可確定流量。
同時由式(3)可知在管道內(nèi)徑、液體流量一定的情況下，感應(yīng)電壓與磁場強度成正比，一定程度上提高磁場強度，可以提高感應(yīng)電勢，從而可以提高測量信號的信噪比。
現(xiàn)在的勵磁方式主要有1.恒定頻率、強度勵磁。
2.智能變頻勵磁，但勵磁頻率并不是連續(xù)變化，而是在一定范圍內(nèi)的幾個勵磁點。
3.人工連續(xù)變頻勵磁，由人工根據(jù)口徑、普遍流速設(shè)定勵磁頻率，一旦設(shè)定，一般不再改變。
其中頻率由CPU1控制，幅值由勵磁電路中的恒流源2控制。其中被測液體的流速是時刻變化的，并且雖然管道口徑對于同一個儀表不再改變，但是在勵磁方式1中，勵磁電流的頻率、幅值也并沒有因為儀表口徑的不同而有所改變，而在勵磁方式2中，雖然有變化，但不是連續(xù)變化，而在勵磁方式3中，則是由人的經(jīng)驗起作用，儀表并不是連續(xù)智能變頻、變流勵磁。所以，在影響被測信號的多個因素都在發(fā)生變化的情況下，傳統(tǒng)勵磁方式的弊端就很明顯了。儀表不能根據(jù)測量狀況的變化而自動作出相應(yīng)變化，難取得更準(zhǔn)確的測量效果。這在小口徑儀表中不明顯，但在大口徑儀表中就比較明顯，諸如零漂比較嚴(yán)重、讀數(shù)不穩(wěn)定、測量值跳動范圍較大、標(biāo)定困難等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種智能變頻、變流式勵磁方法及電磁流量計。
電磁流量計的變頻、變流式勵磁方法是由數(shù)控勵磁單元提供連續(xù)可調(diào)變頻、變流勵磁電流，并在標(biāo)定時采用尋優(yōu)算法得到最優(yōu)的勵磁電流頻率和強度。
電磁流量計是由儀表處理器、通訊模塊、PC機、勵磁電路、勵磁線圈及測量電極、前級差動放大電路、濾波電路、采樣保持電路、后級差動放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、三個光耦隔離電路、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路、顯示器、開關(guān)組成；儀表處理器的通訊管腳依次與通訊模塊、PC機、勵磁電路、勵磁線圈及測量電極、前級差動放大電路、濾波電路、采樣保持電路、后級差動放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、光耦隔離電路、儀表處理器輸入管腳相接；然后儀表處理器的輸出管腳經(jīng)光電隔離與標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路相接；顯示器直接與儀表處理器的輸出管腳相接；勵磁電路的勵磁電流控制線、勵磁頻率控制線及采樣保持器經(jīng)光耦隔離后與儀表處理器相接。
本發(fā)明的優(yōu)點是使電磁流量計可以根據(jù)流速和管道口徑的變化而相應(yīng)改變勵磁頻率和勵磁強度，從而可以在同樣的條件下提高了輸入信號的信噪比。引進(jìn)智能尋優(yōu)算法，進(jìn)一步提高了電磁流量計的智能化水平。特別是在大口徑、低流速情況下，提高了電磁流量計的測量精度和測量穩(wěn)定性。


圖1是現(xiàn)有電磁流量計框圖；圖2是電磁流量計測量管道端結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是智能變頻、變流勵磁式電磁流量計框圖；圖4是本發(fā)明勵磁電路框圖。
具體實施例方式
電磁流量計的變頻、變流式勵磁方法是由數(shù)控勵磁單元32提供連續(xù)可調(diào)變頻、變流勵磁電流，并在標(biāo)定時采用尋優(yōu)算法得到最優(yōu)的勵磁電流頻率和強度。
所說標(biāo)定時和標(biāo)定后勵磁頻率控制信號、數(shù)控恒流源控制信號、采樣控制信號分別由勵磁CPU41和儀表處理器1控制。
標(biāo)定結(jié)束時，由PC機31形成一個表格，此表格分段存儲了不同流量情況下的勵磁頻率和電流強度。并在標(biāo)定結(jié)束時將此表格存到儀表處理器1的EEPROM中。標(biāo)定結(jié)束后，儀表工作時，由儀表處理器1根據(jù)流量情況查表并計算出當(dāng)前的勵磁頻率和強度。
尋優(yōu)算法在執(zhí)行時的數(shù)據(jù)交換是由PC機31通過RS232串行通訊接口48、14與勵磁CPU41、儀表處理器1進(jìn)行通訊而完成的。
如圖1所示，儀表處理器1發(fā)出勵磁控制信號，經(jīng)光電隔離電路3后控制勵磁丌關(guān)電路4，勵磁開關(guān)4根據(jù)控制信號，控制恒流源2產(chǎn)生矩形或三值方波勵磁電流。將勵磁電流送至勵磁線圈5，測量電極5將電勢信號通過電纜送至前級差動放大器11，濾波電路10，采樣保持電路9，后級差動發(fā)大電路8，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路7，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)光耦隔離電路6送入儀表處理器1進(jìn)行處理，計算出流量信號；流量信號送顯示器13和標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路15；通訊轉(zhuǎn)換電路14提供RS232-RS485總線通訊接口。
如圖2所示，管道22上下方為勵磁線圈24，水平方向為測量電極23，液體流向21，磁力線方向25。勵磁線圈24安裝在測量管道22的上下方，在勵磁電流作用下，產(chǎn)生一磁場，管道內(nèi)液體流動時，相當(dāng)于一導(dǎo)體在磁場內(nèi)切割磁力線25，于是在水平方向的電極23上，產(chǎn)生一感應(yīng)電動勢，電極23與前級差動放大電路11相連。
如圖3所示，與圖1相比增加了PC機31，改變部分即勵磁電路32作為一個功能框圖，詳見圖4。
儀表處理器1發(fā)出勵磁頻率和電流大小控制信號，經(jīng)光電隔離電路后控制勵磁電路32，產(chǎn)生頻率和強度均可變的矩形或三值波勵磁電流，將勵磁電流送至勵磁線圈5，測量電極23將感應(yīng)電勢信號通過電纜送至前級差動放大器11、濾波電路10、采樣保持電路9、后級差動放大電路8、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路7，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)光耦隔離電路6送入儀表處理器1進(jìn)行處理；流量值送顯示器13和標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路15；通訊轉(zhuǎn)換電路14提供RS485總線通訊接口；由開關(guān)K133選擇是由儀表處理器1控制采樣信號還是由勵磁專用CPU41控制采樣信號儀表標(biāo)定時由勵磁專用CPU控制，標(biāo)定結(jié)束后，由儀表處理器控制；PC機31是在標(biāo)定時執(zhí)行尋優(yōu)算法，與電磁流量計處理器1通過通訊模塊14進(jìn)行通訊，以得到當(dāng)前流量信號，然后將尋優(yōu)后的控制信號送勵磁電路32，由勵磁電路產(chǎn)生勵磁電流。此時采樣控制信號來自勵磁電路32。
PC機31通過RS485總線與電磁流量計處理器1及勵磁CPU41相連，PC機與電磁流量計處理器1之間通訊內(nèi)容為流量信號，即由處理器1將當(dāng)前測得的流量信號處送給PC機，其穩(wěn)定性作為尋優(yōu)時的性能評價標(biāo)準(zhǔn)，PC機與勵磁CPU之間通訊內(nèi)容為勵磁頻率和勵磁電流的大小(同時根據(jù)勵磁頻率產(chǎn)生采樣控制信號)。
PC機根據(jù)當(dāng)前電磁流量計所測流量與標(biāo)準(zhǔn)流量之間的誤差，采用智能尋優(yōu)算法尋找當(dāng)前流量和口徑下滿足響應(yīng)時間和精度要求的最佳勵磁頻率和電流幅值。尋優(yōu)期間的勵磁頻率及電流由勵磁CPU41根據(jù)PC機傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。不同流量下的最佳值形成一張勵磁電流幅值、頻率表。
在標(biāo)定結(jié)束后，此表格由PC機自動設(shè)定到電磁流量計處理器1的EEPROM中。電磁流量計處理器1中的原程序作一些改動(具體改動部分見本發(fā)明工作原理部分)。在正常工作時，由CPU1根據(jù)當(dāng)前流量值，查表確定當(dāng)前的最佳勵磁參數(shù)，對于在兩標(biāo)定流量點之間的值，則采用插值法確定。從而使電磁流量計可以根據(jù)流量變化而改變勵磁策略，最大程度上提高儀表的響應(yīng)時間和精度勵磁線圈24安裝在測量管道22的上下方，在勵磁電流作用下，產(chǎn)生一磁場，管道22內(nèi)液體流動時，在水平方向的電極23方向上，相當(dāng)于一導(dǎo)體在磁場25內(nèi)切割磁力線，于是在電極23上，產(chǎn)生一感應(yīng)電動勢，電極23通過電纜接至前級差動放大器11、濾波電路10、采樣保持電路9、后級差動發(fā)大8、模數(shù)轉(zhuǎn)換7，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)光電隔離電路6送入儀表處理器1進(jìn)行處理。流量信號送顯示器13和標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路15。
如圖4所示，數(shù)控恒流源43代替了一般恒流源2，固定頻率勵磁變成了變頻勵磁從圖4可以看出，新增部分與原電磁流量計的接口有①數(shù)控恒流源控制信號接口數(shù)控恒流源43在儀表標(biāo)定期間由專用CPU41控制，而在正常工作時則由儀表處理器1控制，因此要在恒流源43控制信號線上加上一個選擇開關(guān)42。在標(biāo)定時，將開關(guān)42倒向勵磁專用CPU41端，使恒流源與勵磁CPU連通，而在標(biāo)定結(jié)束后，則將選擇開關(guān)42連接儀表處理器1與恒流源43，由儀表處理器1控制恒流源43電流大小。
②勵磁頻率控制信號接口勵磁電路32頻率控制線首先接至選擇開關(guān)42，以選擇勵磁頻率的控制源。在標(biāo)定期間由勵磁CPU41控制，標(biāo)定結(jié)束后，由儀表處理器控制1。
③采樣保持電路9控制接口采樣頻率與勵磁頻率有關(guān)，所以在標(biāo)定時，采樣保持9同樣由勵磁CPU41控制，而在標(biāo)定結(jié)束后，則由儀表處理器1控制，兩種狀態(tài)的選擇由選擇開關(guān)33控制。
本發(fā)明工作原理在一般電磁流量計中，CPU1以一定的勵磁頻率控制勵磁電路4產(chǎn)生幅值恒定的矩形方波或三值波，通過電纜送至勵磁線圈5，由該勵磁線圈產(chǎn)生一磁場，在磁場正交方向的管壁上裝有一對電極23，當(dāng)管道22內(nèi)的導(dǎo)電液體流動時，相當(dāng)于有一段導(dǎo)體在磁場內(nèi)作切割磁力線運動，故兩電極23之間有一感應(yīng)電動勢存在，信號處理電路的輸入端通過電纜連接至電極，感應(yīng)電動勢信號經(jīng)過放大、濾波等處理后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后送入CPU1中，由CPU1進(jìn)行處理，送顯示屏顯示當(dāng)前流量值、送標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路輸出，以及對瞬時流量值進(jìn)行累積，存儲/顯示一段時間內(nèi)的累積流量等。
對通常電磁流量計的勵磁電路2，4做了改變，新勵磁電路32采用數(shù)控恒流源43代替了一般恒流源2，與電磁流量計的CPU1結(jié)合，可以改變勵磁電流幅值和勵磁頻率。
儀表在標(biāo)定時與正常工作時采用不同的勵磁工作模塊，為了標(biāo)定，系統(tǒng)增加標(biāo)定PC機31和勵磁控制CPU41兩部分電路。PC機31通過通訊電路14，48與儀表處理器1及勵磁CPU41相連，PC機31與儀表處理器1之間通訊內(nèi)容為流量信號，即由處理器1將當(dāng)前測得的流量信號處送給PC機31，處理后作為尋優(yōu)時的性能評價標(biāo)準(zhǔn)，PC機31與勵磁CPU41之間通訊內(nèi)容為勵磁頻率和勵磁電流的大小。
PC機31根據(jù)當(dāng)前電磁流量計所測流量與標(biāo)準(zhǔn)流量之間的誤差，采用智能尋優(yōu)算法尋找當(dāng)前流量和口徑下滿足響應(yīng)時間和精度要求的最佳勵磁頻率和電流幅值。尋優(yōu)期間的勵磁頻率及電流由勵磁CPU41根據(jù)PC機31傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，采樣控制信號亦來自勵磁CPU41。不同流量下的最佳值形成一張勵磁電流幅值、頻率表，和一張對應(yīng)的儀表系數(shù)、零點表在標(biāo)定結(jié)束后，此表格由PC機31自動設(shè)定到處理器1的EEPROM中。電磁流量計處理器1中的程序作一些改動(將恒頻勵磁改為變頻、變流勵磁，頻率和強度由查表確定；輸入信號處理部分也要作些改動，不同的勵磁電流大小對應(yīng)不同的儀表系數(shù)和零點，亦由查表確定)。在正常工作時，由CPU1根據(jù)當(dāng)前流量值，查表確定當(dāng)前的最佳勵磁參數(shù)，對于在兩標(biāo)定流量點之間的值，則采用插值法確定；并同時確定對應(yīng)的儀表系數(shù)和零點。從而使電磁流量計可以根據(jù)流量變化而改變勵磁策略，最大程度上提高儀表的響應(yīng)時間、穩(wěn)定性和精度。
權(quán)利要求
1.一種智能變頻、變流式勵磁方法，其特征在于由數(shù)控勵磁單元(32)提供連續(xù)可調(diào)變頻、變流勵磁電流，并在標(biāo)定時采用尋優(yōu)算法得到最優(yōu)的勵磁電流頻率和強度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變頻、變流式勵磁方法，其特征在于所說標(biāo)定時和標(biāo)定后勵磁頻率控制信號、數(shù)控恒流源控制信號、采樣控制信號分別由勵磁CPU(41)和儀表處理器(1)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變頻、變流式勵磁方法，其特征在于所說標(biāo)定結(jié)束時，由PC機(31)形成一個表格，此表格分段存儲了不同流量情況下最優(yōu)的勵磁頻率和電流強度。并在標(biāo)定結(jié)束時將此表格存到儀表處理器(1)的EEPROM中。標(biāo)定結(jié)束后，儀表工作時，由儀表處理器(1)根據(jù)流量情況查表并計算出當(dāng)前的勵磁頻率和強度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變頻、變流式勵磁方法，其特征在于所說的尋優(yōu)算法在執(zhí)行時的數(shù)據(jù)交換是由PC機(31)通過RS232串行通訊接口(48)(14)與勵磁CPU(41)、儀表處理器(1)進(jìn)行通訊而完成的。
5.一種智能變頻、變流式勵磁電磁流量計，其特征在于它由儀表處理器(1)、通訊模塊(14)、PC機(31)、勵磁電路(21)、勵磁線圈及測量電極(5)、前級差動放大電路(11)、濾波電路(10)、采樣保持電路(9)、后級差動放大電路(8)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(7)、光耦隔離電路(6)(12)(34)、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路(15)、顯示器(13)、開關(guān)(33)組成；儀表處理器(1)的通訊管腳依次與通訊模塊(14)、PC機(31)、勵磁電路(21)、勵磁線圈及測量電極(5)、前級差動放大電路(11)、濾波電路(10)、采樣保持電路(9)、后級差動放大電路(8)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(7)、光耦隔離電路(6)、儀表處理器(1)輸入管腳相接；然后儀表處理器(1)的輸出管腳經(jīng)光電隔離(12)與標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路(15)相接；顯示器(13)直接與儀表處理器的輸出管腳相接；勵磁電路(21)的勵磁電流控制線、勵磁頻率控制線及采樣保持器經(jīng)光耦隔離后與儀表處理器(1)相接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種智能變頻、變流式勵磁電磁流量計，其特征在于所說的勵磁電路(32)由勵磁CPU(41)、數(shù)控恒流源(43)、勵磁頻率控制開關(guān)(45)、勵磁電流控制開關(guān)(42)、光耦隔離電路(46)組成；勵磁CPU(41)的恒流源控制管腳依次與開關(guān)K2、數(shù)控恒流源、勵磁開關(guān)電路、勵磁CPU(41)的勵磁頻率控制管腳相接；通訊模塊(14)與勵磁CPU(41)的通訊管腳相接；PC機(31)在標(biāo)定時執(zhí)行智能尋優(yōu)算法，與儀表處理器(1)進(jìn)行通訊，得到當(dāng)前流量信號，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量，將尋優(yōu)后的控制信號送勵磁電路(32)，由勵磁電路(32)產(chǎn)生勵磁電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能變頻、變流式勵磁方法及電磁流量計。勵磁方法是由數(shù)控勵磁單元提供連續(xù)可調(diào)變頻、變流勵磁電流，并在標(biāo)定時采用尋優(yōu)算法得到最優(yōu)的勵磁電流頻率和強度。流量計是由儀表處理器的通訊管腳依次與通訊模塊、PC機、勵磁電路、勵磁線圈及測量電極、前級差動放大電路、濾波電路、采樣保持電路、后級差動放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、光耦隔離電路、儀表處理器輸入管腳相接；儀表處理器管腳經(jīng)光電隔離電路與標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路相接；顯示器直接與儀表處理器管腳相接；勵磁電路及采樣保持器經(jīng)光耦隔離電路與儀表處理器相接。本發(fā)明使電磁流量計的勵磁輸出信號根據(jù)測量輸入信號的變化而相應(yīng)改變。采用智能尋優(yōu)算法提高了電磁流量計的智能化水平和穩(wěn)定性。
文檔編號G01F1/58GK1410742SQ02137470
公開日2003年4月16日 申請日期2002年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月14日
發(fā)明者嚴(yán)義, 包健, 張連仁 申請人:杭州電子工業(yè)學(xué)院