一种低功耗的电磁涡街流量计

　　0　引言

　　涡街流量计具有量程宽、无可动部件、运行可靠、维护简单、压力损失小、计量精度较高等优点。特别是在很宽的范围内,它的测量与介质的密度、粘度等物性参数无关,已广泛应用于工业过程中的流量测量。到目前为止,人们己经开发出热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等多种类型的涡街传感器。本文采用电磁法检测涡街频率,电磁涡街流量计除了一般涡街流量计所具有的优点外,还可以消除三维方向上的振动干扰,并具有很好的抗电磁干扰能力[1]。为了拓宽流量计的应用场合,使其能够在野外、农田等环境中长时间工作,整个系统采用3. 6V锂电池供电。因此,降低功耗成为本测量系统的设计宗旨,设计时从硬件、软件两方面入手考虑降低功耗的方法。涡街信号在低流量的情况下表现为低强度、低频率,所以低流量下信号的测量是设计中的一个难点。通过选择性能优越的运算放大器和对放大电路的不断改进,100mm口径的流量计可以测出1.2m³/h的低流量,超过了B级水表的量程范围;流量1. 2m³/h时,累积流量测量精度为1%,远远超过B级水表的精度。

　　1　电磁涡街流量计的工作原理

　　涡街流量计是根据卡门涡街原理来进行流量测量的。在流动的液体中插入一个非流线型柱状物(如三角形柱体或梯形柱体)即漩涡发生体,流体在一定的雷诺数范围内于漩涡发生体下游处会产生两列不对称且又有规律的漩涡。漩涡分离的频率和流体流速之间呈下列关系:

　　式中:f为漩涡分离频率,Hz;v1为漩涡发生体两侧流体的平均流速,m/s;b为漩涡发生体迎流面的最大宽度,m;St为斯特劳哈尔数。当雷诺数ReD≥2×10⁴时,漩涡发生体和管径尺寸确定后,是一个无量纲常数[1],则流体的平均流速与漩涡分离频率f成正比。通过测得分离频率f即可求得流体的平均流速v1,由v1即可求得流体的体积流量Q,Q与f之间呈线性关系。

　　电磁法检测技术是利用导体和磁场发生相对运动时,在导体两端产生感应电动势的原理,把被测量转换成电量的技术。图1给出了电磁涡街流量计的原理。磁通是恒定的,两列漩涡不断地交变出现,以不同方向切割磁感线,在电极间产生交变电动势。交变电动势变化的频率即为漩涡的频率。因此,只要测出电极输出交变电动势变化的频率,就可以知道流体的体积流量。该检测方式要求流体有一定的导电性。

　　2　硬件电路设计

　　完成同样的功能,电路的实现形式有多种。通常,使用的元器件的数量越少,系统的可靠性越高,因此,尽量使用集成度高的器件,减少电路中使用元件的个数。硬件电路设计框图如图2所示。