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    新聞資訊

    水流量計、污水流量計、自來水流量計、空調水

    時間:2019-11-07

    水流量計、污水流量計、自來水流量計、空調水流量計、熱水流量計、消防水流量計的智能化前端信號電路設計注意哪些

     1 原理和智能化放大電路設計 1.1 原 理 電磁流量計是電磁感應定律的具體應用。導電流體在磁場中流動切割磁力線,產生電動勢,推導 公式為E = K?Q (1) 式(1) 表明電極兩端的感應電動勢E 與被測導電介質的體積流量成正比。其中電動勢E是一個微弱的交變信號, 此信號具有以下3 個特點: ① 感應的電動勢為 0.1~7 mV左右的交變信號。在實際測量中,基本上可以測出的是1 m流速對應1 mV; ② 此信號內阻高, 為幾M Ω ; ③ 其它干擾成分信號多,尤其為50 Hz工頻干擾, 幅度遠遠大于流量的感應電動勢。 1.2 智能化放大電路組成 針對感應電動勢的上述特點設計了高精度電磁流量計智能化放大電路, 其參考電路如圖1 所示。電路由以下幾部分組成: 采用高精度儀表放大器A1組成的前端放大器、運放A2等組成的濾波回路、運放A3等組成的可變增益放大器、運放A4等組成的采樣和保持電路以及24 位高精度的Σ - Δ A/D轉換器(該A/D 含在美國Analog 公司最新推出的A/D μC824 單片機中)。 1.2.1 前置放大電路 首先應該說明:由于感應電動勢是交變信號,此交變信號是由勵磁信號感應產生的。勵磁信號選用交變頻率50 Hz 的8 分頻(6.25 Hz),即勵磁信號的周期為160 ms。電路采用三值方波勵磁形式,此形式能很好地消除電極兩端的極化效應,勵磁波形如圖2 所示。 由此勵磁產生的信號也為與圖2類似的交變信號。但由于此信號內阻為幾M Ω, 如果儀表要達到± 0.5 % 的整體精度,那么整個放大電路的精度必須<0.2 %, 而最前端的A1 放大回路的精度必須控制在0.1 % 以內,因此,必須選用高達1000 M Ω以上輸入阻抗的運算放大器。為此,我們選用了INA114 集成儀表運放,具有± 40 V的輸入保護電壓, 輸入阻抗為10 GΩ, 外接元件少, 符合儀表小型化的要求, 同時通過外接的1 個精密電阻R3,就可以調節放大倍數, 計算公式為A = 1+ 50 k Ω /R3 由于電極對地的電動勢各種干擾成分多,為保證前置放大器不處于飽和與截止狀態,同時也盡量降低A1 運放本身與后面電路帶來的噪聲,選用10倍左右的放大倍數,即R3 的值為4.7 k Ω或5.1 k Ω,保證第一級IN114 的輸出電壓<± 5 V。 圖1 中的R2、R3 電阻給IN114 提供偏置電流,其阻值為10 M Ω。 1.2.2 二階有源低通濾波器 圖1 中R4、R5、C1、C2 和A2 運放構成了二階壓控電壓源有源低通濾波器。這是一個經典電路,由二階壓控電壓源濾波器的一般表達式,分析推導出放大倍數:AVF= 1 而傳遞函數為A(s)? ?n2/s2??n/Q?s??n2 (2)由此幅頻特性用歸一化后的幅值取對數表示, 可得出: 當ω / ω n =1,Q=0.707 時, 20lg|A(j ω)|=-3 dB; 當ω / ω n =10,Q=0.707 時,20lg|A(jω)|=-40 dB。 因此, 當勵磁頻率為6.25 Hz 時, 取 Q = 0.707 (6) ω n =2 π f = 2 π× 6.25 = 39.27 (7) 綜合式(3)、(4)、(6) 和(7),我們選用適當的值: R4=47 k Ω,R5=47 k Ω,C1=1 μ F,C2=0.33 μ F 這樣一來,此低通濾波電路在6.25 Hz的特征頻率下有很好的低通濾波效果。 1.2.3 可調增益放大電路 接下來的一級電路為高倍數放大電路,由圖1中的A3 放大器、R6、R7、R8、R9和口徑電阻網絡組成。由于 電磁流量計 的前置只有10 左右的放大倍數,因此這一級還需要根據不同的儀表口徑分別放大10~40倍,使 電磁流量計 的總放大倍數達到1000~4000。即使0.1~5 mV流量對應的電動勢通過放大后達到0.4~2.5 V,供后續的采樣保持和A/D轉換器使用。簡化后的放大電路如圖3 所示。該電路最大的優點是:用低值電阻實現高放大倍數的比例運算,R7、R8 和口徑電阻組成了T型網絡以代替反饋電阻Rf。這樣一來R7、R8和口徑電阻R 的阻值容易選擇,且可以控制阻值精度,從而控制儀表精度。圖3 電路的放大倍數通過三角形- 星形轉換最后得到:AVF= - (R7+R8+R7R8/R) / R6 (8)在實際電路中,我們取R7=47 k Ω,R8=47 k Ω,R6=4.7 k Ω??趶诫娮鑂 是一個電阻網絡, 由單片機AD μ C824 控制CD4051 來選擇不同的電阻, 具體的值由實際標定來確定。 1.2.4 采樣保持電路 為了將方波流量信號保留而將主要的工頻干擾消除,我們采取了這種采樣保持電路,從圖1中可以看出由R10、C4、C5 和CD4066 切換開關組成。作為一個積分器,同時也是一個濾波電路,當選擇積分時間t1為干擾信號周期T2的整數倍,此時干擾信號可完全被平均掉。由于最有可能的串模干擾為工頻50 Hz干擾,即T2=20 ms,因此在這個電路中,我們采用R10=10 k Ω,C4=C5=22 μ F, 時間常數τ =220 m s, 為工頻信號周期的5 倍, 完全濾掉了工頻干擾。缺點是有一定的信號滯后。當正的方波信號來時,接通上面的開關,正方波信號被保持在C4 上,而交流信號被R10、C4濾掉;同樣當負的方波信號來時,接通下面的開關,負方波信號被保持在C5上,而交流信號被R10、C5濾掉。這樣一來,正、負兩個信號的方波幅值分別被保持在C4、C5 上,分別接入儀表放大器A4(IN114)的同相輸入端。由于該放大器具有10 GΩ的輸入阻抗, 提高了采樣保持電路的保持特性。為了可以測量管道的正向和反向流量,一般情況下是: 當測量正向流量時,A4 放大器輸出的差動電壓為正值; 當測量反向流量時,A4 放大器輸出的差動電壓為負值。為解決這個問題,在IN114的REF端接入一個+2.5 V的參考電壓,以達到正向流量放大后的電壓信號在2.5~5.0 V之間,零流量在2.5 V左右, 反向流量放大后的電壓信號在0~2.5 V之間, 輸入到后面AD μ C824 單片機內置的24 位高精度的Σ - Δ A/D 轉換器。1.2.5 內含高精度Σ-ΔA/D轉換器的ADμ C824單片機通過前面一系列的信號放大、濾波和采樣保持電路處理,已經得到了一個比較穩定的 電磁流量計 信號。為得到高精度 電磁流量計 ,還需要采用高精度A/D 轉換輸入到單片機中。為使 電磁流量計 轉換器的設計小型化,我們采用了性能價格比很高的AD μ C824 單片機,ADμC824 是美國Analog 公司新推出的, 可以說是一個全集成的數據采集系統,內部分為模擬和數字兩大部分。模擬部分集成了兩個高精度的Σ - Δ A/D轉換器,對輸入信號可以增益控制。當信號弱時,可以通過切換量程,從20 mV~2.56 V共8個量程調節。對A/D輸入通道還可以配置數字濾波,十分方便,還有12位的DAC輸出等。其它數字部分集成了8 KB的Flash 程序區, 640 B 的EEPROM, 256 B 的RAM等, 是一個非常適用于 電磁流量計 的高性能單片機。在電路設計中, 我們充分利用其優越的性能,對AD μ C824 采用模擬5 V和數字5 V兩組電源分別供電。這樣可以將 電磁流量計 前端運放已經處理好的信號直接輸入到A/D 的輸入端AIN1, 在內部配置了50 Hz 數字濾波器,避免了常規設計中的模擬或數字的隔離環節。本部分A/D采樣的分辨率為24 位, 精度達到了1/10000 以上, 對提高整個 電磁流量計 的性能起了很大的作用。 2 結 論 此 電磁流量計的放大電路采用了高性能的集成電路和先進的設計思想,在實際的產品中得到了很好的應用。整體儀表電路通過實際的標定, 精度高, 達到了± 0.5 %, 且可以進行正向、反向流量測量和空管判斷。量程比為35:1,它在石化、環保、醫藥和鋼鐵等領域均得到了廣泛的使用。

    簡單介紹:
    高精度電磁流量計由傳感器和轉換器兩部分構成。它是基于法拉第電磁感應定律工作的,用來測量電導率大于5μS/cm導電液體的體積流量,是一種測量導電介質體積流量的感應式儀表。除可測量一般導電液體的體積流量外,還可用于測量強酸強堿等強腐蝕液體和泥漿、礦漿、紙漿等均勻的液固兩相懸浮液體的體積流量。廣泛應用于石油、化工、冶金、輕紡、造紙、環保、食品等工業部門及市政管理,水利建設、河流疏浚等領域的流量計量。
    詳情介紹:

    一、高精度電磁流量計介紹:
          HQLDE高精度電磁流量計由傳感器和轉換器兩部分構成。它是基于法拉第電磁感應定律工作的,用來測量電導率大于5μS/cm導電液體的體積流量,是一種測量導電介質體積流量的感應式儀表。除可測量一般導電液體的體積流量外,還可用于測量強酸強堿等強腐蝕液體和泥漿、礦漿、紙漿等均勻的液固兩相懸浮液體的體積流量。廣泛應用于石油、化工、冶金、輕紡、造紙、環保、食品等工業部門及市政管理,水利建設、河流疏浚等領域的流量計量。


    二、高精度電磁流量計產品特點  
          
        全數字量處理,抗干擾能力強,測量可靠,精度高、流量測量范圍可達150:1
        超低EMI開關電源,適用電源電壓變化范圍大,抗EMI性能好。
        采用16位嵌入式微處理器,運算速度快, 精度高,可編程頻率低頻矩形波勵磁,提高了流量測量的穩定性,功耗低。
        采用SMD器件和表面貼裝(SMT)技術,電路可靠性高。
        管道內無可動部件,無阻流部件,測量中幾乎沒有附加壓力損失。
        在現場可根據用戶實際需要在線修改量程。
        測量結果與流速分布,流體壓力,溫度、密度、粘度等物理參數無關。
        高清晰度背光LCD顯示,全中文菜單操作,使用方便,操作簡單,易學易懂。
        具有RS485、RS232、Hart和Modbus等數字通訊信號輸出。(選配)
        具有自檢與自論斷功能。
        小時總量計錄功能,以小時為單位記錄流量總量,適用于分時計量制(選配)
        內部具有三個積算器可分別顯示正向累計量反向累計量及差值積算量,內部設有不掉電始終,可記錄16次掉電時間。(選配)
        紅外手持操作器,115KHZ通訊速率,遠距離非接觸操作轉換器所有功能(選配)
     
    三、高精度電磁流量計技術參數


    公稱通徑(mm)
    (特殊規格可定制)
    管道式:DN10~DN3000
    插入式:DN200~DN3000
    流動方向: 正,反,凈流量
    量程比: 150:1
    重復性誤差: 測量值的±0.1%
    精度等級: 管道式:0.2級,0.5級
    被測介質溫度: 普通橡膠襯里:-20~+60℃
    高溫橡膠襯里:-20~+90℃
    聚四氟乙稀襯里:-30~+100℃
    高溫型四氟襯里:-20~+180℃
    額定工作壓力:
    (高壓可定制)
    DN6-DN80:≤1.6MPa
    DN100-DN250:≤1.0MPa
    DN300-DN1200:≤0.6MPa
    流速范圍: 0.1-15m/s
    電導率范圍: 被測流體電導率≥5μs/cm
    電流輸出: 負載電阻 0~10mA:0~1.5kΩ
    4~20mA:0~750 kΩ
    數字頻率輸出: 輸出頻率上限可在1~5000HZ內設定帶光電隔離的晶體管集電極開路雙向輸出。外接電源≤35V導通時集電極*大電流為250mA
    供電電源: AC220V、DC24V或3.6V電池
    要求直管段長度 上游≥5DN,下游≥2DN
    連接方式: 流量計與配管之間均采用法蘭連接,法蘭連接尺寸應符合GB11988的規定
    防爆等級: mdIIBT4
    防護等級: IP65,特殊訂制*高可達IP68
    環境溫度: -25~+60℃
    相對溫度: 5%~95%
    消耗總功率: 小于20W


     四、高精度電磁流量計儀表選型
    1.選型代碼:


    型號 說明 
    HQLDE —  □  □  -□ □  □  □  □  □  -□  □  □  □  □ 
    通徑                                     10-2200mm 
    組合  一體型 
    分體型 
    電極材料  不銹鋼 
    Ti(鈦) 
    Ta(鉭) 
    哈氏合金 
    Pt鉑 
    Ni鎳 
    輸出方式  無輸出 
    4-20mA/1-5KHz 
    4-20mA 
    襯里材料  橡膠 
    聚四氟乙烯 
    聚乙烯 
    聚氨酯橡膠 
    就地顯示  無就地顯示 
    就地顯示 
    通訊方式  無通訊 
    RS485 
    RS232 
    Mobdus 
    Hart 
    接地  無接地環 
    有接地環 
    有接地電極 
    上限流量  (n) 上限流量(量程)m3/h 
     工稱壓力 A 0.6MPa
    B 1.0 MPa
    C 1.6 MPa
    D 2,5 MPa
    測量精度 1 0.2
    2 0.5
    3 1
    介質溫度 L 0-80度
    H 0-150度
    供電方 DC 24V直流電源
    AC 220V交流電源

    五、 高精度電磁流量計襯里的選擇:


    襯里材料 主要性能 適用范圍
    氯丁橡膠
    Neoprene
    耐磨性好,有極好的彈性,高扯斷力耐一般低濃度酸堿鹽介質的腐蝕,不耐氧化性介質的腐蝕。 <80°C,一般水,污水,泥漿,礦漿
    聚氨酯橡膠
    Polyurethane
    有極好的耐磨性能,耐酸堿性能略差。 <60°C,中性、強磨損的礦漿,煤漿、泥漿。
    聚四氟乙烯
    PTFE
    化學性能*穩定的一種材料,能耐沸騰的鹽酸、硫酸、硝酸和王水,濃堿和各種有機溶劑,不耐三氟化氯、高溫二氟化氧。 <180°C,濃酸、堿等強腐蝕性介質,衛生類介質。
    F46 化學穩定性、電絕緣性、潤滑性、不粘性和不燃性與PTFE相仿,但F46材料強度、耐老化性、耐溫性能和低溫柔韌性優于PTFE。與金屬粘接性能好,耐磨性好于PTFE,具有較好
    的抗撕裂性能。
    <180°C,鹽酸、硫酸、王水和強氧化劑等,衛生類介質


     六、高精度電磁流量計電極材料的選擇:


    材質 耐腐蝕性能
    316L 對于硝酸、室溫下<5%的硫酸,沸騰的磷酸、堿溶液;在一定壓力下的亞硫酸、海水、醋酸等介質有較強的耐腐蝕性。
    哈氏合金HB 耐沸點下一切濃度的鹽酸、硫酸、氫氟酸有機酸等非氧化性酸、堿、非氯化性鹽酸。
    哈氏合金HC 耐氧化性酸如:硝酸、混酸或鉻酸與硫酸的混合物及氧化性鹽類、海水
    能耐海水、各種氯化物和次氯酸鹽、氧化性酸(包括發煙硝酸)、有機酸、堿等的腐蝕,不耐較純的還原性酸(硫酸、鹽酸)的腐蝕,但如酸中含有氧化劑(如硝酸和含有Fe、Cu離子的介質)時則腐蝕大為降低。
    具有優良的耐腐蝕性和玻璃很相似,除了氫氟酸、濃硫酸外,幾乎能耐一切化學介質(包括沸點的鹽酸、硝酸和175°C以下的硫酸)的腐蝕,在堿中不耐腐蝕。


    七、高精度電磁流量計口徑及流量的選擇



    公稱通徑(mm) 可測量流量范圍(m3/h) 有效測量流量范圍(m3/h) 公稱通徑(mm) 可測量流量范圍(m3/h) 有效測量流量范圍(m3/h)
    4 0.0135~0.4522 0.0135~0.4522 250 8.8313~2119 52.9875~1766
    6 0.0305~1.0173 0.0305~1.0173 300 12.717~3052 76.302~2543
    8 0.0543~1.8086 0.0543~1.8086 350 17.31~4154 103.86~3461
    10 0.0142~3.3912 0.0848~2.826 400 22.61~5425 135.65~4521
    15 0.0318~7.6302 0.1908~6.3585 450 28.62~6867 171.68~5722
    20 0.0566~13.5648 0.3392~11.304 500 35.33~8478 211.95~7065
    25 0.0883~21.195 0.5298~17.6625 600 50.87~12208 305.2~10173
    32 0.1447~34.7258 0.8682~29.9382 700 69.24~16616 415.4~13847
    40 0.2261~54.2592 1.3565~45.216 800 90.44~21703 542.6~18086
    50 0.3533~84.78 2.1195~70.65 900 114.46~27468 686.7~22890
    65 0.5970~143.28 3.5819~119.39 1000 141.3~33912 847.8~28260
    80 0.9044~217.03 5.4259~180.86 1200 203.5~48833 1221~40694
    100 1.413 ~339.12 8.478~282.6 1400 277~66467 1662~55389
    125 2.2079~529.87 13.2468~441.56 1600 361.8~86814 2171~72345
    150 3.1793~763 19.0755~635.85 1800 457.9~109874 2747~91562
     
    200 5.652~1356 33.912~1130.4      



    八、高精度電磁流量計安裝示意圖

    九、高精度電磁流量計現場實物安裝圖

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