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电磁流量计测量电导率的硬件方案和软件方案概述

来源:作者:发表时间:2022-03-02 09:01:43

 随着工业智能化的发展,电磁流量计也在朝着智能化趋势发展[1-2],传统电磁流量计仅能测量流体体积流量功能单一,在自来水生产、生活用水运输、使用过程中,不仅需要测量水的流量,还需要实时监测水质是否达标或被污染,电导率是衡量水质的重要指标之一[3]。除此之外,电导率还可用于区分不同介质的流体,检测流体性质的变化如溶液浓度等。因此,在电磁流量计系统上同时实现电导率测量具有重要意义[4]。

 
目前有效的方法是通过附加激励源的方式[5]测量两电极间的等效阻抗值得到流体电导率的值。Schrag 等[6]介绍一种附加单频激励测量流体电导率的方法。由于电磁流量计一次传感器电极间的等效模型较为复杂,单频激励不能准确地测量一定范围内的流体电导率。Rufer 等[7]提出一种利用双频激励源求平均阻抗的方法,附加激励采用间歇性方波直流耦合的方式,实现电导率的测量。Hencken 等[8]利用电化学阻抗谱技术得到被测介质的电导率,在电导率 25 μS / cm ~ 4 mS / cm 的范围内测量精度为 20%。上海大学 Cui 等[9-10]提出基于光电池激励的快速电化学阻抗谱测量,激励源串接于电极测量回路,不会降低前级电路的输入阻抗,且提高了测量精度,在电导率为 1. 7~2 000 μS / cm 范围内测量精度为 5%。在上述测量方法中,附加激励源与流量计磁场激励均是分时激励的[11],电磁流量计为了保持零点稳定性一般采用低频激励[12-14],牺牲掉一部分的动态响应性,如果电导率测量的附加激励与流量励磁激励交替进行,势必会影响零点稳定性且进一步降低流量计的动态响应性能。为此,本文提出一种可并行激励的电磁流量计电导率测量方法。
 
硬件方案
电磁流量计信号处理系统硬件总体框图如图 5 所 示。系统以 DSP 处理器 TMS320F28335 为核心,由励磁控制、信号调理与转换、数字信号处理与控制、通信、人机交互及电源管理等模块组成。励磁控制模块为励磁线圈提供励磁电流,产生测量流量所需的磁场; 信号调理模块实现流量信号、励磁电流、电导率信号的采集和调理,并通过模数转换器转换成数字信号送给 DSP 处理器; 信号处理与控制模块产生励磁控制等信号,接收调理与转换模块发送的信号,通过数字信号处理获得流量测量等数据,并将其通过液晶显示、脉冲和 4 ~ 20 mA 电流等方式输出; 人机交互提供按键输入和液晶显示,用于仪表信息、工作参数的显示和设定; 电源管理为整个测量系统提供所需的电源。
系统硬件框图
系统软件设计电导率测量系统软件部分包括 ADC 采样、数字信号处理算法、计算结果并送显。ADC 采样部分将模拟信号转换为数字信号,算法流程如图 8 所示。电导率信号算法处理流程为判断 AD 是否采满一周期点数,满足条件则对信号进行带通滤波,滤除流量信号以及噪声干扰,之后计算该周期信号能量大小。判断计算结果是否满足一定点数,若满足则进行中位值平均滤波,判断计算值是否大于空管阈值,若大于阈值则空管报警,若小于阈值则根据拟合系数计算电导率结果,最后结束算法流程。
 
实验测试
将本文研制的电导率测量系统与电磁流量计二次转换器系统结合,在 DSP 处理器上实时处理数据并显示电导率测量结果。首先对电导率测量系统进行标定。然后进行流速实验,实现流量与电导率的同时测量。 1) 标定实验将一次 传 感 器 放 置 在静水盆中,传 感 器 口 径 为DN40,圆形电极面积为 1 cm2,电极材料为不锈钢 316 L。水源取自饮用自来水,电导率范围是 125 ~ 1 250 μS / cm,水位至充满测量管道,通过加入一定量的 KCL 浓溶液( 1 mol /L) 改变溶液电导率,室温保持在25 ℃ 左右,实验装置如图 9 所示。
实验装置
以上海雷磁 DDB-303A 便携式电导率测量仪的测量结果作为实验标准值,仪器精度为 1%,高频方波激励频率为 250 Hz,系统数据处理结果通过 RS485 通信实时上传至上位机并保存,每次改变溶液电导率后均充分搅匀静置,待稳定后进行数据与标准值的采集,实验测量20 组数据,采用奇数组拟合,偶数组验证的方式,电导率用式( 13) 拟合。
电导率
拟合得到系数 a = 0. 017 3,b = -0. 002 481,将偶数 10组数据代入式( 13) 计算误差,结果如表 1 所示。
标定实验误差结果
 
结 论
本文提出单路高频方波的激励方式测量电导率,设计了激励电路与信号调理电路,以数字信号处理器为核心,研制电磁流量计电导率测量系统,实现了磁场与附加激励并行激励,提高了电导率测量的精度,保证了实时性。采用带通滤波和基于能量衰减的数字信号处理方法,有效滤除信号中的直流干扰和工频干扰,实现电导率准确测量。流速实验结果表明,电导率测量结果不受流速大小的影响,可实现流量和电导率的同时测量,且研制的电导率测量系统在电导率为 100 μS / cm ~ 3 mS / cm 范围内满足 3% 的测量精度要求,水流量标定精度优于0. 5 级。