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電磁流量計測量電導率的硬件方案和軟件方案概述

來源:作者:發表時間:2022-03-02 09:01:43

 隨著工業智能化的發展,電磁流量計也在朝著智能化趨勢發展[1-2],傳統電磁流量計僅能測量流體體積流量功能單一,在自來水生產、生活用水運輸、使用過程中,不僅需要測量水的流量,還需要實時監測水質是否達標或被污染,電導率是衡量水質的重要指標之一[3]。除此之外,電導率還可用于區分不同介質的流體,檢測流體性質的變化如溶液濃度等。因此,在電磁流量計系統上同時實現電導率測量具有重要意義[4]。

 
目前有效的方法是通過附加激勵源的方式[5]測量兩電極間的等效阻抗值得到流體電導率的值。Schrag 等[6]介紹一種附加單頻激勵測量流體電導率的方法。由于電磁流量計一次傳感器電極間的等效模型較為復雜,單頻激勵不能準確地測量一定范圍內的流體電導率。Rufer 等[7]提出一種利用雙頻激勵源求平均阻抗的方法,附加激勵采用間歇性方波直流耦合的方式,實現電導率的測量。Hencken 等[8]利用電化學阻抗譜技術得到被測介質的電導率,在電導率 25 μS / cm ~ 4 mS / cm 的范圍內測量精度為 20%。上海大學 Cui 等[9-10]提出基于光電池激勵的快速電化學阻抗譜測量,激勵源串接于電極測量回路,不會降低前級電路的輸入阻抗,且提高了測量精度,在電導率為 1. 7~2 000 μS / cm 范圍內測量精度為 5%。在上述測量方法中,附加激勵源與流量計磁場激勵均是分時激勵的[11],電磁流量計為了保持零點穩定性一般采用低頻激勵[12-14],犧牲掉一部分的動態響應性,如果電導率測量的附加激勵與流量勵磁激勵交替進行,勢必會影響零點穩定性且進一步降低流量計的動態響應性能。為此,本文提出一種可并行激勵的電磁流量計電導率測量方法。
 
硬件方案
電磁流量計信號處理系統硬件總體框圖如圖 5 所 示。系統以 DSP 處理器 TMS320F28335 為核心,由勵磁控制、信號調理與轉換、數字信號處理與控制、通信、人機交互及電源管理等模塊組成。勵磁控制模塊為勵磁線圈提供勵磁電流,產生測量流量所需的磁場; 信號調理模塊實現流量信號、勵磁電流、電導率信號的采集和調理,并通過模數轉換器轉換成數字信號送給 DSP 處理器; 信號處理與控制模塊產生勵磁控制等信號,接收調理與轉換模塊發送的信號,通過數字信號處理獲得流量測量等數據,并將其通過液晶顯示、脈沖和 4 ~ 20 mA 電流等方式輸出; 人機交互提供按鍵輸入和液晶顯示,用于儀表信息、工作參數的顯示和設定; 電源管理為整個測量系統提供所需的電源。
系統硬件框圖
系統軟件設計電導率測量系統軟件部分包括 ADC 采樣、數字信號處理算法、計算結果并送顯。ADC 采樣部分將模擬信號轉換為數字信號,算法流程如圖 8 所示。電導率信號算法處理流程為判斷 AD 是否采滿一周期點數,滿足條件則對信號進行帶通濾波,濾除流量信號以及噪聲干擾,之后計算該周期信號能量大小。判斷計算結果是否滿足一定點數,若滿足則進行中位值平均濾波,判斷計算值是否大于空管閾值,若大于閾值則空管報警,若小于閾值則根據擬合系數計算電導率結果,最后結束算法流程。
 
實驗測試
將本文研制的電導率測量系統與電磁流量計二次轉換器系統結合,在 DSP 處理器上實時處理數據并顯示電導率測量結果。首先對電導率測量系統進行標定。然后進行流速實驗,實現流量與電導率的同時測量。 1) 標定實驗將一次 傳 感 器 放 置 在靜水盆中,傳 感 器 口 徑 為DN40,圓形電極面積為 1 cm2,電極材料為不銹鋼 316 L。水源取自飲用自來水,電導率范圍是 125 ~ 1 250 μS / cm,水位至充滿測量管道,通過加入一定量的 KCL 濃溶液( 1 mol /L) 改變溶液電導率,室溫保持在25 ℃ 左右,實驗裝置如圖 9 所示。
實驗裝置
以上海雷磁 DDB-303A 便攜式電導率測量儀的測量結果作為實驗標準值,儀器精度為 1%,高頻方波激勵頻率為 250 Hz,系統數據處理結果通過 RS485 通信實時上傳至上位機并保存,每次改變溶液電導率后均充分攪勻靜置,待穩定后進行數據與標準值的采集,實驗測量20 組數據,采用奇數組擬合,偶數組驗證的方式,電導率用式( 13) 擬合。
電導率
擬合得到系數 a = 0. 017 3,b = -0. 002 481,將偶數 10組數據代入式( 13) 計算誤差,結果如表 1 所示。
標定實驗誤差結果
 
結 論
本文提出單路高頻方波的激勵方式測量電導率,設計了激勵電路與信號調理電路,以數字信號處理器為核心,研制電磁流量計電導率測量系統,實現了磁場與附加激勵并行激勵,提高了電導率測量的精度,保證了實時性。采用帶通濾波和基于能量衰減的數字信號處理方法,有效濾除信號中的直流干擾和工頻干擾,實現電導率準確測量。流速實驗結果表明,電導率測量結果不受流速大小的影響,可實現流量和電導率的同時測量,且研制的電導率測量系統在電導率為 100 μS / cm ~ 3 mS / cm 范圍內滿足 3% 的測量精度要求,水流量標定精度優于0. 5 級。
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