0 前言

      插入式流量计在经济方面的优越性主要体现在：价格与口径无关，在大口径情况下，价格十分低廉；安装维护方便、费用小。由于目前能源与环保计量方面的需求（如污水流量的测量等），发展插入式流量计已成为一种趋势。其中美国的March-Mcbimey公司的插入式电磁流量计在此领域处在领先地位，广泛应用于污水、浆水，饮料、化工领域的流体测量。如该公司的Model 282型压力管线插入式电磁流量计，适合的口径可从2英寸～96英寸；探头可通过球阀与0型密封卷在不断流状伸出缩进和拆装。该流量计探头直径小、头部呈流线型、插入管道深度小，可近似为不阻流（阻塞系数β=1），特别适合测量含有大量杂质的原生污水；还可通过现场流速分布测量，获得一组不同状态下的平均流速，用来确定回归方程系数，进而可以测量非理想紊流状的流量。

      在此基础上我们研制了满管型插入式电磁流量计。三台样机在常州热工仪表厂测试设备上用稳压水塔和容积法进行测试，探头插入口径为100mm的内壁光滑的铁管，其流量在0～100m3/h以内。使用后测试得到非线性误差≤±1%，基本达到了国外同类产品的指标。同时该插入式电磁流量计在城市原生污水管线上试用两个月，探头抗污性能良好，在符合满管状态的条件下，工作状态稳定正常。本文叙述的就是此流量计的电路设计及关键问题的处理。

      1 总体方案

      为保证达到近似为不阻流的条件，探头尺寸应尽可能小。选用1英寸不锈钢管为探头壳体，激磁线圈采用工业纯铁作铁芯，漆包线直径0.1mm，将它密封在一个流线型半球型尼龙头内，上面包括一对不锈钢电极。尼龙头和不锈钢管通过螺纹密合在一起。电极与激磁线圈的引线由不锈钢管内引到顶部接线盒内。为避免在探头内发射的信号通过漏电阻及电容耦合到接收端，激磁线圈及信号发射引线与电极及信号接收引线应分开屏蔽。传输线采用高质量低频屏蔽线。由于探头尺寸小，激磁线圈漆包线直径只能很小，为避免产生热量激磁电流应控制在30mA以内。由于产生的磁场强度就很小，这就要求接收电路有足够高的灵敏度及抗干扰性能。考虑50Hz工频电压干扰，我们选恒定方波电流激磁方式，方波频率选50/4Hz=12.5Hz，这样对工频干扰就能有很强的抑制作用。为进一步提高零点稳定性，防止发射信号从电源耦合到接收电路，激磁信号电路与接收电路之间采用了电隔离，同步信号通过光电耦合完成。

      2 激磁信号电路

      激磁信号电路的供电电压15V。接收电路中的25Hz方波电压信号通过光耦器件（P521）耦合到发射信号电路，再通过D触发器分频成12.5Hz两反相的方波电压，去控制恒流源电路中的电子开关网络（T7、T8、T9、T10）进行切换。在激磁线包L1上形成30mA左右正负对称的方波电流，与控制方波电压同步。这样，流体运动切割磁力线产生的方波电压与激磁电流同步，也即与控制开关网络的方波电压同步，这样就保证了在接收电路中的同步解调。激磁信号电路详见图1，插入式电磁流量计的研制夏敖敖。等其中T11、T12为镜像恒流源。

      3 转换器电路

      第一级要求有很高的输入阻抗，以降低由于流体电导率变化所引起的误差；同时也要求有很高的共模抑制比，因为电极直接接触流体，50Hz工频干扰大，而信号十分微弱，没有很高的共模干扰抑制能力，信号将被50Hz干扰所掩没。为此第一级采用仪用放大器，选Rg=5.1kΩ增益约20dB。第二级由高输入阻抗运算放大器CA3140组成射极跟随器。由于第三级应有很强的选频选相特性和稳定的高增益，所以采用将载波的选放、基带信号的低通滤波、解调三功能组合在一起的所谓“调制解调式双二次型（托氏电路）滤波器电路”，详见图2。其中电子开关选用四双向电子开关电路4066，S1-2，S2'-1'，S'1-2，S'2'-1'中的序号1，1'为12.5Hz同步方波的“0”相位控制，序号2，2'为同步方波的“∏”相位控制。图中开关所示位置是在“0”相位低电平，“∏”相位高电平时的状态，以保证该电路是负反馈。

      转换器电路的放大倍数完全由电阻比决定。因为负反馈平衡作用，积分器直流输入总是等于零，同步解调无直流输出即同步积分器输出也总是零，它的两个输入信号电流值一定大小相等相位相反。因积分器的输出直流电压经300倍的衰减再调制成的方波信号与10倍的方波流量信号相等（R18/R5=10），所以放大倍数（R14/R15）×（R18/R5）为3000约70dB。它对流量信号的截止频率为。由于同步积分器的同步积累作用使它有很强的抑制干扰与噪声的能力，而载波是50/4Hz，所以对50Hz干扰有很更强的抑制能力。从上分析可以看到同步积分器总是放大小信号，因此线性好、稳定性也好，供电电压±6V，输出电压范围0～5V。在校验时，调整增益，使之对应0～5m/s的流速，即仪表的流速系数校正为1m/sV。

      图2的输出电压经UoA/D转换器输出给本地的积算仪，或经V/F转换器由光电耦合电隔离远传给单独积算仪。在带μP的积算仪中设置速度分布系数α（定义为在面平均流速与测点处流速 与测点处流速Vop之比）与管道截面积A经运算得瞬时流量及累计总量Q总，同时显示瞬时流量Qv和累计总量Q总。

      4 共模抑制与接地处理

      实践表明，即使采用仪用放大器AD620，但如果接地处理不好，CMR仍然很低，以至仪器不能正常工作。分析其原因，是从电极到AD620输入端有10m长的电缆线，信号芯线与屏蔽层之间的分布电容在两点接大地情况下，工频共模干扰会转化为串模干扰，一般可采用共模屏蔽层驱动技术使电缆分布电容失去作用。考虑探头外壳必须与大地相通，而屏蔽层又与探头外壳相通的情况，采用一点接地以切断地电流回路的方法防止共模干扰的转化，这样线路板上的信号地（模拟电源地）浮置，即与外壳隔断。外壳只接交流供电的保护地线，实践表明效果很好。当与其它外部仪器连接时（如单独积算仪等），可采用光电耦合进行电隔离，以防止通过外部仪器的地与大地相通。

      5 校验与回归拟合

      用稳压水塔和容积法校验流速仪表系数，选用直径为100mm（即r=50mm）内壁光滑的直管，探头插入离管道中心25mm处（即rx=25mm）。因接近理想紊流条件，所以rx=25mm、管道半径r=50mm、与雷诺数Re有关的n取7，由经验公式=0.816Vmax即Vmax=/0.861与Vop=Vmax（1一rx/r）1-n。由此可求得测点处流速Vop与面平均流速的关系为Vop=1.12（即α=1/1.12），式中可通过容积时间法测得，Vop求出后，可由输出电压Uo与Vop的数据求得流速仪表系数。

表1插入式电磁流量计的输出电压与测点处流速的关系 

流量Qv(M3/h)

面平均流速(M/s)

测点处流速Vop（计算的）M/s

仪表输出电压Uo(V)

5.9

0.21

0.24

0.211

19

0.67

0.75

0.660

40

1.42

1.59

1.390

88

3.11

3.48

3.080

93

3.29

3.68

3.215

      根据表1所示的数据和线性回归方程：

      Vop=βUo+C

      求得：β=1.1386 C = -0.001m/s（很小，可以忽略），则有：

    Vop(读出)=βUo=1.1386Uo 

      将β作为一个乘数手动设置到流量计的积算仪中，就可读出Vop。读出的Vop及它的相对误差γ见表2。

表2读出以及它的相对误差γ 

Vop(读出的)m/s

Vop(计算的)m/s

γ（误差）%

0.24

0.24

0

0.75

0.75

0

1.58

1.59

-0.6

3.51

3.48

0.8

3.66

3.68

-0.5

      在现场流符合紊流状况（即在测量探头前有大于10倍管道口径的直管段，探头后有大于5倍管道口径的直管段）的条件下，根据公式Qv=αVopA（m3/s）=A（m3/s），由插入深度与管径可计算出α和截面积A，将两参数设置到积算仪中即可。流速也可换算单位成m3/h。

      在非理想紊流（如弯头，阀门附近）的现场条件下，二阶回归拟合关系式：

      已设置在积算仪中，只要选用此方程进行测量。

      为了求得k1、k2，将上述非线性的二阶回归方程转化为如下线性方程：

      即：Y=k1+k2X（其中Y=/ Vop ，X=Vop）

      在现场每一个稳定的流速状态下，伸缩探头测几个不同半径处的流速，作流速分布图。通过面积加权法求出一个面平均流速，至少要测量和计算三个以上不同的面平均流速。由测得的Vop（工作测点处的流速）、的一组数据，根据线性正规方程公式求出k1、k2，将k1，k2设置到积算仪中去就可直接显示面平均流。

      6 结束语

      电磁流量计以法拉第电磁定律为基础，具有线性好、稳定、可靠、死区小、无活动部分的优点，可用于所有的导电液体的流量测量。但管道式电磁流量计在大口径时，体积大而笨重、价格高。插入式电磁流量计正是弥补了这一缺陷，在污水、浆水、饮料、化工领域的流体测量中有着广阔的应用前景。

      参考文献

      1 杨根生，林辉渝.流量测量仪表[M].机械工业出版社，1986
      2 孙淮清.插入式流量计.自动化仪表，1997，18（11，12）
      3 夏敖敖.消除奇次谐波响应的同步积分器.电测与仪表。1995（8）
      4 夏敖敖.调制解调式双二次型滤波器.电子工程师，2002（9）

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