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基於Labview的雙線圈電磁流量計技術研究

文章出處:AG贵宾厅實業 人氣:發表時間:2019-02-10 11:57

    電磁流量計測量技術具有非接觸性、無汙染和易檢測等特點,現被廣泛應用於化工生產、冶金製造和醫療等各個領域。但由於傳統的電磁流量計測量過程易受被測介質和周圍環境的影響,致使測量精度和應用範圍都受到較大的限製。為解決上述問題,文章設計了一種基於Labview 技術的雙線圈電磁流量計測量方法,應用差值補償機製和自主學習的中值理論算法,經過仿真實驗和實際應用的數據比較,該方法能夠大大提高電磁流量計測量的抗幹擾能力和適用範圍,電磁流量計測量的精度達到1%以上,基本滿足電磁流量計測量技術在各個領域的應用。
    電磁測量技術是應用電磁感應原理,通過激發線圈和接收線圈的相互作用檢測樣本的相關物理信息,利用時間量、電磁量等數據進行分析處理,計算出被測樣本所需的物理參數。電磁測量的樣本須具有良好的磁導性,且被測樣本周邊為非磁導性介質,這樣才能滿足電磁測量的基本條件。電磁流量計是電磁測量技術應用的典型代表,工業領域應用此技術對管道內的鐵磁物質進行速度、流量等參數的檢測;醫療領域利用此技術配以適當的輔助介質對人體的循環係統和消化係統等進行非接觸式檢查。傳統的電磁流量計測量技術采用單線圈測量方法,此方法易受到外部信號的幹擾,且測量精度也受到本身激發線圈電磁力的幹擾,測量精度難以提高。為了較好地解決上述測量問題,本文設計了一種基於Labview 技術的雙線圈電磁流量計測量方法,采用單激發線圈和雙接收線圈的差值補償機製,同時采用檢測係統的自主學習和中值理論算法,不斷優化係統的精度。經過實驗室模擬仿真,結合實際應用的數據比較,該檢測方法能夠大大提高電磁測量的抗幹擾能力和適用範圍,使得電磁流量計測量的精度達到1%以上,基本滿足電磁流量計測量技術在相關領域的應用。
1 單線圈電磁流量計
1. 1 單線圈流量計物理結構
    單線圈流量計物理結構圖如圖1 所示,此結構包括激發線圈、接收線圈和檢測管道。激發線圈產生勵磁電流磁化檢測管道內的磁性物質,接收線圈檢測由於磁化物質移動產生的感應電勢。
圖1 單線圈流量計物理結構圖
    圖1 單線圈流量計物理結構圖
1. 2 單線圈流量計通信協議
    單線圈流量計采用單片機進行樣本檢測和數據通信,設定流量計的通訊協議如表1 所示。其中通訊接口為RS485,波特率9600,起始位1 位,數據位8 位,偶校驗1 位,停止位1位,MODBUS - RTU 標準協議。
表1 單線圈流量計通信協議
    表1 單線圈流量計通信協議

1. 3 單線圈流量計工作原理
    如圖1 所示,激發線圈產生頻率固定的三角波勵磁信號磁化檢測管道中的樣本,當被磁化的樣本移動至接收線圈時將產生相應的感應電勢。設定激發時間為t1,接收時間為t2,激發線圈與接收線圈之間的距離為s,樣本流速為v,則有:
    v = s/t2 - t1
1. 4 單線圈流量計檢測分析
1. 4. 1 檢測波形
    將圖1 所示的單線圈流量計安裝在輸送鐵礦漿管道上,且確保安裝管道部分為非鐵磁性物質。單片機按上述的通信協議對鐵礦漿進行數據采集和處理,利用示波器觀察分析采樣波形,采樣波形如圖2 所示。
圖2 單線圈鐵礦漿采樣波形
    圖2 單線圈鐵礦漿采樣波形
    在圖2 所示中,勵磁電流( ilc) 為三角波,噪聲( vz) 為無勵磁信號時接收線圈檢測的噪聲信號,接收信號1( vr1) 為勵磁電流對接收線圈產生的互感電勢,接收信號2(vr2) 為接收線圈檢測到被磁化的樣本感應電勢。
1. 4. 2 流速計算
    勵磁電流(ilc) 為三角波,則最大勵磁電流為頂點,設定勵磁電流頂點為激發時間t1,由電磁感應原理可得由公式(3) 可得vr2 = N dφdt= 0。由圖2 可知vr2 = 0 時,即為噪聲平均值的延長線與接收信號的交點,且該交點時間即為t2,根據公式(1)計算出樣本流速v。
1. 4. 3 係統誤差分析
    根據電磁感應原理,樣本被磁化時將產生與流速方向相反的電磁力,電磁力的大小為F = BILsin θ。此電磁力將直接影響樣本的瞬時流速,給檢測係統帶來係統誤差。為了減小該係統誤差可以增加激發線圈與接收線圈之間的距離,但距離增大會使得被磁化樣本由於紊流的影響磁通量將逐漸變小。為解決上述問題,本文設計了一種基於Labview 的雙線圈電磁流量計,基本滿足檢測工藝的要求。
2 雙線圈電磁流量計
2. 1 雙線圈電磁流量計物理結構
    雙線圈電磁流量計物理結構如圖3 所示。此結構與圖1相比多一個接收線圈2,其他物理結構與圖1 相同,且雙線圈流量計的通信協議與單線圈基本一致,在此不再贅敘。
圖3 雙線圈流量計物理結構圖
    圖3 雙線圈流量計物理結構圖
2. 2 雙線圈流量計工作原理
    雙線圈流量計采用一個激發線圈和兩個接收線圈,當激發線圈發出勵磁信號後,將分別在兩個接收線圈中產生感應電勢。設定第一個接收線圈感應電勢最大值時刻為t1,第二個接收線圈感應電勢最大值時刻為t2,兩個線圈的實際距離分別為s1和s2,被檢測樣本流速為vs。
3 中值滑移濾波
3. 1 噪聲濾波
    接收線圈受到環境條件、勵磁電流,以及紊流等因素的影響,在信息采集過程中會產生數字噪聲,噪聲是造成後期波形退化的重要因素之一。因此必須對采集的樣本數據進行噪聲濾波,常見的濾波方法有中值濾波、均值濾波和平均滑移濾波等。均值濾波是典型的線性噪聲濾波方法,能夠有效地去除高斯噪聲,缺點是破壞了波形的邊緣。中值濾波是一種非線性濾波,它在運算過程中並不需要圖形的統計特性,可以克服線性濾波所帶來的波形細節模糊。為了解決上述的濾波問題,本文設計了基於Labview 的中值滑移濾波方法,不僅可以有效地濾除噪聲,且對波形的點、線、尖頂細節作了較好的處理。
3. 2 中值濾波
    傳統的中值濾波是把序列或數字圖像中某點的值,用該點鄰域中各點的中值來替代。設{hx,y(x,y)∈I2 } 為磁化樣本的預處理數據值,濾波窗口為A,Px,y為窗口是A 在點hx,y的中值。
4 結論
    本文設計的雙線圈流量計克服單線圈流量計由於勵磁電流引起的係統誤差,大大地提高了係統的精度。同時采用基於Labview 的樣本數據采集和分析,易於實現係統的數據化處理和傳輸。為提高係統的實時性和準確性,本文采用模糊化表動態調整參數值,實現係統的自主學習過程。在實際的應用過程中,雙線圈流量計也存在一些問題,比如兩個接收線圈距離的選擇對係統精度的影響,距離近了,不利於係統精度的提高,距離遠了紊流等因素的影響使得磁化樣本產生發散現象。因此,怎樣選取合適的雙線圈距離和優化樣本數據是將來進行電磁流量計研究的方向。

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