本文提出了一種動態同步捕獲（DSC）算法來計算電磁流量計的流量。DSC算法的特性可以精確地計算流量信號并有效地轉換模擬信號以升級微控制器單元（MCU）的執行性能。此外，它可以減少異常噪音的干擾。它非常穩定，不受流量測量波動的影響。而且，它可以立即計算當前流量信號（m / s）。DSC算法可以應用于當前通用MCU固件平臺，無需使用DSP（數字信號處理）或高速和高端MCU平臺，硬件信號放大降低了對ADC精度的要求，降低了成本。

 

1.簡介

電磁流量計自20世紀初開始研制70多年，用于石油，化工，冶金，紡織，食品，液壓建筑，工業測量和醫療行業[ 1]]。目前大多數流量計的開發僅限于臺灣的機械測量。在工業測量領域中沒有對電磁流量計的使用進行研究。它們的單價很高，并且由于進口問題，需要大量的時間來獲得它們。Frost＆Sullivan和國際能源署（IEA）表示，從2007年到2030年，全球基礎能源設備的投資將累計達到26萬億美元，智能流量計市場預計將達到776億美元。 2022年，2016年至2022年的復合年增長率（復合年增長率）為5.4％[ 2 ]。

 

在世界上的幾個地方，電力，石油和天然氣的基礎設施將需要在2030年之前取代。面對競爭環境和全球節能減碳的需求，各種工業用戶都越來越關注效率生產工廠盡可能減少能源消耗，從而提高競爭力。因此，大量投資，用于提高工廠自動化水平，收集現場數據和實時監控，可以提高過程控制系統的效率。在石油，天然氣和能源工業中，貿易交接設施需要可靠的流量測量設備。在化學和制藥工業中，電磁流量計需要高精度。傳感器和現場設備，包括電磁流量計，

 

目前，電磁流量計紙張中的大多數方法都沒有規定在流量計算中使用哪種算法。有許多方法來計算通過硬件或傳感器結構的改進的流動，但往往經常發現，他們使用**固件計算平臺的（MCU）規范（特別是在使用FPGA大量[ 3，4，5，6 ]或DSP [ 7]和其他高成本的硬件組件）。因此，可以推測必須通過更強大的硬件規范來計算其他方法，從而導致成本增加并且缺乏靈活性。鑒于此，研究如何提高算法實現效率和相關信號處理以降低硬件依賴性是非常實用的研究。

 

本文提出了一種動態同步捕獲（DSC）算法來計算電磁流量計的流量。該實現平臺基于32位微控制器單元（MCU），該單元便宜且易于獲得。該算法可以滿足實時計算和正確，準確的流量信號轉換的要求。而且，它可以同時避免噪聲干擾[ 8 ]。在計算流量信號時，該算法可以結合成像算法和統計方法，用于增加有限資源固件平臺的S / N比（信噪比），以獲得有效的結果。

 

2.背景

2.1。法拉第定律

電磁流量計的原理基于法拉第感應定律，該定律表明如果導體通過磁場移動，則將引起與導體速度成比例的電壓。根據感應定律，可以在處理液中感應出與流速成比例的電壓U.v¯處理液，感應B和內管直徑D如下：

其中B是磁通密度（Wb / m 2），v¯是導電液體運動的平均速度（m / s），D是管道的直徑（m），dl是導電液體直徑（m），A是橫截面積（m 2），和U是信號電動勢（V）。

當將等式（1）應用于電磁流量計時，應用校準因子K，并且信號電動勢U可以表示如下[ 9 ]：

其中K是無量綱常數。

 

信號電壓U由與處理液導電接觸并與管壁絕緣的電極拾取[ 10 ]。運用

 

信號電壓U可以通過信號轉換器轉換成流量指示Q V，如下：

 

此外，流速可以轉換成適合于該過程的標準化信號。這里，Q V是體積流量（m 3 / s）。

 

該過程表明標稱管道直徑D是恒定值。當磁通密度改變時，流速與信號電動勢U成正比。因此，我們可以觀察到電磁流量計的流量測量與其他物理參數無關，這是其優點之一。此外，建立了上述公式，并且從以下部分滿足有限條件。

 

2.2。假設和限制

電磁流量計需要滿足以下條件：

 

假設1：軸對稱速度分布。假設流速的分布具有軸對稱分布。液體和電場中的感應電流是對稱的并且平行于液體的軸向。

 

假設2：均勻，恒定的分布磁場。假設磁場具有恒定且均勻的分布。如果這個假設是正確的，則可以通過運動產生的磁場中導電液體的影響忽略它，即感應電流對磁場分布的影響以及感應電流和感應電流之間相互作用的影響。具有液體流速的電磁力。在液態金屬的測量中這兩種效果都不可忽略。

假設3：非磁性液體。被測液體被假定為一非磁性液體，它的磁導率μ是與真空的磁導率一致μ 0。因此，可以忽略磁性液體和磁場工作之間的相互作用對流量測量的影響。可以觀察到，測量的流體流量在上述條件和假設下保持，并且感應電動勢U可以被認為與瞬時體積流量Q V成比例。他們的關系是完全線性的。

 

假設4：均勻和各向同性的液體電導率。假設液體的電導率是均勻的和各向同性的。它與電場或液體流動無關。

 

2.3。激勵模式

用于在各種環境中測量不同液體的不同激發方法具有不同的效果和功能。

 

2.3.1。直流勵磁

電磁流量計的線圈可以由交流電（AC）或直流電（DC）供電[ 11 ]。直流勵磁利用直流電壓為電磁流量計提供穩定的電壓，使磁場的激勵穩定。直流勵磁可靠且簡單。此外，它很少受到電力供應的影響。直流激勵的問題是它導致電極化，導致較弱的流量信號[ 12 ]。電極的電阻變得更顯著，和供電的同時[漂移13，14 ]。

 

2.3.2。正弦波激勵

正弦激勵技能可以直接代替直流激勵。它可以消除表面電極化，并減少電荷漂移和電磁流量計內阻的影響[ 15 ]。幅度和頻率的正交干擾成正比。此外，它們引起同相干擾并導致電磁流量計，其沒有漂移缺點。

 

2.3.3。脈沖直流激勵低頻矩形波激勵

電磁流量計用于低頻矩形激勵，其頻率為電源頻率從1/4減小到1/10 [ 14 ]。DC激勵不會引起渦流，正交干擾，同相干擾和非電極化。信號的放大用于計算。這種穩定的激勵可以避免零漂移。此外，它可以很好地容忍噪音。不利的是，差分干擾的幅度與頻率成正比。

 

3. DSC算法設計要求

線圈產生激勵信號，并通過電極兩端的信號，即所謂的流速原始信號（圖1），通過計算振動的大小來計算瞬時流量，流量來檢測。和信號幅度。因為從信號中感測到的功率電平非常小（mV），所以它非常容易受到干擾并且將產生需要克服的差分干擾現象。以下步驟說明了如何計算和挑戰項目。

 

3.1。計算流量信號

如所示圖1中，流量信號的變化依賴于在其感測的時刻激勵的振幅波。流量信號與激勵波的幅度成比例。在計算振幅時應避免微分干擾[ 16 ]。由于線圈的激勵方向而發生差分干擾，該激勵方向是變化的。此外，差分干擾具有基于激勵電流的固定大小。流量信號較大，激勵信號的幅度也較大。此外，它還可以覆蓋差分干擾波。

 

3.2。不同流量信號的比較

對于流量信號的高和低激勵波，顯然激勵波是不同的。由于激勵信號的幅度大，流量信號很高。差分干擾將由信號覆蓋。在低流速下，激勵會產生差分干擾信號，因此我們需要同時符合高流量信號和低流量信號的算法。

 

3.3。噪聲抑制

電磁流量計的信號來自感應電壓，這需要準確的質量。噪音可能導致電磁流量計出錯，任何錯誤都會影響重復。

 

3.4。水平顫動和偏移

流信號的高低激勵波及其位于信號中的零電壓電平是不同的。根據數據，如果使用正值和負值來計算正半周和負半周，則會導致異常結果并檢測錯誤。零電壓電平對不同的流量有不同的反應。當我們觀察到穩定流量信號時，信號將跟隨零電壓電平上下，這表明流量信號可以上下移動。基于上述分析，本文設計了一種DSC算法，以提供以下功能：

 

一種基于電磁流量計特性計算流量信號的算法;

在計算幅度時避免噪聲抑制和差分干擾扇區;

信號解釋，以及動態和實時計算;

提高當前解決方案的準確性和可重復性; 和

產品化和重復流動生產的一致性。

 

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