為了準(zhǔn)確便捷的測量管道內(nèi)液體的流動(dòng),革新流量計(jì)測量方式,采用外圓包覆式的非接觸測量的電感式電子流量計(jì)測量管道內(nèi)液體,既能夠準(zhǔn)確的測量管道內(nèi)的液體的流量,減少機(jī)械式結(jié)構(gòu)對測量結(jié)果的影響,又增加了測量的便捷性,便于檢測出管道堵塞位置。 

0.前言

當(dāng)今世界能源已經(jīng)成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題，尤其在原油開采過程中，獲得油井的實(shí)時(shí)產(chǎn)量時(shí)，減少測量裝置所帶來的能源浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，越來越被人們所重視。 為了對能源進(jìn)行科學(xué)管理，首先要抓好節(jié)能工作，而在節(jié)能工作中，流量計(jì)儀表的研究與開發(fā)起到至關(guān)重要的作用。

但是現(xiàn)在流量計(jì)大部分還是傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計(jì)，即以通過管道內(nèi)液體的流動(dòng)帶動(dòng)齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到計(jì)算液體流量的目的。 這種流量計(jì)普遍存在著測量不準(zhǔn)確，使用壽命短的問題，而現(xiàn)在已有的少數(shù)電子流量計(jì)一部分僅是通過機(jī)械測量， 電子顯示來實(shí)現(xiàn)的，一部分是通過超聲波或電磁進(jìn)行測量的。 并且目前的流量計(jì)都需要機(jī)械緊固式的安裝在管道上才能工作，即現(xiàn)在已有的流量計(jì)主要是固定式的，單一測量一定地點(diǎn)的儀器，運(yùn)用在檢修工作和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中可移動(dòng)的、便攜的流量計(jì)還未出現(xiàn)。 為了滿足實(shí)際使用的需求，本文介紹了一種基于電感傳感器的管道式電子流量計(jì)，來實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)流體的非接觸測量。

1.電子流量計(jì)的工作原理

電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量如位移、 壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù) L 或互感系數(shù) M 的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量的輸出。 電感線圈是環(huán)繞在絕緣管上的相互絕緣的導(dǎo)線，其利用電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行工作，當(dāng)有電流流過一根導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)在這根導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生一定的電磁場，而這個(gè)電磁場的導(dǎo)線本身又會(huì)對處在這個(gè)電磁場范圍內(nèi)的導(dǎo)線發(fā)生感應(yīng)作用。 對產(chǎn)生電磁場的導(dǎo)線本身發(fā)生的作用，叫做 “自感 ”，即導(dǎo)線自己產(chǎn)生的變化電流產(chǎn)生變化磁場， 這個(gè)磁場又進(jìn)一步影響了導(dǎo)線中的電流；對處在這個(gè)電磁場范圍的其他導(dǎo)線產(chǎn)生的作用，叫做“互感”。 電感量也稱自感系數(shù)，是表示電感器產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個(gè)物理量。

電感器電感量的大小，主要取決于線圈的圈數(shù)（匝數(shù)）、繞制方式、有無磁芯及磁芯的材料等等。 通常，線圈圈數(shù)越多、繞制的線圈越密集，電感量就越大。 有磁芯的線圈比無磁芯的線圈電感量大；磁芯導(dǎo)磁率越大的線圈，電感量也越大。

電感式電子流量計(jì)的測量原理如下圖 1 所示：

這里需要強(qiáng)調(diào)的是磁芯的材料會(huì)對電感器電感量的大小產(chǎn)生影響。 現(xiàn)在再介紹一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：

2.數(shù)據(jù)的采集

利用這些理論依據(jù)去做通電螺線管環(huán)繞管道的實(shí)驗(yàn)。 通過控制變量的測量方法對不同的管道，管道內(nèi)部不同的液體和液體不同流速的液體的測量，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對其加以分析。

測量電路如圖 2（a）、（b）示：

3.數(shù)據(jù)的處理

合磁芯的材料對電感器電感量的大小產(chǎn)生影響的公式（L=

k*u0 *us *N2 *s ）和自感線圈儲(chǔ)能公式（儲(chǔ)存過程中：I＝If * e－t* RL  釋放過l－t* R程中：I＝I0 * e L ）可以得到磁芯的不同對回路中儲(chǔ)能過程中***大電流或釋放過程中***初電流的關(guān)系，并利用具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定管道內(nèi)液體的流量與流速。

為了排除不同管道對數(shù)據(jù)的影響，還需要對不同管道在電感回路中電流和電荷量的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量記錄， 把這些數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對在不同管道下測量液體流量及流速進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和校正。

4.軟件設(shè)計(jì)

為了提高數(shù)據(jù)處理的精準(zhǔn)度和使用方便，可以利用單片機(jī)的控制與計(jì)算功能。

軟件執(zhí)行具體步驟如下：

1） 根據(jù)實(shí)際的測量情況對單片機(jī)輸入相應(yīng)管道型號(hào) ， 流體的種類，線圈匝數(shù)等基本參數(shù)。

2）單片機(jī)查詢與電感傳感器連接的 I/O 端口，記錄電流和電壓的變化。 用得到的數(shù)據(jù)，單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的參數(shù)進(jìn)行理論運(yùn)算得到計(jì)算結(jié)果。 并將結(jié)果通過電子液晶屏輸出。

單片機(jī)的主要功能有：

1）通過不斷截取極小段時(shí)間內(nèi)電流與時(shí)間乘積的和得到電感回路中的電荷量變化，從而得到電感的電感量 L。

2）在單片機(jī)中儲(chǔ)存不同管道對電感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)影響 ，在測量時(shí)可以選擇在一種管道的數(shù)據(jù)模式下進(jìn)行測量。 精簡并加快測量的流程。

3）在單片機(jī)中錄入所有計(jì)算所需的公式，并在測得數(shù)據(jù)后進(jìn)行計(jì)算，***后直接在 LED 屏上輸出流量與流速數(shù)據(jù)。

5.機(jī)械外觀的設(shè)計(jì)

因?yàn)槁菥€管需要環(huán)繞著管道才能測得數(shù)據(jù)，但要在不破壞螺線管和管道的前提下給管道上套上螺線管基本上是不可能的，所以需要對對電子流量計(jì)的外觀進(jìn)行改變才能夠滿足便攜式的使用。

外觀設(shè)計(jì)如圖 3：

6.結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是舍棄傳統(tǒng)液體流量計(jì)的測量方式，創(chuàng)新的利用電感的特性來進(jìn)行對液體管道內(nèi)液體的特性進(jìn)行測量，新的測量方法提高了測量精度的同時(shí)還簡化了測量步驟。 其主要價(jià)值為：高精度的測量管道內(nèi)液體的流量與流速；便攜式的使用方法，免去了復(fù)雜的安裝過程；檢測與校準(zhǔn)普通流量計(jì)的測量精度；因其使用便利性和較高的測量精度，可以用于液體管道的檢堵檢漏的檢測維修過程。