為了準(zhǔn)確便捷的測(cè)量管道內(nèi)液體的流動(dòng),革新流量計(jì)測(cè)量方式,采用外圓包覆式的非接觸測(cè)量的電感式電子流量計(jì)測(cè)量管道內(nèi)液體,既能夠準(zhǔn)確的測(cè)量管道內(nèi)的液體的流量,減少機(jī)械式結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,又增加了測(cè)量的便捷性,便于檢測(cè)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(wèn)題，尤其在原油開(kāi)采過(guò)程中，獲得油井的實(shí)時(shí)產(chǎn)量時(shí)，減少測(cè)量裝置所帶來(lái)的能源浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，越來(lái)越被人們所重視。 為了對(duì)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(kāi)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(guò)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(cè)量不準(zhǔn)確，使用壽命短的問(wèn)題，而現(xiàn)在已有的少數(shù)電子流量計(jì)一部分僅是通過(guò)機(jī)械測(cè)量， 電子顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一部分是通過(guò)超聲波或電磁進(jìn)行測(cè)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(cè)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(mǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)流體的非接觸測(cè)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(cè)非電量如位移、 壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈自感系數(shù) L 或互感系數(shù) M 的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量的輸出。 電感線(xiàn)圈是環(huán)繞在絕緣管上的相互絕緣的導(dǎo)線(xiàn)，其利用電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行工作，當(dāng)有電流流過(guò)一根導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，就會(huì)在這根導(dǎo)線(xiàn)的周?chē)a(chǎn)生一定的電磁場(chǎng)，而這個(gè)電磁場(chǎng)的導(dǎo)線(xiàn)本身又會(huì)對(duì)處在這個(gè)電磁場(chǎng)范圍內(nèi)的導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生感應(yīng)作用。 對(duì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的導(dǎo)線(xiàn)本身發(fā)生的作用，叫做 “自感 ”，即導(dǎo)線(xiàn)自己產(chǎn)生的變化電流產(chǎn)生變化磁場(chǎng)， 這個(gè)磁場(chǎng)又進(jìn)一步影響了導(dǎo)線(xiàn)中的電流；對(duì)處在這個(gè)電磁場(chǎng)范圍的其他導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的作用，叫做“互感”。 電感量也稱(chēng)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(xiàn)圈的圈數(shù)（匝數(shù)）、繞制方式、有無(wú)磁芯及磁芯的材料等等。 通常，線(xiàn)圈圈數(shù)越多、繞制的線(xiàn)圈越密集，電感量就越大。 有磁芯的線(xiàn)圈比無(wú)磁芯的線(xiàn)圈電感量大；磁芯導(dǎo)磁率越大的線(xiàn)圈，電感量也越大。

電感式電子流量計(jì)的測(cè)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(duì)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(xiàn)管環(huán)繞管道的實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)控制變量的測(cè)量方法對(duì)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(cè)量，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)其加以分析。

測(cè)量電路如圖 2（a）、（b）示：

3.數(shù)據(jù)的處理

合磁芯的材料對(duì)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(xiàn)圈儲(chǔ)能公式（儲(chǔ)存過(guò)程中：I＝If * e－t* RL  釋放過(guò)l－t* R程中：I＝I0 * e L ）可以得到磁芯的不同對(duì)回路中儲(chǔ)能過(guò)程中***大電流或釋放過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)的影響，還需要對(duì)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(cè)量記錄， 把這些數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)在不同管道下測(cè)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(cè)量情況對(duì)單片機(jī)輸入相應(yīng)管道型號(hào) ， 流體的種類(lèi)，線(xiàn)圈匝數(shù)等基本參數(shù)。

2）單片機(jī)查詢(xún)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(guò)電子液晶屏輸出。

單片機(jī)的主要功能有：

1）通過(guò)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(duì)電感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)影響 ，在測(cè)量時(shí)可以選擇在一種管道的數(shù)據(jù)模式下進(jìn)行測(cè)量。 精簡(jiǎn)并加快測(cè)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(cè)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€(xiàn)管需要環(huán)繞著管道才能測(cè)得數(shù)據(jù)，但要在不破壞螺線(xiàn)管和管道的前提下給管道上套上螺線(xiàn)管基本上是不可能的，所以需要對(duì)對(duì)電子流量計(jì)的外觀進(jìn)行改變才能夠滿(mǎn)足便攜式的使用。

外觀設(shè)計(jì)如圖 3：

6.結(jié)束語(yǔ)

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(cè)量方式，創(chuàng)新的利用電感的特性來(lái)進(jìn)行對(duì)液體管道內(nèi)液體的特性進(jìn)行測(cè)量，新的測(cè)量方法提高了測(cè)量精度的同時(shí)還簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟。 其主要價(jià)值為：高精度的測(cè)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(guò)程；檢測(cè)與校準(zhǔn)普通流量計(jì)的測(cè)量精度；因其使用便利性和較高的測(cè)量精度，可以用于液體管道的檢堵檢漏的檢測(cè)維修過(guò)程。