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摘 要

电磁流量计是一种应用历史较久、范围较广的流体体积流量计。该流量计在现代化工，城市建设的应用中有着很大的潜力和发展空间。其中，高频励磁方式进行励磁的流量计技术凭借其抗干扰能力强，测量精度高等特点，发展迅速，是近年来国内外主要的研究方向。

本文针对电磁流量计在污水和煤浆处理领域中的应用，结合我国可持续发展的理念，总结了前人对电磁流量计结构和励磁方式的研究和探索。基于权重函数，选择用圆形线圈代替传统的线圈来进行励磁。并在励磁方式的选择上进行了研究，选择用PWM信号进行励磁，设计了基于STM32电磁流量计系统，包括励磁驱动电路、励磁恒流源电路、信号处理电路、A/D转换电路等。

关键词：电磁流量计 线圈优化 恒流励磁

Abstract

Electromagnetic flowmeter is a kind of fluid volume flowmeter with a long history of application and a wide range. The flowmeter has great potential and development space in the application of modern chemical industry and urban construction. Among them, the flowmeter technology of high frequency excitation has developed rapidly because of its strong anti-interference ability and high measurement accuracy, which is the main research direction at home and abroad in recent years.

Aiming at the application of electromagnetic flowmeter in the field of sewage and coal slurry treatment, combined with the concept of sustainable development in China, this paper summarizes the previous research and exploration of electromagnetic flowmeter structure and excitation mode. Based on the weight function, the circular coil is chosen to replace the traditional coil for excitation. In addition, the selection of excitation mode is studied, PWM signal is selected for excitation, and the electromagnetic flowmeter system based on STM32 is designed, including excitation drive circuit, excitation constant current source circuit, signal processing circuit, A/ D conversion circuit, etc.

Keyword: electromagnetic flowmeter，Coil optimization，Constant current excitation

目录

电磁流量计系统设计与实现 I

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外发展现状 2

1.3论文组织结构 4

第二章 电磁流量计系统方案设计 5

2.1电磁流量计原理 5

2.2基于STM32的电磁流量计系统方案设计 5

2.2.1传感器结构 6

2.2.2高频励磁 7

第三章 励磁线圈结构优化 8

3.1权重函数研究 8

3.2两种形状线圈磁场仿真 9

3.3仿真数据处理及分析 11

第四章 电磁流量计系统设计 16

4.1 STM32F1系列单片机 16

4.2 PWM励磁电路设计 17

4.3励磁电流源 21

4.4信号处理电路 22

4.5 A/D转换模块 24

4.6软件程序设计 25

结语与展望 31

参考文献 32

附录 35

致谢 36

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

电磁流量计（简称EMF）在现代工业的应用范围十分普遍。20世纪后期至今，我国国民经济发展迅速，随之发展的还有各种生产制造行业。而伴随着各种产业的迅猛发展，技术革新和机器的优化的需求也更加迫切，因此需要更多测量精度更高，安装方便的流量计。流量计是采用物理或化学的基本理论，检测被测介质流量的仪器^[1，2，3]。电磁流量计的工作原理为法拉第电磁感应：导电流体切割磁感线，产生感应电动势，可通过检测电动势大小来检测流体流量^[4]。因为其出色的性能：工作时不受流体磨损，耐腐蚀性，以及无压力损失等影响，随着发展得到了很广范围内的使用。

电磁流量计一般用于测量管道中具有一定电导率液体介质的测量仪器，在传感器管道中，没有阻碍介质流动的器件，因此，被测液体在流通流量计内部管道时时，不会产生压力损失。由于测量管道内无阻流器件，只有管道内衬与电极与流体相接触，可依据分析被测流体的物理和化学性质和使用场合，来选择内衬与电极的用料。电磁流量计可适用于检测各种酸性、碱性、盐性等腐蚀性介质，对于较粗糙的矿浆、下水道污水等固液两相流以及造纸行业中的纸浆等悬浊液体的流量检测，电磁流量计尤其适合^[5]。被测流体的温度、粘度、密度等对传感器没有影响。于是，在实际应用中，只要经过水标定后，其可以用来检测另外的一些导电流体的流量。电磁流量计没有任何机械惯性，能快速反应，既可用于检测流体的瞬间流量，也可用于管道两端流量的正反向流量测量。在化工工业设计的应用中，其传感器管道口径设计范围较广，小到几毫米，大到几百厘米。与之相反。电磁流量计在实际应用中，也有较多其不足之处^[6,7,8]：

1. 管道内的介质若是空气、蒸汽等时，电磁流量计便无法测出其流量。
2. 管道内的流体温度被衬里限制，暂时还不能测量高温流体。在测低温流体时，也要通过处理，才能使用。
3. 外界磁场对电磁流量计的影响也较大，需要做屏蔽处理。

在实际生产现场中，流体切割磁感线输出的电压很微弱，还带有许多对信号造成干扰的噪声，使得传统的电磁流量计在使用时的精度达不到理想状态。于是，要想提高仪器的精度，应该设法提高传感器内的磁场强度与均匀性，这样可以使电极两端测得的电动势增大，使传感器输出的信号足够强，从而可以保证流量计的准确度。因此，研究和优化励磁线圈的结构对整体系统的设计合理性是很有意义的^[9,10]。

在当今社会的中，绿色是一大发展主题，尤其在我国，环境的保护这一主题，越来 越被人们所重视。根据可持续发展的原则，也基于以的独特优点，电磁流量计在污水处理、化工工业、造纸行业以及煤浆处理等应用中，都得到了广泛的使用。从环境可持续、国民饮水健康、经济因素等方面考虑，设计一款价格优廉、结构简单、安装方便以及准确度高的电磁流量计，是很有必要的。

1.2国内外发展现状

对于电磁流量计最初的探索实验研究最有可能起源于法拉第1832年测量泰晤士河水流的富有想象力的尝试，他使用河床电极和地球的弱磁场来检测并得到了泰晤士河水的流速^[11]。随着科技的进步，世界各国的科学家对于电磁流量计开发的技术也是与时俱进，使电磁流量计技术得到了很大的进步。因此，电磁流量计也随着实际场合的不同，派生出了各种类型，在各自的领域都有出色的表现。

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