基于Modbus协议的电磁流量计在水库涵管流量测量中的应用 - 淮安市三畅仪表有限公司
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基于Modbus协议的电磁流量计在水库涵管流量测量中的应用
日期： 09:52:53
【摘要】针对水库底部涵管泄水的流量计量问题讨论了一种及其数据远传的协议和方法， 详细解析了流量计存储器数据格式、浮点数据转换以及校验等问题。系统设计的抗干扰浪涌吸收电路改善了户外现场仪表数据传输的可靠性。经运行实践证明，给出的系统结构和方法能够适应电磁流量计数据的远程传输。
在水库工程管理中特别是那些担负供水任务的水库统计每天经底部涵管所泄放的水量是一件十分重要的工作， 它不仅是供水方与用水方结算的依据， 而且也能够对水库的防洪调度提供重要参考。
&& 欲实现水库涵管流量的测量与采集， 首先需要根据现场环境和条件选择合适的现场测量仪表其次是要实现现场到中心监控室数据的稳定传输。底部涵管现场离水库监控室往往有好几百米的距离， 因此如何克服信号长距离传输过程中的衰减及受到的干扰，特别是在极端天气情况下的雷电干扰就构成水库涵管流量测量系统设计的主要内容。
1、电磁流量计
&& 本系统选用了、型号为SCLDE-C。由于水库放水涵管的直径很大， 可达500-1000mm，选用插人型式可以避免开挖沟槽、安装法兰、配接下游导流直管等工作， 而分体式传感器安装于工艺管道上其二次变送单元可以安装在环境较好的室内， 这种安装形式使得二次变送单元远离现场恶劣环境条件使电子部件检查、仪表设定、调整都比较方便， 无须采取专门措施来防雨、防潮， 温度敏感性也大为降低。
该电磁流量计采用的通信协议是Modbus协议，它是一种串行通信协议使用双绞线作为传输的物理介质。流量计内部有多个参数可以进行设置， 如波特率、设备地址、流量单位等。库涵管的瞬时流量和累积流量值通过双绞线& 防雷装置& RS485/RS232协议转换&上位计算机完成数据传送在上位计算机应用软件的管理下完成水库涵管流量数据的显示与统计。
2、系统的结构方案
在水库工程管理中， 现场参数除了底部涵管流量之外，还有水库坝体的渗漏流量、水库水位等参数需要监测，因此这些仪表设备可以通过RS485工业现场总线构成一个分布式网络。
&&& 在这个总线网络中，上位计算机PC作为中心主站，而其他仪表设备皆处于从属地位，主站为每台从设备分配一个唯一地址。为了获取从站各仪器设备的数据，主站采取轮流向各个设备发送地址命令的方法来读取数据。每个从站不断监测总线上传来的地址，只有当收到的消息中的地址与自己设备地址一致时，才会执行主站发出的命令，将自己的状态与数据发给上位主机，主机则负责接收从设备发出的数据，按Modb-us协议规程执行数据解码、校验、存储等操作。电磁流量计系统的拓扑结构如图1所示。
3&&& Modbus协议及主机信息结构
&&& Modbus协议是一种主从式点对点的通信协议，允许一台主机和多台从机之间进行数据通信，由于Mod-bus协议易于实现，因此它已经成为被广泛应用的工业标准。
&&& Modbus协议支持ASCII和RTU两种模式的串行链路协议，由于RTU模式比ASCII模式有更高的数据传输效率，因此电磁流量计的大多数总线式网络结构中均采用RTU链路协议。
&&& 一个RTU消息帧由地址域、功能域、数据域、CRC校验域外加起始位和结束字符共同构成，其典型格式如表1所示。
&&& ①起始位和结束字符:用来分隔两帧消息，RTU规定起始位和结束字符持续时间不得小于3.5个字符时间，一帧消息必须以连续的字符流进行发送，并且同一帧内的2个字符间隔时间应小于1.5个字符时间，编程时需注意RTU模式的这些定时要求。
&&& ②设备地址:总线网络中某个从站设备的地址，作为主机的寻址标志。
&&& ③功能代码:当消息从主机发往从站设备时，告诉从设备需要执行哪些行为，如，&03&，读取当前从站设备寄存器组内一个或多个二进制数据;&06&，主机把设置的二进制数据写人仪表设备的单一寄存器内。
&&& ④数据域:它包含主一从设备通信中所涉及的各种参数，如起始寄存器、要读写的寄存器数量、数据
长度、数据信息等。
&&& ⑤CRC校验:RTU帧中包含了一个基于CRC算法的错误检测域，即无论主机或从站设备发送RTU帧时，都要计算从设备地址开始到数据区之间所有字节的16位CRC校验码，并以低字节在前、高字节在后的形式附加到RTU消息的CRC域，一并发给接收方。当接收方收完一帧消息后立即按同样方法计算该帧消息的CRC校验码，并与发送方传来的CRC校验码进行比较，若不同就说明在消息传输过程中发生了错误，应该弃掉刚才收到的消息，并向发送方回传一帧带有错误标识的消息作为响应。
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电磁流量计误差生成的几个原因
（1）管内液体未充满 由于背压不足或流量传感器安装位置不良，致使其测量管内液体未能充满，故障现象因不充满程度和流动状况有不同表现。若少量气体在水管管道中呈分层流或波状流，故障现象表现为误差增加，即流量测量值与实际值不符；若流动是气泡流或塞状流，故障现象除测量值与实际值不符外，还会因气相瞬间遮盖电极表面而出现输出晃动；若水平管道分层流动中流通截面积气相部分增大，即液体未满管程度增大，也会出现输出晃动，若液体未满管情况较严重，以致液面在电极以下，则会出现输出超满度现象。 实例1 某造船厂有一台DN80mm电磁流量计测量水流量，运行人员反映关闭阀门后流量为零时，输出反而达到满度值。现场检查发现传感器下游仅有一段短管，水直接排入大气，截止阀却装在传感器上游（如图9.12虚线1位置），阀门关闭后传感器测量管内水全部排空。将阀门改装到位置2，故障便迎刃而解。这类故障原因在制造厂售后服务事例中是经常碰到的，当属工程设计之误。 （2）液体中含有固相 液体中含有粉状、颗粒或纤维等固体，可能产生的故障有；①浆液噪声；②电极表面玷污；③导电沉积层或绝缘沉积层覆盖电极或衬里；④衬里被磨损或被沉积物覆盖，流通截面积缩小。 实例2 导电沉积层短路效应。电磁流量传感器测量管绝缘衬里若沉积导电物质，流量信号将被短路而使仪表失效。由于导电物质是逐渐沉积，本类故障通常不会出现在调试期，而要运行一段时期后才显露出来。 某柴油机厂工具车间电解切削工艺试验装置上，用DN80mm仪表测量和控制饱和食盐电解液流量以获取最佳切削效率。起初该仪表运行正常，间断使用2个月后，感到流量显示值越来越小，直到流量信号接近为零。现场检查，发现绝缘层表面沉积一层黄锈，擦拭清洁后仪表运行正常。黄锈层是电解液中大量氧化铁沉积所致。 本实例属运行期故障，虽非多见故障，然而若黑色金属管道锈蚀严重，沉积锈层，也会有此短路效应。凡是开始运行正常，随着时间推移，流量显示越来越小，就应分析有此类故障的可能性。
（3）电极和接地环材质选择不当引发的问题 因材质与被测介质不匹配而引发故障的电磁流量计与介质接触的零部件有电极与接地环，匹配失当除耐腐蚀问题外，只要是电极表面效应。表面效应应有：①化学反应（表面形成g话膜等）；②电化学和极化现象（产生电势）；③触媒作用（电极表面生成气雾等）。接地环也有这些效应，但影响程度要小一些。 实例4 上海某化工（冶炼）厂用20余台哈氏合金B电极电磁流量计测量浓度较高的盐酸溶液，出现输出信号不稳的晃动现象。现场检查确认仪表正常，也排除了会产生输出晃动的其他干扰原因。但是在多处其他用户用哈氏合金B电极仪表测量盐酸时运行良好。在分析故障原因是否由盐酸浓度差别上引起时，应当时尚无盐酸浓度对电极表面效应影响方面的经验，尚不能作出判断。为此仪表制造厂和使用单位一起利用化工厂现场条件，做改变盐酸浓度的实流试验。盐酸浓度逐渐增加，低浓度时仪表输出稳定，当浓度增加到15％～20％时，仪表输出开始晃动起来。浓度到25％时，输出晃动量高达20％。改用钽电极电磁流量计后运行正常。&（4）有可能结晶的液体，电磁流量计应慎用 有些易结晶化工物料在温度正常的情况下能正常测量，由于输送流体的导管都有良好的伴热保温，在保温工作时不会结晶，但是电磁流量传感器的测量管难以实施伴热保温，因此，流体流过测量管时易因降温而引起内壁结上一层固体。由于改用其他原理的流量计测量也同样存在结晶问题，所以在无其他更好方法的情况下，可选用测量管长度非常短的一种“环形”（oring）电磁流量传感器，并将流量计的上游管道伴热保温予以强化。在管道连接方法上，考虑流量传感器拆装方便，在一旦结晶时能方便地拆下维护。 实例3 因液体结晶引起无法正常工作的例子并不少见。例如，湖南某冶炼厂安装一批电磁流量计测量溶液流量，因电磁流量传感器的测量管难以实施伴热保温，数星期后内壁和电极上就结了一层结晶物，导致信号源内阻变得很大，仪表示值失常。因这批电磁流量计口径较大，频繁拆洗不堪忍受，所以最后还是改用明渠流量计。& （5）液体电导率超过允许范围引发的问题 液体导电率若接近下限值也有可能出现晃动现象。因为制造厂仪表规范（specification）规定的下限值是在各种使用条件较好状态下可测出的最低值，而实际条件不可能都很理想，于是就多次遇到低度蒸馏水或去离子水，其导电率接近电磁流量计规范规定的下限值5 ，使用时却出现输出晃动。通常认为能稳定测量的导电率下限值要高1～2个数量级。 液体电导率可查阅有关手册，缺少现成数据则可取样用电导率仪测定。但有时候也有从管线上取样去实验室测定认为可用，而实际电磁流量计不能工作的情况。这是由于测电导率时的液体与管线内液体已有差别，譬如液体已吸收了大气中的CO2或NO ，生成碳酸或硝酸，电导率增大。 对于含有颗粒或纤维液体产生的噪声浆液，采取提高激励频率的方法能有效地改善输出晃动。表9.4所示是频率可调的IFM3080F型 DN300电磁流量计，测量浓度3.5％瓦楞纸板浆液，在现场以不同激励频率测量所显示瞬时流量晃动量。当频率较低，为50/32Hz时，晃动高达10.7％；频率提高到50/2Hz，晃动降低至1.9％，效果十分明显。
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饱和蒸汽流量计,过热蒸汽流量计,污水流量计,硫酸流量计,盐酸流...
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& 电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）
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电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）&
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电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）厂家&,电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）特点
&&&& 电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）除可测量一般导电液体的流量外，还可测量液固两相流，高粘度液流及盐类、强酸、强碱液体的体积流量。讲究要对每个环节准确把握，在产品结构、选材、制定工艺、生产装配与出厂等过程中每个环节都做到细致研究与控制，配套完整的流量标定检测系统。
具有其独特的优点，目前已广泛地被应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质；电磁流量计各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。是用来测量导电液体体积流量的仪表，根据法拉第电磁感应定律制成的。
&&&&& 电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）两只电极沿管径方向穿通管壁固定在测量管上。励磁线圈由双向方波脉冲励磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通量密度为B的工作磁场。此时，如果具有一定电导率的流体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E。电动势E正比于磁通量密度B，测量管内径d与平均流速v的乘积。电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送至转换器。转换器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号，用于流量的控制和调节。
&&&& 保证电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）的测量精度，正确的安装极为重要
总结出七点：
①传感器应安装在室内干燥通风处。避免安装在环境温度过高的地方，玻璃管液位计不应受强烈振动，尽量避开具有强烈磁场的设备，如大电机，变压器等。避免安装在有腐蚀性气体的场合。安装地点便于检修这是保证传感器正常运行的环境条件。
②为了保证传感器测量管内充满被测介质，变送器最好垂直安装，流向自下而上。尤其是对于液固两相六，必须垂直安装。若现场只允许水平安装，则必须保证两电极在同一水平。
③传感器两端应装阀门和旁路。
④电磁流量传感器的电极所测出的几毫伏交流电势，是以传感器内电位为基础的。浮球液位计为了使液体电位稳定并位传感器与流体保持等电位，以保证稳定的进行测量，传感器外壳与金属管两端应有良好的接地，转换器外壳也应接地。接地电阻不能大于10&，不能与其它电器设备的接地线共用。如果不能保证传感器外壳与金属管道良好接触，应用金属导线将它们连接起来。再可靠接地。
⑤为了避免干扰信号，传感器和转换器之间的信号必须用屏蔽导线传输。不允许把信号电缆和电源线平行放在同一电缆钢管内。信号电缆长度一般不得超过30m
⑥转换器安装地点应避免交、直流强磁场和振动，环境温度为-20-50℃，不含有腐蚀性气体，相对湿度不大雨80%。
⑦为了避免流速分相对测量的影响，流量调节阀应设置在传感器下游。对于小口径的传感器来说，因为从电极中心到流量计进口端的距离已相当于好几倍直径D的长度，所以对上游直管可以不做规定。但对口径较大的流量计，一般上游应有5D以上的直管段，下游一般不做直管段要求。
&&&&&& 电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）就其价值性能有良好经济性、时效性及稳定性。而在线安装型就可以不停产安装与检修，使用起来相当简便。为适应测量现场的需求，开发出高压型电磁流量计系统、插入式电磁流量计系统，适合在能源、冶金、食品、环保等各个领域。翔腾仪表建议，要根据用途选择电磁流量计：　　
1、防爆型：可用于爆炸性气氛环境条件，如化工、煤矿使用。　　
2、普通型：用于医疗、食品进行测量等。　　
3、卫生型：拆卸冲洗消毒方便，快速安装，适用于医药部门等使用。　　
4、潜水型：明渠流量测量，替代传统堰板流量计。　　
5、高压型：石油化工的固井水泥浆、采油工艺的高压注水等流量测量与控制。
&&&&& 法拉利电磁感应定律原理作为电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）的第一原理，所以电磁流量计的使用上所具有的特点还是比较稳定的，而高可靠性、高精度与使用寿命长也是它的重要特点。
电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）性能特点:
　　◆测量精度不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响，传感器感应电压信号与平均流速呈线性关系，因此测量精度高。
　　◆测量管道内无阻流件，因此没有附加的压力损失；测量管道内无可动部件，因此传感器寿命极长。
　　◆由于感应电压信号是在整个充满磁场的空间中形成的，是管道载面上的平均值，因此传感器所需的直管段较短，长度为5倍的管道直径。
　　◆传感器部分只有内衬和电极与被测液体接触，只要合理选择电极和内衬材料，即可耐腐蚀和耐磨损。
　　◆LDE转换器采用国际最新最先进的单片机（MCU）和表面贴装技术（SMT），性能可*，精度高，功耗低，零点稳定，参数设定方便。点击中文显示LCD，显示累积流量，瞬时流量、流速、流量百分比等。
　　◆双向测量系统，可测正向流量、反向流量。采用特殊的生产工艺和优质材料，确保产品的性能在长时候内保持稳定。
&&&&& 电磁流量计有许多优点，但若选型、安装、使用不当，将会引起误差增大，示值不稳定，甚至表体损坏。
（1）管内液体未充满由于背压不足或流量传感器安装位置不良，致使其测量管内液体未能充满，故障现象因不充满程度和流动状况有不同表现。若少量气体在水管管道中呈分层流或波状流，故障现象表现为误差增加，即流量测量值与实际值不符；若流动是气泡流或塞状流，故障现象除测量值与实际值不符外，还会因气相瞬间遮盖电极表面而出现输出晃动；若水平管道分层流动中流通截面积气相部分增大，即液体未满管程度增大，也会出现输出晃动，若液体未满管情况较严重，以致液面在电极以下，则会出现输出超满度现象。
（2）液体中含有固相液体中含有粉状、颗粒或纤维等固体，可能产生的故障有；①浆液噪声；②电极表面玷污；③导电沉积层或绝缘沉积层覆盖电极或衬里；④衬里被磨损或被沉积物覆盖，流通截面积缩小。
内衬材料的选择
应根据被测介质的腐蚀性磨损性和温度来选择内衬材料
耐腐蚀性能
氯丁橡胶Ne
耐一般低浓度酸碱盐的腐蚀
工业用水污水低浓度酸碱盐
聚氨酯橡胶PO
有极好的耐磨性能,专用于强磨损性浆液,不耐腐
含固体颗粒的液体(水泥浆矿浆等)
聚全氟乙丙烯FEP
1耐热耐腐蚀性与PTFE相当
2机械强度高,抗磨损性能好
3内表光滑，不易粘附沉淀物
4有很好的耐负压,抗真空作用
-40～180℃
除砂浆等强磨损性介质外的所有流体。与PTFE一样,能用于饮料等有卫生要求的介质
聚四氟乙烯PTFE
几乎可以抵抗所有化学介质的腐蚀,抗磨损性能较差
-40～180℃
不能用于负压管道及磨损性较强的流体
测量范围的选择
内径（mm）
Qmin（m3/h）
Qmax（m3/h）
内径（mm）
Qmin（m3/h）
Qmax（m3/h）
内径（mm）
Qmin（m3/h）
Qmax（m3/h）
内径（mm）
Qmin（m3/h）
Qmax（m3/h）
公称通径（mm）
（特殊规格可定制）
管道式四氟衬里：DN10～DN2600
管道式橡胶衬里：DN40～DN2600
流动方向：
正，反，净流量
重复性误差：
测量值的&0.1%
精度等级：
管道式：0.5级，1.0级
被测介质温度：
普通橡胶衬里：－20～＋60℃
高温橡胶衬里：－20～＋90℃
聚四氟乙稀衬里：－30～＋100℃
高温型四氟衬里：－20～＋180℃
额定工作压力：
（高压可定制）
DN6－DN80：&4.0MPa
DN100－DN250：&1.6MPa
DN300－DN2600：&1.0MPa
流速范围：
0.1－15m/s
电导率范围：
被测流体电导率&5&s/cm
电流输出：
0～10mA：0～1.5k&O
4～20mA：0～750 k&O
数字频率输出：
输出频率上限可在1～5000HZ内设定带光电隔离的晶体管集电极开路双向输出。外接电源&35V导通时集电极最大电流为250mA
供电电源：
AC220V或DC24V
要求直管段长度
上游&5DN，下游&2DN
连接方式：
流量计与配管之间均采用法兰连接，法兰连接尺寸应符合GB11988的规定
防爆等级：
防护等级：
IP65，特殊订制最高可达IP68
环境温度：
－25～＋60℃
相对温度：
消耗总功率：
电磁流量计（累积流量,瞬时流量显示）选型谱
转换器型号
串行通讯（485）
防爆（仅适用于分体式）
&180℃(仅适用于分体式）
氯丁橡胶（&65℃）
聚四氟乙烯（&189℃）
聚氯乙烯（&70℃）
&本产品网址：/b2b/jsxsyb188/sell/itemid-.html