智能型電磁流量計(jì)激磁方式分析及降低激磁功耗的方案

摘要：針對(duì)提高電磁流量?jī)x表準(zhǔn)確度的問(wèn)題，根據(jù)電路理論利用數(shù)學(xué)方法分析并比較了5種激磁方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了恒定電流間歇方波激磁方案，此方案可提高測(cè)試準(zhǔn)確度并降低功耗，理論分析表明，與其它激磁方式相比，其電路簡(jiǎn)單、噪聲低。

在化工及其它工程技術(shù)中，常用智能型電磁流量計(jì)測(cè)量管道液體的流量，而激磁方式對(duì)儀表準(zhǔn)確度、功耗、噪聲的影響越來(lái)越明顯。對(duì)于激磁方式的選擇問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外采用的主要為恒定方波激磁。本文在對(duì)各種激磁方式分析比較的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了方波磁場(chǎng)法，以抑制噪聲，提高準(zhǔn)確度，并對(duì)激磁波形提出了改進(jìn)方案，以降低功耗。

1、激磁方式分析

智能型電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U與流速V以及流量Q的關(guān)系可由下式表示

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度大小；C1，C2為轉(zhuǎn)換系數(shù)；D為測(cè)量管內(nèi)徑；L為磁場(chǎng)中作垂直切割磁力線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體長(zhǎng)度。

由此可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U與流速V或液體體積流量Q是線(xiàn)性關(guān)系，而與被測(cè)導(dǎo)電介質(zhì)的密度，粘度、溫度、壓力等特性無(wú)關(guān)。這是智能型電磁流量計(jì)的一大特點(diǎn)。

直流激磁即磁場(chǎng)是用直流或永磁鐵所產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)，這種直流磁場(chǎng)變送器的優(yōu)點(diǎn)是激磁方式簡(jiǎn)單，且不存在交變磁場(chǎng)變送器所固有的噪聲，但是，直流激磁會(huì)使通過(guò)測(cè)量管內(nèi)的電解質(zhì)液體出現(xiàn)*化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響儀表的準(zhǔn)確度。而當(dāng)測(cè)量電導(dǎo)率很高又不能電解的液態(tài)金屬時(shí)，例如常溫的汞，高溫的鈉、鉍等，用直流磁場(chǎng)的變送器是有利的。

工頻交流激磁在早期的智能型電磁流量計(jì)中使用較多。它的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠消除電*表面的*化作用，而且激磁電路簡(jiǎn)單。另外，采用交流激磁，輸出信號(hào)也是交流的，放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號(hào)要比直流信號(hào)容易得多。但是，這種方法的幅度穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性較差。而且，由于頻率高，渦流產(chǎn)生的同相噪聲也很大，且微分噪聲補(bǔ)償困難，目前已不多用。此外，采用市電作為激磁電流，易受電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)的影響，所以還要有必要的補(bǔ)償措施。

雙頻激磁的主要目的是使智能型電磁流量計(jì)對(duì)流量變化響應(yīng)快，零點(diǎn)穩(wěn)定和對(duì)流動(dòng)噪聲不敏感，其主要原理是利用較低激磁頻率的零點(diǎn)穩(wěn)定特點(diǎn)與較高激磁頻率的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)的兩者性能互補(bǔ)來(lái)改善智能型電磁流量計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與零點(diǎn)穩(wěn)定性。

2、恒定方波激磁

2.1 恒定電壓方波激磁

這是目前智能型電磁流量計(jì)常用激磁方式之一。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的智能型電磁流量計(jì)多采用此法。它電路簡(jiǎn)單，且在穩(wěn)態(tài)時(shí)采樣，這時(shí)微分噪聲的影響很小，可忽略不計(jì)，選擇較低的激磁頻率可保持零點(diǎn)穩(wěn)定性。適當(dāng)選擇休止時(shí)間可降低激磁功耗。

但它也有自身的缺點(diǎn)。假設(shè)電壓源是階躍信號(hào)，設(shè)計(jì)中T＞＞τ，則

對(duì)于銅電阻，R=R0【1+a（T-T0）】。其中：i（t）為信號(hào)電流；E為電壓源幅值；R為銅電阻值；τ為時(shí)間常數(shù)；K，K1，K2為變換系數(shù)；T為激磁信號(hào)周期；a為銅電阻溫度系數(shù)a=3.93×10-3/℃。

如果環(huán)境溫度變化20℃，則

很明顯，這對(duì)信號(hào)影響很大。可見(jiàn)，恒定電壓方波激磁中，溫度穩(wěn)定性非常差。

2.2 恒定電流方波激磁

恒定電流方波激磁具有恒定電壓方波激磁的所有優(yōu)點(diǎn)，而由于恒流源的作用又可消除銅電阻溫度特性不好的影響。B=K1i（t）=K1I，U=KBQ=KK1IQ=CQ。其中：C為變換系數(shù)；I為恒流源幅值。

這種激磁方式不但克服了直流和交流激磁中的缺點(diǎn)，還可解決變送器與轉(zhuǎn)換器的互換性問(wèn)題，應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。

3、一種降低激磁功耗的方案

國(guó)內(nèi)外一般采用矩形波激磁，但在恒流源上會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，增加功耗。在一些防爆、電池供電的智能型電磁流量計(jì)中這種方式就會(huì)一出現(xiàn)問(wèn)題可以通過(guò)改進(jìn)波形來(lái)降低激磁功耗。

目前，有圖1所示激磁波形。為降低激磁功率，本文嘗試圖2所示的間歇式波形。

式中：Rs為激磁線(xiàn)圈等效電阻。

對(duì)比式（5）與式（6），可知P1＞P2，即間歇式波形中功耗較小，因此適當(dāng)選擇t1，t2，t3大小，可有效地降低激磁功耗。

4、結(jié)語(yǔ)

恒定電流間歇方波激磁，既抑制了噪聲提高了電磁流量?jī)x表的準(zhǔn)確度，又降低了功耗。但在零點(diǎn)特性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面還不完善，可與雙頻激磁聯(lián)合應(yīng)用以提高其性能。因此，充分提高綜合性能指標(biāo)是智能型電磁流量計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。