電磁流量計勵磁方式的種類(lèi)分析
人們開(kāi)始研究電磁流量計時(shí),最先想到使用的勵磁磁場(chǎng)自然是直流磁場(chǎng),后來(lái)又發(fā)明了正弦波交流磁場(chǎng)、低頻矩形波磁場(chǎng)、三值低頻矩形磁場(chǎng)以及雙頻矩形波磁場(chǎng)等。它們的磁場(chǎng)理想波形如圖7-3所示
直流勵磁技術(shù)是最初的電磁流量計采用的勵磁技術(shù),它是利用永磁體或者直流電源給電磁流量傳感器勵磁繞組供電,以形成恒定的直流磁場(chǎng),磁場(chǎng)波形如圖7-3a所示。
直流勵磁技術(shù)具 有方法簡(jiǎn)單可靠,受工頻干擾影響很小以及流體中的自感現象可以忽略不計等特點(diǎn)。但是, 直流勵磁技術(shù)的最大問(wèn)題是直流感應電勢在兩電極表面上形成固定的正負極性,引起被測流 體介質(zhì)點(diǎn)解而產(chǎn)生正負離子,導致電極表面極化現象,使感生的流量信號電勢減弱,電極間 等效電阻增大,同時(shí)出現電極極化電勢漂移,嚴重影響信號處理部分的工作。即使電極采用 極化電勢很小的鉑、金等貴重金屬或其合金材料,常常也存在微弱的極化電勢,同時(shí)儀表的 制造成本也較高。另外,直流勵磁在電極間產(chǎn)生不均衡的電化學(xué)干擾電勢疊加在直流流量信號中,無(wú)法消除,并隨著(zhù)時(shí)間的變化、流體介質(zhì)特性以及流動(dòng)狀態(tài)而變化。第三,直流放大 器的零點(diǎn)漂移、噪聲和穩定性問(wèn)題難以獲得很好解決,特別是在小流量測量時(shí),信號放大器 的直流穩定度必須在幾分之一微伏之內,這樣就限制了直流勵磁技術(shù)的應用范圍。目前直流 勵磁技術(shù)僅在原子能工業(yè)中用于電導率極高,而又不產(chǎn)生極化效應的液態(tài)金屬流量測量中。
工頻正弦波勵磁技術(shù)
工頻正弦波勵磁技術(shù)是利用正弦波工頻(50Hz)電源給電磁流量傳感器勵磁繞組供電,其主 要特點(diǎn)是產(chǎn)生的磁場(chǎng)為一正弦波交變磁場(chǎng),如圖7-3b所示。這種勵磁方式能夠基本上消除電 極表面的極化現象,降低電極電化學(xué)電勢的影響和傳感器內阻。另外,采用工頻正弦波勵磁 技術(shù),其傳感器輸出的流量信號仍然是工頻正弦波信號,易于放大處理,能避免直流放大器 存在的實(shí)際困難。而且勵磁電源簡(jiǎn)單方便。 在工頻正弦波勵磁方式中,交流磁場(chǎng)的磁感應強度B=Bmsinωt在電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢為
被測體積流量為
式中 Bm是交變磁感應強度的最大值;w是勵磁電流角頻率,w=2πf;f是勵磁電源頻率。 值得注意的是,工頻正弦波勵磁技術(shù)的采用會(huì )帶來(lái)一系列電磁干擾和噪聲。 首先是電磁感應產(chǎn)生正交干擾(又稱(chēng)90°干擾),一般認為正交干擾是由“變壓器效應”造 成的。在電磁流量傳感器中,由于電極、引線(xiàn)、被測介質(zhì)和電磁流量轉換器的輸入電路構成 的閉合回路處在一交變的磁場(chǎng)中,所以,即使被測介質(zhì)不流動(dòng),處于該交變磁場(chǎng)中的閉合回 路也會(huì )產(chǎn)生電勢ρ1和感生電流,顯然,這是一干擾電勢。根據電磁感應原理,該干擾電動(dòng)勢 與磁場(chǎng)對時(shí)間的變化率的負值正正比。即
這就是正交干擾信號電勢,它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。
1、與流量無(wú)關(guān),即使流體靜止不動(dòng),這樣的信號依然存在;
2、在相位上比流量信號滯后90°,故也稱(chēng)90°干擾;
3、勵磁電流頻率越高,正交干擾也越嚴重,實(shí)際應用中,正交干擾信號可以遠大于流量信 號。 所以如何克服正交干擾電勢的影響是工頻正弦波勵磁技術(shù)的主要課題。 其次是同相干擾,是指同時(shí)出現在傳感器兩個(gè)電極上,頻率和相位都和流量信號一致的干擾 信號。一般認為是靜電感應,絕緣電阻分壓以及傳感器管道上的雜散電流所引起。如圖7-4 所示,傳感器的勵磁線(xiàn)圈對電極A和B不僅存在著(zhù)絕緣電阻Rm,同時(shí)還存在著(zhù)分布電容Cf。 設兩電極之間的內阻為Rs,則勵磁電壓U通過(guò)絕緣電阻和分布電容與傳感器內阻分壓,在兩電極上同時(shí)產(chǎn)生壓降。
設勵磁電壓為U=Umsinωt,則在Cf上產(chǎn)生的容抗為
Rc和Rm并聯(lián),如果Rm》Rc,則得總阻抗R約為Rc。這樣,R和內阻Rs/2對勵磁電壓U進(jìn)行 分壓,在電極上將得到由分布電容Cf串進(jìn)的干擾電壓e2為
由于同相干擾信號的頻率和相位與流量信號完全一致,疊加在流量信號中難以消除,以至電 磁流量計零點(diǎn)不穩定。 第三是工頻正弦波供電電源存在電源電壓和頻率的波動(dòng),由式(7-5)可知,電壓和頻率分 布影響B(tài)m和ω,從而造成對測量的影響。 實(shí)際應用中,雖然已采取相敏整流、嚴格的電磁屏蔽和線(xiàn)路補償、電源補償、自動(dòng)正交抑制 系統等技術(shù)措施以消除與流量信號頻率一致的工頻干擾電壓,但由于正交干擾信號電勢往往 有較大幅值,自動(dòng)正交抑制系統等抗干擾措施不可能完全消除干擾信號,從而導致電磁流量 計零點(diǎn)的不穩定,測量精度難以提高。這就是工頻正弦波勵磁方式對電磁流量計的限制,使 得電磁流量計的性能很難進(jìn)一步提高。
低頻矩形波勵磁技術(shù)
低頻矩形波勵磁技術(shù)是結合了直流勵磁和交流勵磁技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)避免了它們缺點(diǎn)的一種 勵磁技術(shù)。20世紀70年代以來(lái),隨著(zhù)集成電流技術(shù)和同步采樣技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化,低頻矩形波勵磁技術(shù)應運而生,在電磁流量計中得到廣泛實(shí)用。它的勵磁磁場(chǎng)波形如圖7-3c和d所示,其頻率通常為工頻的偶數分之一(一般為1/2-1/32)。70年代前期以單極性低頻矩形波勵磁技術(shù)為主,后期以雙極性低頻矩形波勵磁技術(shù)為主而開(kāi)始其工業(yè)應用。從圖7-3中可以看到,在半個(gè)周期內,磁場(chǎng)是一恒穩的直流磁場(chǎng),它具有直流勵磁技術(shù)受電磁干擾影響小,不產(chǎn)生渦輪效應、正交干擾和同相干擾小等特點(diǎn);從整個(gè)時(shí)間過(guò)程看,矩形波信號又是一個(gè)交變信號,具有正弦波勵磁技術(shù)基本不產(chǎn)生極化現象,便于放大和處理信號,避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩定性等問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)。所以低頻矩形波勵磁技術(shù)具有良好的抗干擾性能,在電磁流量計中已得到廣泛應用。 低頻矩形波勵磁中,由于勵磁電流矩形波存在上升沿和下降沿,根據式7-6,在上升沿和下降沿處,必然也存在正交干擾(微分干擾)。其沿越陡,微分干擾電勢越大,但很快就會(huì )消失,形成一很窄的尖峰脈沖;上升沿和下降沿變化越緩慢,則微分干擾越小,但經(jīng)歷時(shí)間越長(cháng)。如何消除上升沿和下降沿處的微分干擾,是低頻矩形波勵磁技術(shù)要解決的主要問(wèn)題之一。由于一般電磁流量傳感器勵磁繞組中電感和電阻的比值L/R往往較小。隨著(zhù)勵磁電流進(jìn)入穩態(tài),微分干擾也很快能自動(dòng)消失。所以,為了排除微分干擾對流量信號的影響,通常在勵磁電流進(jìn)入穩態(tài)的恒定階段(即矩形波的平頂部分)后,再對流量信號電壓進(jìn)行同步采樣,如圖7-5所示。
這樣,微分干擾信號不能進(jìn)入同步采樣,因此也不影響流量信號輸出。此外,同步采樣脈沖相對工頻來(lái)說(shuō)是一寬脈沖,并選擇為工頻周期或工頻周期的整數倍,如圖7-5e所示,這樣,即使流量信號中混有工頻干擾信號,因其采樣時(shí)間為完整的工頻周期,其平均值為零,工頻干擾電壓不起作用。另一方面,由于勵磁頻率低,渦電流很小,靜電耦合分布電容的影響小,所以,由于靜電感應而產(chǎn)生的同相干擾也大大減小。綜上所示,低頻以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
1、 能避免正弦波交流磁場(chǎng)的正交干擾;
2、 基本消除由分布電容引起的工頻干擾;
3、 能抑制交流磁場(chǎng)在管壁和流體內引起的渦電流;
4、 能消除直流磁場(chǎng)的極化現象。 低頻矩形波勵磁技術(shù)的采用,解決了長(cháng)期困擾電磁流量計的電磁干擾問(wèn)題,大大提高了電磁 流量計的零點(diǎn)穩定性和測量精度,縮小傳感器的體積,降低勵磁功率,使轉換器和傳感器一 體化,提高電磁流量計的整體性能,拓寬了電磁流量計的工業(yè)應用領(lǐng)域。
勵磁技術(shù)的新發(fā)展
三值低頻矩形波勵磁技術(shù)
三值低頻矩形波勵磁技術(shù)是人們在總結低頻矩形波勵磁技術(shù)的基礎上,為了使儀表零點(diǎn)更穩 定而提出的一種勵磁技術(shù),磁場(chǎng)波形如圖7-3e所示。其最大的特點(diǎn)是實(shí)現在零態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)校正 零點(diǎn),因而具有更優(yōu)良的零點(diǎn)穩定性。 三值低頻矩形波勵磁方式的勵磁電流一般采用工頻的1/8頻率,以+B,0,-B三值進(jìn)行勵 磁,通過(guò)對正一零一負一零一正變化規律的三種狀態(tài)進(jìn)行采樣和處理,如圖7-6所示。
其首要的特點(diǎn)是能在零態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)校正零點(diǎn),有效地消除了流量信號的零位噪聲,從而大大提 高了儀表零位的穩定性;其次,它與低頻矩形波勵磁技術(shù)一樣,可以采用同步采樣技術(shù)來(lái)消 除上升沿和下降沿處的微分干擾;采用寬脈沖采樣以消除混在流量信號中的工頻干擾信號; 第三,它可以通過(guò)一個(gè)周期內的四次采樣值,近似認為極化電勢恒定,利用微處理機的數值 運算功能得以消除極化電勢的影響。 所以,采用三值低頻矩形波勵磁技術(shù)的電磁流量計零點(diǎn)穩定,抗工頻能力強,測量精度進(jìn)一 步提高,傳感器單位流速的流量信號電壓可降低到工頻勵磁方式時(shí)的1/4,從而可進(jìn)一步降 低勵磁功耗,實(shí)現電磁流量計的小型輕量一體化,在電磁流量計中已得到廣泛應用。
雙頻矩形波勵磁技術(shù)
三值低頻矩形波勵磁方式具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩定性,但在測量泥漿(如泥漿流量計)、紙漿等含 纖維和固體顆粒的流體介質(zhì)和低電導率流體流量時(shí),出現固體顆粒擦過(guò)電極表面而產(chǎn)生低頻 尖峰噪聲和流體流動(dòng)噪聲,這樣往往導致勵磁頻率較低的三值勵磁電流流量計輸出擺動(dòng)不 穩。 三值低頻矩形波勵磁零點(diǎn)穩定,但無(wú)法抑制低頻噪聲;較高頻率的矩形波磁場(chǎng)能消除低頻噪 聲,但一般其零點(diǎn)穩定性欠佳。人們在分析各種勵磁技術(shù)的基礎上,提出了雙頻矩形波勵磁 技術(shù),其磁場(chǎng)波形如圖7-3f所示。高頻部分是75Hz的矩形波,外包絡(luò )線(xiàn)是1/8工頻的低頻矩 形波。采用這種勵磁方式,可用高頻波采樣來(lái)消除含纖維和固體顆粒流體介質(zhì)的低頻噪聲, 同時(shí)又保持了低頻矩形波勵磁零點(diǎn)穩定的優(yōu)點(diǎn),取得了很好的應用效果。
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