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一种新型电磁流量计转换器的设计与实现

是依据法拉第电磁感应定律的原理来测量液体体积流量的仪表,其励磁方式越来越多。目前国内外厂家普遍采用低频矩形波励磁。本文针对低频矩形波励磁存在的问题,在原先220V交流励磁的传感器的基础上,提出了一种新型转换器的设计方案,来满足越来越高测量精度的需要。重点解决仪器的抗干扰、提高零点的稳定性以及测量精度等问题。

电磁流量计由于具有可靠性高,耐腐蚀性强,测量精度高,容易变更测量范围,具有光滑无阻力的导管、无附加压降等特点,在石油、化工、冶金、造纸等行业得到了广泛应用,并且各类电磁流量计的发展与应用得以进一步深化,其市场具有很大的扩展空间。电磁流量计已经成为解决流量测量困难的重要工具,无论国内外都是重点发展产品。在过去的几十年中,电磁流量计几乎已经在所有工业领域中得到证明和检验。MICONEX2002流量仪表参展商与产品分析,国内厂商主要集中在差压、电磁、涡街、流量显示仪几大类,而电磁流量计参展商比例就占12%,在流量仪表参展商中仅次于涡街流量计。

1 电磁流量计原理

EMF的测量原理基于法拉第电磁感应定律,只是切割磁力线的导体不是一般的金属导体,而是具有一定导电率的液体流柱,切割磁力线的长度是两电极之间的距离,近似等于液体的直径,即测量管内径D如图1所示。由电磁感应定律可知:

(1)

(2)

图1 原理示意图

图2 低频矩形励磁和交流励磁比较

由上式可知流量体积Q和E成正比,通过测量出E的值就能计算出液体的体积流量。

2 研究价值及难点

为了避免产生极化现象而影响测量准确度,电磁流量计的磁路系统采用各种励磁方式,如50Hz正弦电流励磁,低频矩形波励磁,三值低频矩形波励磁,双频矩形波励磁等励磁方式。现在大约80%的场合采用低频矩形励磁技术,但是这种技术容易接近其工作极限,造成在过程中产生大噪声或多峰值的信号,导致测量结果不确定或重复性较差;低频矩形测量窗口很小,而正弦波测量的测量窗口几乎接近100%(如图2);在多相流体的情况下,低频矩形励磁的应用也受到限制,根据流体在电极上的噪声频谱,在25Hz以内,噪声含量最大。另外,脉冲磁场励磁频率所产生的奇数谐波也必须得到处理,导致噪音增加和信号输出不稳定,所以对于交流励磁的电磁流量计的研究具有一定的实用价值。但是交流励磁电磁流量计存在着微分干扰电压、同相干扰电压、共模干扰电压、串模干扰电压等(见5式)。课题的目标就是消除或减少各个干扰电压。尤其是消除微分干扰和同相干扰。

3 电路数学模型

3.1 电路整体思路

(7)

由(7)式可以看出经过乘法器后得到的电压信号U由直流部分(ABmνD-k2ABmω2)/2和交流部分(k1ABmωsin2ωt-ABmνDcos2ωt+k2ABmω2cos2ωt)/2组成。通过低通滤波器把交流部分滤掉,剩下直流部分是一个以流速ν为变量的线性的函数。即(Uo  avb)。

式中a=ABmD,b=k2ABmω2,b为系统的零点。b越小,系统的零点稳定性就越好。

3.2 消除系统的零点

同样取一个参考电压UR=Bsinωt,对UR=Bsinωt求导得

再求导U''R=Bω2sinωt,然后通过反向放大电路调节幅值,把同相干扰抵消掉。这样电源角频率ω发生改变时,可以很好的消除零点的漂移。

3.3 消除电压幅值变化的影响

最后的信号Uout=ABmDV,但是A和Bm都受到电源电压幅值的影响,且为线性关系,当电源电压受外界的影响,幅值发生变化,就会使输出信号发生变化。所以取参考电压UR=Bsinωt,通过乘法器使得UR´UR=B2sin2ωt,然后通过低通滤波后,Ud=B2/2,最后把信号Uout=ABmDV和信号Ud=B2/2相除,这样可以把电源幅值发生变化带来的误差消除掉。

4 实际电路设计

上述的原理由图3所示的电路框图来实现。由于磁感应强度B=Bmsinωt,则励磁电流I=Imaxsinωt,励磁电压U=-Umaxcosωt。

图3 电路原理框图

参考电压UR=Bsinωt,首先通过并联在传感器电源上的变压器经过差动放大电路,获得一个幅值合适的U=U1cosωt信号,再通过移相电路获得UR=Bsinωt信号。

另外由于电源上有许多高频干扰,信号经过两次微分后发生很大的畸变,所以在微分之前先经过两次低通滤波,两次微分后的信号经过放大和移相电路,可获得与同相干扰信号-k2Bmω2sinωt相位幅值一样的信号,再通过差动放大电路消除同相干扰。与此同时,信号有很大的内阻,内阻的大小与被测液体的导电率有关,所以采用高输入阻抗的运放,这样可以实现当内阻发生变化,而输出电压不发生变化。由于信号的电源和电路的电源不是同一个电源,所以不能通过高输入阻抗、高共模抑制比的集成仪用放大器,采用高输入阻抗的同相放大器。还有电磁流量计传感器输出的信号夹杂着高频干扰,通过示波器不能识别其信号,因此也通过低通滤波获得有用的信号,信号经过低通滤波后幅值和相位均发生变化,需要通过移相电路来调整相位关系。最后的除法电路把两路信号因为低通滤波后带来的幅值变化可以很好的消除掉。对于RC低通滤波电路,电压增益的幅值AVH和相角φH分别为和

φH=-αrctg(f/fH)。因此对与两路信号上的RC低通滤波参数的选择要保持一致,即fH一致。这样才可以消除因RC低通滤波带来的幅值增益变化。对于引起的相位变化,通过移相电路来调整。

5 调零方法

调零的关键在于参考点的选择,由于调零是在无液体流动时进行的,传感器输出的信号只是微分干扰电压和同相干扰电压,各分量的大小均不知道。因此选择变压器输出的信号作为参考点进行调试。通过移相电路把变压器输出的信号coswt移成相位差90°的sinwt,然后信号经过两次微分,由于实际单次微分相位不能达到90°相位差,在两次微分后得经过移相观察信号和sinwt一致。对于传感器输出的信号,由于其本身有很大的高频干扰信号的叠加,不能观察出其相位,所以采用替代法来解决。首先,用一路和原始信号频率一致的50Hz的参考信号替代原始信号,经过RC低通滤波,在通过移相电路把相位调整到与参考信号相位一致,把RC低通滤波的相位损失给弥补上。然后再把原始信号加上去,通过调整两级微分后的放大倍数,观察差动放大电路输出信号的相位与cosωt一致或者相反,该信号就是微分干扰信号。

6 结语

该设计的方案节省了若干变压器,减小了仪器的体积和干扰,提高了测量精度,增加了4-20mA的变送器输出,已经投入生产。

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