電磁流量計(jì)空管檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 發(fā)布時(shí)間：2018-03-29
電磁流量計(jì)傳感器的空管狀態(tài)指管道未被液體充滿，導(dǎo)致電極部分或全部裸露于空氣中，該狀態(tài)下儀表示數(shù)不規(guī)則，無法正確顯示流量值［1］。 現(xiàn)階段電磁流量計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)空管狀態(tài)的檢測(cè)，主要有增加電極、參數(shù)提取和附加激勵(lì)三種方法［2－3］。增加電極的方法需對(duì)管道進(jìn)行改造，在實(shí)際使用中可行性不高；參數(shù)提取通過測(cè)量疊加于流量信號(hào)上的微分干擾和工頻干擾兩種信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的狀態(tài)判斷。由于干擾信號(hào)幅值受工況環(huán)境影響大，該方法適用范圍較小；附加激勵(lì)源的方法又分為電壓源和電流源兩類，電壓源輸出阻抗小，并聯(lián)于電極回路，使儀表放大器輸入阻抗減小，影響流量信號(hào)。電流源輸出阻抗高，對(duì)流量信號(hào)的影響可忽略，但電流源輸出電流值不應(yīng)過大，且電流方向應(yīng)可以改變以避免電極極化引起的零點(diǎn)漂移問題［4］。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器空管狀態(tài)更準(zhǔn)確、可靠的報(bào)警功能，本文提出并設(shè)計(jì)了一種電流源激勵(lì)形式的電磁流量計(jì)空管檢測(cè)模塊。 1電流源附加激勵(lì)下傳感器電極回路模型 圖1為電流源附加激勵(lì)下的傳感器電極回路模型圖，E為磁場(chǎng)作用下表征流速信號(hào)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，RL為測(cè)量電極對(duì)地等效電阻，Ri為儀表放大器的輸入電阻，Ie為電流源。 電流源模塊與傳感器電極回路并聯(lián)，由電流源輸出阻抗無窮大特性可知，電流源模塊不對(duì)流量信號(hào)大小產(chǎn)生影響。考慮實(shí)際使用情況下，不同流體類型的流體阻抗大小不一，對(duì)于低電導(dǎo)率類型流體，其流體阻抗大，為避免采樣電勢(shì)信號(hào)飽和，電流源輸出值應(yīng)根據(jù)流體類型大小可調(diào)，且輸出電流大小在微安級(jí)。另外，為了避免電極長(zhǎng)時(shí)間受同一方向電流影響而產(chǎn)生電極極化反應(yīng)，導(dǎo)致儀表零點(diǎn)漂移影響儀表精度，電流源流向需可控。 綜上所述，為實(shí)現(xiàn)電流源附加激勵(lì)形式的空管檢測(cè)模塊能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)空管報(bào)警功能，電流源需滿足如下三點(diǎn)約束條件：微弱電流值恒流、電流方向可控、電流值可控。 2空管檢測(cè)模塊系統(tǒng)框架 如圖2所示，空管檢測(cè)模塊系統(tǒng)由精密電流源、電流控制電路、阻抗測(cè)量模塊三部分組成。其中，精密電流源輸出恒定電流；電流控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電流源輸出電流大小和方向控制；阻抗測(cè)量模塊對(duì)電極電勢(shì)進(jìn)行采樣與電勢(shì)調(diào)整，后送入微處理器進(jìn)行空管判斷。下面分別對(duì)三部分電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。 2．1精密電流源電路設(shè)計(jì) 電流源并聯(lián)于傳感器電極回路，為了不影響流量信號(hào)采集，電流源內(nèi)阻應(yīng)為高阻抗。如圖3，Vi1、Vi2為輸入電壓，VL為負(fù)載端電壓，io為電流源輸出，A1、A2為運(yùn)算放大器。 令isc為負(fù)載短路電流，Ro為恒流源等效內(nèi)阻大小。由諾頓定理，求負(fù)載短路下電路的短路電流［5］： 由上述推導(dǎo)可知，電流源輸出阻抗無窮大，輸出電流大小僅由輸入電壓Vi1、Vi2和輸出電阻R決定，滿足空管檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)要求。電路的不足在于，運(yùn)算放大器輸入端易受外部信號(hào)干擾，故采用三運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)替代差分放大結(jié)構(gòu)。在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，使用儀表放大器INA118替代圖3中運(yùn)算放大器A1，儀表放大器INA118優(yōu)點(diǎn)在于： 1）高共模抑制比，輸入阻抗高達(dá)1010Ω； 2）低輸入偏置電流，最大值為10nA； 3）內(nèi)部高精密電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ； 4）較寬的增益調(diào)節(jié)范圍，為1～10000。 反饋運(yùn)放A2使用低輸入偏置電流運(yùn)算放大器，使流入運(yùn)放A2的損失電流可忽略不計(jì)。根據(jù)電路知識(shí)，使用儀表放大器INA118和運(yùn)放OPA602后電路輸出電流值： RG為增益電阻，改變RG大小即可設(shè)定電流源輸出電流值。電流源輸出電流方向由兩輸入端決定，當(dāng)Vi1－Vi2＞0時(shí)，輸出電流流入負(fù)載；當(dāng)Vi1－Vi2＜0時(shí)，電流從負(fù)載流入儀表放大器。 2．2電流控制電路 電流控制電路主要用于設(shè)定電流源輸出電流值大小以及電流方向切換頻率。為匹配不同類型的傳感器，電路應(yīng)具有電流值大小調(diào)整能力。該功能使用D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5625實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)如下： 1）雙通道、低功耗、8位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，軌對(duì)軌輸出 2）可采用多種通訊接口，如SPI、TMS320。在D/A芯片后增加模擬開關(guān)以保證電流源能夠按微處理器設(shè)置頻率進(jìn)行開關(guān)控制，電流控制電路如圖4所示。 D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5625采用SPI通訊方式，MCU＿DIN為數(shù)據(jù)信號(hào)，MCU＿SCLK為時(shí)鐘信號(hào)，MCU＿CS為片選信號(hào)。芯片輸出電壓： 其中，電壓基準(zhǔn)Vref＝2．048V，由基準(zhǔn)芯片提供，code為微處理器控制的電壓值大小，范圍為0～255。此電路輸出電壓范圍Vout：0～4．096V。 2．3阻抗測(cè)量模塊 最后介紹阻抗測(cè)量模塊電路。由電流源將電流輸出至負(fù)載（傳感器兩電極）端，并對(duì)電極端電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行采集。該電勢(shì)信號(hào)采集由微處理器A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，輸入電壓范圍為0V～3．3V，因此需對(duì)電極端電勢(shì)信號(hào)做電壓轉(zhuǎn)換以滿足微處理器A/D模塊的輸入電壓范圍，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。 如圖5所示，傳感器電極端電勢(shì)用Vin表示。在此信號(hào)被送至微處理器A/D模塊之前，對(duì)電壓值進(jìn)行調(diào)整。考慮傳感器空管時(shí)，電極端電勢(shì)兩種飽和狀態(tài)，Vin變化范圍－6V～＋6V。為了避免模塊輸出端電壓值超過微處理器最大輸入范圍，令此電路滿足公式： 1）當(dāng)電流為流入電極方向，若管道飽和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。 2）當(dāng)電流為流出電極方向，若管道飽和，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按公式（15）進(jìn)行電壓匹配，可以確保無論電流方向正負(fù)，管道空管時(shí)信號(hào)飽和的情況下，輸入微處理器的電勢(shì)信號(hào)不超過其閾值。下面對(duì)電路阻值進(jìn)行計(jì)算，電路總輸出電勢(shì)為： 由負(fù)載端電壓和負(fù)載電流值，可以得電極對(duì)地等效阻抗值RL，將RL與保存于微處理器中空管報(bào)警判斷的閾值進(jìn)行比較，即實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器管道情況判斷。 3結(jié)束語 相比于現(xiàn)有方法，電磁流量計(jì)使用電流源形式的附加激勵(lì)模塊，受傳感器負(fù)載類型影響小，有更廣的適用范圍和更高的可靠性。
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