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江苏创辉自动化仪表有限公司
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设计电磁流量计低频励磁线圈安装距离
发布日期:2017-08-24 06:26
电磁流量计是根据电磁感应定律制成的一种测量导电性液体流量的仪表,可以解决其它流量计不易解决的问题,如脏污流、腐蚀流的测量 [1] 。由于小口径电磁流量计传感器产生的信号非常小 [2~4] ,对工作环境要求比较高,比如温度变化等。
励磁方式决定着电磁流量计的抗干扰能力大小和零点的稳定性能 [5] 。电磁流量计的发展历史与励磁方式的演变过程关系密切。不同的励磁方式代表着不同时代的特征和技术进步。近几十年来,电磁流量计的关键技术——励磁技术也经历了直流励磁(含永磁励磁)、工频正弦波励磁、低频矩糟波励磁、低频三值矩形波励磁、高频矩形波励磁和可编程脉宽矩形波励磁、双频矩形波励磁六个阶
特别是电磁干扰信号与有用的信号混在一起, 它们不仅成分复杂,而且有时候干扰信号还会比流量信号大在这种情况下怎样抑制和排除这些干扰, 提高信噪比就成了研制和使用电磁流量计的一个重要的技术关键之一 [6] 。 
而励磁方式的选择直接影响传感器内部励磁线圈所产生的磁场情况,进一步影响传感器输出的感应电动势信号和仪表的测量准确度。在总结现有励磁方法及前人的工作的基础上,本文采用双频 3 值励磁方法提高信噪比以及零点稳定性和测量准确度。
1 双频 3 值励磁方法的设计
国内有的产品在经过大约一年的现场运行以后,仪表的测量误差会大大超过规定值,经现场技术人员和专家共同分析得出,其原因是对励磁电路的励磁方式和励磁功耗没有很好地综合考虑,引起温度不稳定造成的。国际上一般采用矩形波励磁,如图1所示励磁波形。
电磁流量计矩形波励磁与双频励磁
在恒流源上会产生较大的压降,增加功耗。在一些防爆、电池供电的电磁流量计中这种
方式就会出现问题。可以通过改进波形来降低励磁功耗。
为了能较准确地测量液固两相导电性流体和低导电率流体的流量,进一步降低励磁功耗,进一步实现传感器小型轻量一体化,又必须采用较高频率的矩形波励磁,牺牲电磁流量计的零点稳定性。为降低励磁功率,本文用图 2 所示的波形励磁。
电磁流量计双频3值励磁
式中: R 为励磁线圈等效电阻.
对比式(1)与式(2), 可知a bP P > , 即间歇式波形中功耗较小。 因此适当选择1t ,2t ,3t ,T 大小, 可有效地降低励磁功耗, 从而使得励磁电流在电路中引起的温度不稳定因素得以解决。在一个周期内非励磁时间与励磁时间相等,正向励磁,负向励磁与两个非励磁部分等于一个周期的四分之一,两个非励磁部分间隔在正励磁与负励磁之间,即
这样功率就减少了一半,使得励磁线圈在长期工作时温度稳定性提高。如图 2 中1t 和3 2t t − 为非励磁部分,即励磁电流为零。这部分很好的解决了由于温漂引起的零点稳定性问题。
为了解决零点稳定性和抗干扰能力这一突出矛盾, 最佳方案是采用双频 3 值矩形波励磁的方法,使电磁流量计具有 3 值励磁的零点稳定性好的特点,也进一步降低励磁功耗。具有高频矩形波励磁降低泥浆干扰和流动噪声的数量级, 获得仪表的快速响应速度, 同时提高电磁流量传感器输出信号的信噪比, 成为电磁流量计划时代的励磁技术。 如果用双向励磁方法可以得到对两个方向水流速度的监测, 即两组反应水流速度的电动势, 经过合理的信号处理就会使得以上的优点更加突出。
2 流量计励磁结构优化设计
双励磁是十字交叉式励磁,理想情况下,励磁电流 I 1 产生的磁场只影响电极 A 1 和 A 2的电动势,而励磁电流 I 2 产生的磁场只影响 C 1 和 C 2 的电动势。为了减小两组线圈对其它电极的影响,双向励磁的两组磁力线要成 90 度角,如图 3 所示。
电磁流量计双向励磁结构图
在双频 3 值励磁方式中, 当利用正、 负方波组交替中的不励磁段的零值来作为信号的零点参考,从而对正或负励磁下的信号进行补偿即动态消除信号的零点漂动值。这在三值正、负方波组励磁中就是用三值中的零值励磁输出值来动态互补其他两值下的信号零点。
显然, 由于零值励磁下的信号值并不是真正的正或负值励磁下的信号零点漂动值, 而只能假设与信号零点漂动值有很大的相关性。 从而利用这种假设的信号零点漂动值来进行动态相关互补真正的信号零点漂动值。
3 实验结果分析
零点动态相关互补方法是我们在研制微小流量电磁流量计、 脉冲流量电磁流量计采用的信号放大处理方法。 其优点是可使励磁频率能在励磁回路的惯性常数允许下达到最大值, 并
保持信号放大处理后的零点稳定和对流动噪声不敏感, 使电磁流量计具有良好的动态响应性能和零点稳定性能。
电磁流量计双向励磁电流
励磁电流 I 1 和 I 2 相差四分之一周期,这样两个励磁电流的非励磁部分可以避免在同一时间出现,导致这段时间水流速度数据丢失。如图 4 所示。水流穿过励磁电流 I 1 产生的磁场 B 1 在电极 A 1 和 A 2 两端产生电动势 E 1 反映的是 t 1 -t 2 和 t 3 -t 4 时间的水流信息;水流穿过励磁电流 I 2 产生的磁场 B 2 在电极 C 1 和 C 2 两端产生电动势 E 2 则反映的是 t 0 -t 1 和 t 2 -t 3 时间的水流信息,这样水流在整个周期内的流量信息都被采集到 E 1 与 E 2 内,保证了流量计数据的完整性。
本文励磁方法的主要目的使电磁流量计对流量变化响应快、 零点稳定和对流动噪声影响不敏感。 其原理是利用非励磁部分的零点稳定特性与高频快速响应特点两者性能互补来改善励磁电磁流量计性能,图 5 是本文励磁方法的原理图。
电磁流量计双频3值励磁原理框图
这种双频励磁法在较少流量起伏的情况下, 可以提供对流动噪声影响不敏感, 同时有保证有稳定的零点的电磁流量计。 而对流量连续波动的情况, 这种方法也难以保证稳定的零点,
4 结论
本文主要提出了电磁流量计新的励磁方法: 双频 3 值励磁方法, 通过合理设计使得外部干扰最小,仪器稳定性最高,对传感器输出信号处理滤除干扰信号提高精度。但本质上还是矩形波励磁的方式的一种变形, 因此, 上述对信号处理方法的分析与探讨具有一定的普遍性。
电磁流量计的动态响应与零点稳定性问题是一对相互制约的性能要求。 无论采用何种励
磁方法两者之间都存在矛盾。 本文的设计保证动态响应快的同时又提高了零点稳定性。 同时,通过隔直、滤波等其他手段也可以在较高励磁频率下达到零点较稳定的效果。对于节能、防爆以及高精确度检测的要求,小功率与大量程范围度的性能追求是必不可少的。因此,充分提高电磁流量计的综合性能指标是电磁流量计技术的发展趋势。 135
本设计的缺陷是对线圈的安装要求较高,双向励磁的两组磁力线要成 90 度角。以及对
线圈电感的匹配要求比较高,在以后的研究中希望能够改进
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