劉鐵軍，宮通勝

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州310018)

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測(cè)量管道內(nèi)導(dǎo)電流體體積流量的，具有耐腐蝕性強(qiáng)、能耗低、可靠性好、測(cè)量范圍大、測(cè)量原理為線性等突出優(yōu)點(diǎn)［1－3］。傳統(tǒng)電磁流量計(jì)通常采用低頻方波勵(lì)磁方案，具有零點(diǎn)穩(wěn)定、在被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)測(cè)量精度較高。但由于勵(lì)磁頻率低，并且每個(gè)勵(lì)磁周期內(nèi)僅能得到一個(gè)有效的流速測(cè)量結(jié)果，低頻方波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)對(duì)被測(cè)流體流動(dòng)狀態(tài)的變化靈敏度低，從原理上僅僅適用于對(duì)流速穩(wěn)定的導(dǎo)電流體進(jìn)行測(cè)量。另外，影響電磁流量計(jì)測(cè)量精度的各種干擾成分(化學(xué)原電池效應(yīng)、電渦流影響、流動(dòng)噪聲干擾等)主要分布在低頻段，限制了測(cè)量精度的進(jìn)一步提高，特別是流動(dòng)噪聲的影響使低頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)對(duì)漿液類介質(zhì)無法測(cè)量。為解決上述問題，國(guó)外學(xué)者較早提出了結(jié)合高低頻勵(lì)磁技術(shù)的雙頻勵(lì)磁方案，但并未披露相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)［4－6］，國(guó)內(nèi)研究人員相繼做了一些有益的嘗試，也還沒有完善的實(shí)現(xiàn)方案發(fā)表［8－12］。

針對(duì)低頻方波勵(lì)磁電磁流量計(jì)的局限性，分析了雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)的不同技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種時(shí)分雙頻方波勵(lì)磁電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)方案。所提方案充分借鑒了低頻方波勵(lì)磁電磁流量計(jì)中的成熟技術(shù)，降低了雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)勵(lì)磁電路和信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)難度。根據(jù)所提出的時(shí)分雙頻勵(lì)磁方案設(shè)計(jì)制作了新型電磁流量計(jì)原型樣機(jī)，相關(guān)試驗(yàn)表明，該測(cè)量方案對(duì)被測(cè)導(dǎo)電流體流動(dòng)狀態(tài)變化具有較好的適應(yīng)性，在較寬的流速測(cè)量范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)較高精度的流量測(cè)量。

1 兩種雙頻勵(lì)磁方案的比較

電磁流量計(jì)的雙頻勵(lì)磁方案從勵(lì)磁控制波形上可以區(qū)分為復(fù)合雙頻方波勵(lì)磁和時(shí)分雙頻方波勵(lì)磁兩種。其設(shè)計(jì)思想均是通過高頻勵(lì)磁得到響應(yīng)速度快、受低頻干擾影響小的流量信號(hào)，并通過低頻勵(lì)磁得到具有零點(diǎn)穩(wěn)定特性的流量信號(hào)來改善高頻勵(lì)磁測(cè)量結(jié)果的零點(diǎn)穩(wěn)定性［10，12］。由于兩種勵(lì)磁方案從勵(lì)磁控制到傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)各有不同特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)難度也有差異，下面對(duì)兩種方案的特點(diǎn)略作分析。

(1)復(fù)合雙頻方波勵(lì)磁方案

復(fù)合雙頻方波勵(lì)磁方案的勵(lì)磁波形如圖1(c)所示，它是由圖1(a)所示的高頻方波和圖1(b)所示的低頻方波疊加在一起實(shí)現(xiàn)的。從圖1可知，該勵(lì)磁方案中高頻勵(lì)磁方波是嵌套在低頻勵(lì)磁周期內(nèi)的，所以低頻勵(lì)磁周期必須是高頻勵(lì)磁周期的整倍數(shù)，同時(shí)為降低工頻干擾的影響低頻勵(lì)磁周期需要是工頻周期的倍數(shù)。通常高頻方波頻率為75 Hz，低頻方波頻率為6.25 Hz。

圖1 復(fù)合雙頻方波勵(lì)磁波形

復(fù)合雙頻方波勵(lì)磁作用下電磁流量計(jì)傳感器輸出的流量信號(hào)是與勵(lì)磁波形類似的復(fù)合波形，如圖1(d)所示。對(duì)傳感器輸出信號(hào)的處理不但要去除各種干擾成分，還要把高頻勵(lì)磁作用下的流量信號(hào)分量(高頻分量)與低頻勵(lì)磁作用下的流量信號(hào)分量(低頻分量)分離開，估算高頻分量因勵(lì)磁回路未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)造成的誤差(零點(diǎn)誤差)，對(duì)高頻分量進(jìn)行修正得到流量測(cè)量結(jié)果。這種勵(lì)磁方案的優(yōu)點(diǎn)是可同步得到流量信號(hào)的高頻分量和低頻分量，計(jì)算高頻勵(lì)磁帶來的零點(diǎn)偏移的實(shí)時(shí)性好。但是盡管可以通過提高橋路電壓來改善勵(lì)磁電流波形，在高頻勵(lì)磁部分作用下勵(lì)磁電路始終處于趨向恒流工作點(diǎn)的過渡狀態(tài)，對(duì)低頻分量測(cè)量精度有一定影響。而且高低頻分量的提取需要復(fù)雜而精巧的電路設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。

(2)時(shí)分雙頻方波勵(lì)磁方案

時(shí)分雙頻方波電磁流量計(jì)的勵(lì)磁波形如圖2(a)所示，一個(gè)完整的勵(lì)磁周期由若干高頻方波周期和一個(gè)低頻方波周期構(gòu)成，高頻勵(lì)磁和低頻勵(lì)磁在時(shí)間上交替出現(xiàn)、互不重疊。由于高頻勵(lì)磁周期與低頻勵(lì)磁周期不需要在時(shí)間上匹配，勵(lì)磁頻率的選擇相比于復(fù)合雙頻要靈活。為盡可能減小工頻干擾的影響，低頻方波頻率一般為6.25 Hz，高頻勵(lì)磁頻率可選擇為25 Hz到75 Hz，一般選擇為低頻勵(lì)磁頻率的倍數(shù)。

圖2 時(shí)分雙頻方波勵(lì)磁波形

時(shí)分雙頻方波勵(lì)磁時(shí)傳感器輸出信號(hào)波形如圖2(b)所示。由于低頻勵(lì)磁周期與高頻勵(lì)磁周期在時(shí)間上不重疊，低頻勵(lì)磁周期內(nèi)仍可沿用傳統(tǒng)流量信號(hào)測(cè)量電路得到勵(lì)磁磁場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)的流量測(cè)量值，具有零點(diǎn)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。在低頻勵(lì)磁周期內(nèi)，通過對(duì)傳感器輸出信號(hào)多次采樣獲取從勵(lì)磁方向切換到勵(lì)磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)過程中傳感器輸出的變化數(shù)據(jù)，并以此為據(jù)來修正高頻勵(lì)磁下由于勵(lì)磁回路未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)帶來的誤差，從而改善了高頻勵(lì)磁下零點(diǎn)的穩(wěn)定性。

通過比較可知，復(fù)合雙頻勵(lì)磁方案高低頻頻勵(lì)磁同步性好，在保證高低頻信號(hào)分離質(zhì)量的前提下利用低頻分量來改善高頻分量零點(diǎn)穩(wěn)定性更具優(yōu)越性，但信號(hào)調(diào)理電路復(fù)雜、不易實(shí)現(xiàn)。而時(shí)分雙頻方波勵(lì)磁方案，高低頻信號(hào)分量從原理上就是獨(dú)立的，所以信號(hào)調(diào)理電路相對(duì)簡(jiǎn)單、與傳統(tǒng)低頻方波勵(lì)磁流量計(jì)在技術(shù)上繼承性好，缺點(diǎn)是高低頻分量不是嚴(yán)格同步，利用低頻信號(hào)分量來改善高頻信號(hào)零點(diǎn)穩(wěn)定性的能力受到限制。鑒于雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)詳情迄今尚無公開文獻(xiàn)，本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)選擇了時(shí)分雙頻方波勵(lì)磁模式并設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路。

2 時(shí)分雙頻方波勵(lì)磁電磁流量信號(hào)處理

圖3 時(shí)分雙頻勵(lì)磁模式下信號(hào)處理流程

時(shí)分雙頻方波勵(lì)磁模式下電磁流量計(jì)信號(hào)處理流程如圖3所示。圖4為S1至S5等采樣保持器的動(dòng)作與勵(lì)磁時(shí)序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，S1至S5的控制時(shí)序分別對(duì)應(yīng)圖4 中的(d)、(e)、(f)、(g)和(h)等。

圖4 信號(hào)采樣控制時(shí)序

從電磁流量傳感器測(cè)量電極上取出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)E1和E2經(jīng)前置放大器A1差分放大，由C1和R1構(gòu)成的高通濾波器消除零點(diǎn)飄移誤差得到信號(hào)Vs。Vs的波形與圖4(b)中波形類似。采樣保持器S1和S2分別在高頻勵(lì)磁方波的正半周和負(fù)半周對(duì)Vs取樣，正負(fù)半周的采樣值相減并濾除高頻干擾得到信號(hào)VH，VH就是高頻勵(lì)磁對(duì)應(yīng)的流量信號(hào)。采樣保持器S3和S4分別在低頻勵(lì)磁方波的正半周和負(fù)半周對(duì)Vs取樣，正負(fù)半周的采樣值相減并濾除高頻干擾得到與低頻勵(lì)磁對(duì)應(yīng)的流量信號(hào)VL。在流速一定時(shí)，VL為飽和勵(lì)磁狀態(tài)的流量信號(hào)輸出，VH為未達(dá)到飽和勵(lì)磁狀態(tài)的流量信號(hào)輸出，VL與VH的差即VH所包含的零點(diǎn)誤差。因?yàn)榱魉僮兓暗皖l干擾的存在，只有VL與VH采樣時(shí)刻足夠接近時(shí)才能認(rèn)為VL與VH的差值與VH的零點(diǎn)誤差近似，采樣保持器S5的作用是在與S3、S4控制脈沖最接近的高頻采樣時(shí)刻把高頻信號(hào)分量取出與低頻信號(hào)分量進(jìn)行計(jì)算并得到零點(diǎn)誤差。VH與零點(diǎn)誤差修正值相加，即對(duì)VH進(jìn)行零點(diǎn)修正后得到代表流量測(cè)量值的信號(hào)VO。

從上述信號(hào)處理流程可知，通過在高頻方波勵(lì)磁時(shí)序中插入低頻方波勵(lì)磁周期，用低頻方波勵(lì)磁狀態(tài)下測(cè)量信號(hào)零點(diǎn)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)來改善高頻方波勵(lì)磁下流量信號(hào)的零點(diǎn)穩(wěn)定性，而高頻方波勵(lì)磁響應(yīng)速度快、輸出信號(hào)對(duì)低頻干擾相對(duì)來說不敏感等優(yōu)點(diǎn)也被保留下來。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，高頻方波勵(lì)磁周期與低頻方波勵(lì)磁周期的間隔是可調(diào)的，對(duì)于導(dǎo)電性好、流速穩(wěn)定的介質(zhì)(如工業(yè)用水)進(jìn)行測(cè)量時(shí)低頻勵(lì)磁周期可以多些，對(duì)漿液類介質(zhì)或流速波動(dòng)較大的流體進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)則應(yīng)以高頻勵(lì)磁為主，低頻勵(lì)磁僅用于零點(diǎn)修正。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于時(shí)分雙頻勵(lì)磁技術(shù)設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)原型樣機(jī)原理方框圖如圖5所示，其高頻方波勵(lì)磁頻率為25 Hz，低頻方波勵(lì)磁頻率為5 Hz。樣機(jī)核心部件是32 bit單片機(jī)LPC2136。LPC2136控制勵(lì)磁波形發(fā)生器產(chǎn)生所需的勵(lì)磁波形，經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換、功率放大后輸出勵(lì)磁電流驅(qū)動(dòng)電磁流量傳感器的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)。電磁流量傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)前置放大、高低頻分量采樣、低通濾波、流量信號(hào)合成等部分處理得到穩(wěn)定的流量測(cè)量信號(hào)。LPC2136驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到代表流量測(cè)量結(jié)果的數(shù)字量。

圖5 樣機(jī)原理方框

對(duì)樣機(jī)的標(biāo)定和測(cè)試采用稱重法，標(biāo)定裝置精度為0.1%。電磁流量傳感器選用通徑50 mm的點(diǎn)電極式電磁流量傳感器。測(cè)試環(huán)境溫度為常溫，約20℃。受實(shí)驗(yàn)條件所限，僅以普通自來水為測(cè)量對(duì)象對(duì)原型樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。首先在流速穩(wěn)定的情況下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了初步測(cè)試，表1為作為參比樣機(jī)的單頻方波勵(lì)磁電磁流量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)。表2為雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)樣機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)。為便于比較，在流量脈動(dòng)的情況對(duì)參比樣機(jī)和雙頻勵(lì)磁樣機(jī)做了進(jìn)一步測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過程中通過無規(guī)則地開閉處于被測(cè)儀表上游的閥門產(chǎn)生脈動(dòng)流，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表1 低頻方波勵(lì)磁電磁流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)(平穩(wěn)流動(dòng)狀態(tài))

表2 雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)(平穩(wěn)流動(dòng)狀態(tài))

表3 低頻方波勵(lì)磁電磁流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)(脈動(dòng)流測(cè)量)

表4 雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)(脈動(dòng)流測(cè)量)

工程應(yīng)用中一般認(rèn)為儀表精度可按照示值重復(fù)性的3倍計(jì)算，可知單頻方波勵(lì)磁電磁流量計(jì)樣機(jī)在流速平穩(wěn)時(shí)精度為0.42%;在流量脈動(dòng)時(shí)精度為0.75%。時(shí)分雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)樣機(jī)在流速平穩(wěn)時(shí)精度為 0.33%;在流量脈動(dòng)時(shí)測(cè)量精度為0.48%。，可知雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)樣機(jī)測(cè)量精度較高，且對(duì)流量脈動(dòng)的適應(yīng)性較好。

［1］ Shercliff J A.The Theory of Electromagnetic Flow Measurement［M］.London:Cambridge University Press，1962:79－82.

［2］ Bevir M K.The Theory of Induced Voltage Electromagnetic Flowmeters［J］.Journal of Fluid Mechanics，1970，43(3):53－56.

［3］ Bevir M K，O’sullivanV T，Wyatt D G.Computationof Electromagnetic Flowmeter Characteristics from Magnetic Field Data［J］.J Phys D:Appl Phys，1981，14:373－388.

［4］ 小林保，黑森健一，后藤茂，等.電磁流量計(jì)［P］.中國(guó).CN87101677A，1989－09－14.

［5］ Clark D W，Hemp J.Eddy Current Effects in an Electromagnetic Flowmeter［J］.Flow Measurement Instrumentation，2009，3:22－37.

［6］ Nojiri H，Kimura T.Improvement of Statbility of Electromagnetic Flowmeter with Non-Wetted Electrodes in Low-Conductivity Liquid Measurement［C］//SICE Annual Conference in Sapporo，Hokkaido Institute of Technology，Japan，August 4－6，2004:1554－1557.

［7］ Xu Kejun，Wang Xiaofen.Signal Modeling of Electromagnetic Flowmeter under Sine Wave Excitation using Two Stage Fitting Method［J］.Sensor and Actuator A，2007，136:137－143.

［8］ 臧楠，李斌.雙激勵(lì)式非滿管電磁流量計(jì)研究［J］.儀表技術(shù)，2009(8):9－14.

［9］ 邢斌，李斌.一種改進(jìn)的 H橋放電回路［J］.儀表技術(shù)，2010(3):68－70.

［10］黃皎，姚春，丁婷，等.基于新型勵(lì)磁方式的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(2):215－219.

［11］衛(wèi)開夏，李斌，陳堅(jiān)禎.非滿管電磁流量計(jì)液位測(cè)量方法研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008(12):2106－2110.

［12］楊雙龍，王剛，徐科軍，等.基于線性電源的單雙頻電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2010，24(2):147－152.