李澤松　左富強(qiáng)　王欣欣　姚　靈

(寧波水表股份有限公司1，浙江 寧波　315033；寧波市計(jì)量測試研究院2，浙江 寧波　315048；浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院3，浙江 杭州　310027)

基于剩磁原理的微功耗脈沖勵(lì)磁方法研究

李澤松1,2,3左富強(qiáng)1王欣欣1姚靈1

(寧波水表股份有限公司1，浙江 寧波315033；寧波市計(jì)量測試研究院2，浙江 寧波315048；浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院3，浙江 杭州310027)

摘要：針對目前因恒流源勵(lì)磁方法功耗過大而無法滿足電磁水表微功耗要求的問題，提出了基于剩磁原理的微功耗脈沖勵(lì)磁方法。通過對電磁流量傳感器磁場的工作方式進(jìn)行分析，選擇具有高剩磁、低矯頑力的矩形磁滯材料制作磁路，采用雙向窄脈沖電壓為勵(lì)磁線圈供電，使磁場穩(wěn)定反轉(zhuǎn)。根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)了脈沖勵(lì)磁磁路和雙向脈沖發(fā)生電路，并進(jìn)行試驗(yàn)測試。測試結(jié)果表明，相對于恒流勵(lì)磁方法，基于剩磁原理的脈沖勵(lì)磁方法可以大幅度降低勵(lì)磁功耗，并且得到穩(wěn)定的工作磁場，有利于提高電磁水表的使用壽命和流量信號的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電磁水表流量計(jì)微功耗脈沖勵(lì)磁矩形磁滯材料剩磁矯頑力磁路

0引言

電磁水表作為一種功能強(qiáng)大的智能水表，相對于傳統(tǒng)機(jī)械式水表而言，具有測量精度高、響應(yīng)速度快、壓力損失小等優(yōu)勢；且由于其內(nèi)部沒有運(yùn)動(dòng)部件，基表的使用壽命長，因此具有很好的應(yīng)用前景[1-2]。目前，具有相同工作原理的電磁流量計(jì)已普遍應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，但電磁水表并未得到普及，甚至市場上都很少見到相關(guān)產(chǎn)品。這主要是由于電磁水表無法像電磁流量計(jì)那樣方便地從市電網(wǎng)絡(luò)獲取工作能源，而最可行的電池供電方式限制了其使用壽命。

為了避免測量電極由于電荷積累產(chǎn)生過大的極化電勢，電磁流量傳感器需采用具有一定頻率的交變磁場，使累積電荷在反向磁場的作用下充分釋放[3]。因此，在工作中須對磁路雙向勵(lì)磁，以改變磁場方向。磁路須采用軟磁材料，為維持工作磁場，在工作期間須保持恒定的勵(lì)磁電流。這使得電磁流量傳感器的能量主要消耗在為勵(lì)磁電路提供工作磁場上，因此很難降低功耗，從而嚴(yán)重制約了電池使用壽命。

本文從磁性材料磁滯特性分析出發(fā)，利用矩磁材料的本構(gòu)特征，研究基于剩磁原理的微功耗脈沖勵(lì)磁方法，從根本上改變持續(xù)電流勵(lì)磁模式，大幅降低電磁流量傳感器的功耗、延長電池使用壽命，以解決制約電磁水表發(fā)展的技術(shù)難題。

1基于剩磁原理的脈沖勵(lì)磁方法機(jī)理

為增強(qiáng)工作磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，電磁流量傳感器通常采用軟磁材料制作磁路元件，勵(lì)磁線圈從恒流源獲得持續(xù)的勵(lì)磁電流，使磁路間隙中產(chǎn)生與電流成正比的磁通。這在一般的電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)中具有明顯的優(yōu)勢，既可以節(jié)省設(shè)計(jì)成本，又便于簡化工藝流程、提高生產(chǎn)效率，而且可以通過計(jì)算磁路的銅損和鐵損來補(bǔ)償其產(chǎn)生的設(shè)計(jì)誤差，獲得較好的效果[4]。

對于采用電池供電的電磁水表而言，節(jié)省功耗是首要問題。為降低水表工作的整體功耗，大多數(shù)研究者采用分段恒流勵(lì)磁的方法。該方法可以在一定程度上起到節(jié)能的效果[5-8],但由于無法實(shí)現(xiàn)微功耗，不能解決根本問題。由于勵(lì)磁功耗主要由持續(xù)的勵(lì)磁電流引起，因此，必須盡量縮短勵(lì)磁時(shí)間，以降低功耗。

考慮到電磁流量傳感器工作磁場為交變矩形波形這一特點(diǎn)，選擇矩磁材料制作磁路元件。矩磁材料屬于特殊的軟磁材料，既有軟磁材料矯頑力小的特點(diǎn)，又具有很高的剩磁。其矩形比Br/Bs一般大于0.8，磁滯回線如圖1所示。

圖1　矩磁材料磁滯回線

由圖1可知：矩磁材料磁滯回線外形與硬磁材料近似，但由于矯頑力HC很小，因此只需很小的磁動(dòng)勢，便可實(shí)現(xiàn)磁場方向的反轉(zhuǎn)；且由于矩形比高，剩磁密度Br與飽和磁通密度Bs相差很小，勵(lì)磁信號消失后，磁路中可保持與飽和磁通很接近且穩(wěn)定的剩磁通。

此外，從圖1所示的磁滯回線中可看出，當(dāng)勵(lì)磁磁場從零增加到矯頑力HC時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度從-Br變?yōu)?Br，或反向變化。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B在0～HC的范圍內(nèi)緩變，當(dāng)磁場強(qiáng)度H

2脈沖電壓勵(lì)磁過程分析

通過上述分析可知，采用矩磁材料制作電磁流量傳感器磁路，主要是利用其剩磁高、矯頑力小的特點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)，在勵(lì)磁電路設(shè)計(jì)中不僅可將持續(xù)電流勵(lì)磁模式改為脈沖勵(lì)磁模式，還可采用直接電壓源供電，避免恒流源轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，從而進(jìn)一步降低功耗。

圖2為脈沖勵(lì)磁磁路與電路模型。在勵(lì)磁線圈兩端輸入勵(lì)磁電壓u，在線圈中將產(chǎn)生相應(yīng)的勵(lì)磁電流i對磁場進(jìn)行激勵(lì)，磁動(dòng)勢為勵(lì)磁電流與線圈匝數(shù)的乘積Ni。與恒流源勵(lì)磁方式不同，脈沖勵(lì)磁電路要考慮與磁場變化相對應(yīng)的電流建立過程。因此，對圖2(a)所示的等效電路瞬態(tài)變化進(jìn)行分析，以便掌握勵(lì)磁脈沖與磁場的對應(yīng)關(guān)系。

圖2　脈沖勵(lì)磁磁路與電路模型

忽略線圈自身寄生電容的影響，電感L主要由線圈中電流i與磁路磁通鏈Ψ=Nφ的變化關(guān)系決定。這一關(guān)系只在電流和磁場的建立過程中存在。在電流穩(wěn)定的線圈中，i和Ψ都是恒定的，線圈表現(xiàn)為純電阻特性，電感L不存在。因此，在恒流源勵(lì)磁系統(tǒng)中只考慮穩(wěn)態(tài)特性；而在脈沖勵(lì)磁系統(tǒng)則只考慮瞬態(tài)過程。

如圖2(a)所示，線圈兩端增加電壓u，電流i從0開始變大，磁路中磁通也同時(shí)變化。如圖2(b)所示，電感L兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律[9-11]，有：

(1)

假設(shè)線圈截面積為A，匝數(shù)為N，則式(1)可改寫為：

(2)

由式(2)可推導(dǎo)出電感L的計(jì)算公式為：

(3)

式(3)可與圖1中的磁滯回線對應(yīng)，當(dāng)H

在電流上升階段開始時(shí)，磁路中磁場穩(wěn)定，線圈中沒有電流。在這一初始狀態(tài)下給線圈兩端施加電壓u，圖2(b)所示的電路瞬態(tài)過程即為零狀態(tài)響應(yīng)。根據(jù)電路原理，零狀態(tài)響應(yīng)時(shí)，線圈中電流為：

(4)

從上述分析可知，在電流上升階段，電感L值小，時(shí)間常數(shù)τ也小，電流快速上升；當(dāng)磁場強(qiáng)度H增加接近HC時(shí)，時(shí)間常數(shù)τ隨電感L的變小而增大，電流上升緩慢，直至磁場反轉(zhuǎn)結(jié)束，電壓u消失。

在磁場反轉(zhuǎn)階段開始時(shí)，線圈兩端無電壓輸入，但存在電流消失階段結(jié)束時(shí)的電流I0，電路處于零輸入狀態(tài)，線圈中的電流為：

(5)

由于該階段電感L很小，時(shí)間常數(shù)τ較大，電流i快速衰減至0，磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度從Bs過渡到Br。磁場反轉(zhuǎn)階段結(jié)束后，電路處于斷路、磁路處于穩(wěn)定狀態(tài)，為測量管路提供了工作磁場Br。在下一個(gè)反向脈沖到來時(shí)，電路和磁路重復(fù)上述過程，只是方向發(fā)生改變。

圖3為電壓、電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度三者的時(shí)間序列對應(yīng)關(guān)系。從圖3中可以看出，采用矩磁材料制作的磁路可以通過脈沖勵(lì)磁電壓對磁路進(jìn)行激勵(lì)，在很短的時(shí)間內(nèi)完成磁場的反轉(zhuǎn)，并獲得穩(wěn)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電磁流量傳感器的磁路變換頻率很低，一般為工頻的1/4、1/8甚至更低，因此采用脈沖勵(lì)磁可以在很小的占空比下工作，從而大幅降低勵(lì)磁功耗。

圖3　電路和磁路參數(shù)波形圖

3試驗(yàn)測試與分析

采用如圖4所示的H橋電路，可提供勵(lì)磁系統(tǒng)所需的電壓脈沖序列。在每半個(gè)周期分別向S3、S4這2個(gè)MOSFET的柵極輸入控制脈沖，實(shí)現(xiàn)橋式電路的脈沖電壓輸出，為線圈提供如圖3(a)所示的脈沖序列。

圖4　H橋脈沖勵(lì)磁電路原理圖

為驗(yàn)證本文方法的可行性，采用1J83矩磁合金材料制作磁路，配合圖4中的脈沖電路及相應(yīng)線圈，采用霍爾元件及后續(xù)信號放大電路對產(chǎn)生的磁場進(jìn)行測量。

測量結(jié)果表明，采用330 μs脈寬的脈沖電壓對磁路進(jìn)行激勵(lì)，可使磁場方向在脈沖發(fā)生時(shí)正常翻轉(zhuǎn)，并且保持相鄰兩脈沖之間具有足夠移強(qiáng)度的穩(wěn)定磁場；而勵(lì)磁功耗只發(fā)生在330 μs內(nèi)，功耗極低。表1為現(xiàn)

有三值波勵(lì)磁方法與本文基于剩磁原理的脈沖勵(lì)磁方法的參數(shù)對比，可知脈沖勵(lì)磁方法在微功耗方面的優(yōu)勢明顯。

表1　三值波勵(lì)磁與脈沖勵(lì)磁參數(shù)對比

4結(jié)束語

電磁流量傳感器勵(lì)磁功耗問題是影響其應(yīng)用的瓶頸之一，傳統(tǒng)的勵(lì)磁方法難以解決根本問題。本文研究的基于剩磁原理微功耗脈沖勵(lì)磁方法，突破傳統(tǒng)軟磁材料恒流源勵(lì)磁方法的思路，以矩磁材料為基礎(chǔ)，利用其剩磁高、矯頑力小的特點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)生雙向窄脈沖的H橋轉(zhuǎn)換電路，不僅大幅降低勵(lì)磁系統(tǒng)的功耗，且獲得的磁場更穩(wěn)定，有利于提高流量信號測量的準(zhǔn)確性。

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Research on the Pulse Excitation Method Based on Remanence Principle with Micro Power Consumption

Abstract：Aiming at the problem that the power consumption of constant current source excitation method is too large, so the low power consumption requirement of electromagnetic water meter cannot be achieved, a new micro-power consumption pulse excitation method based on remanence principle is proposed.By analyzing the operating mode of the magnetic field of electromagnetic flow sensor, the rectangular hysteresis material featuring high remanence and low coercive force is selected to make the magnetic circuit.The excitation coil is powered by bi-directional narrow pulse voltage; the magnetic field is reversed and stable.In accordance with this principle, the pulse excitation magnetic circuit and bi-directional pulse generating circuit are designed and tested.The results of test indicate that comparing with constant current excitation method, the method based on remanence principle greatly reduces power consumption of excitation, and obtains stable operating magnetic field; these are beneficial to improve the lifetime of the electromagnetic water meter, and the stability of the flow signal.

Keywords:Electromagnetic water meterFlowmeterMicro-power consumptionPulse excitationRectangular hysteresis materialRemanenceCoercive forceMagnetic circuit

中圖分類號：TH814;TP2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606022

浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號：20150340);

寧波市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號：2016A610204)

修改稿收到日期：2016-01-05。

第一作者李澤松(1978-)，男，2010年畢業(yè)于浙江大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，工程師；主要從事電磁流量測量技術(shù)方向的研究。