電容式電磁流量計信號檢出方式比較

電容式電磁流量計信號檢出方式比較
  摘.. 要.. 電容式電磁流量計的設(shè)計中, 如何準(zhǔn)確、有效地檢測出微弱的流速信號一直是研究的重點。本文對兩種典型的信號檢出方法.. .. .. 電壓檢測和電流檢測的基本原理進行了比較, 分析了它們存在的優(yōu)缺點。
  關(guān)鍵詞.. 電磁流量計.. 電壓.. 電流.. 檢測
   1 .. 引.. .. 言
   電容式電磁流量計是近年來電磁流量計的研究熱點, 由于采用大面積電極, 并且電極與被測流體間有絕緣襯里隔離, 從根本上解決了電極表面附著、腐蝕、摩擦等問題, 對電極式電磁流量計難以測量的流體類型, 如低電導(dǎo)率流體、泥漿混入型流體、附著型流體等, 可以很好地完成檢測, 在很大程度上拓展了電磁流量計的適用范圍, 在造紙、制糖、化工、冶煉等行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。電容式電磁流量計是利用靜電電容來檢測感應(yīng)電動勢的, 由大面積電極板與所測流體通過絕緣襯里組成檢測電容, 其電容值一般為幾十pF, 因此要使信號順利通過, 要求激磁頻率比較高, 一般為幾百Hz, 并且隨著流體電導(dǎo)率的下降, 信號內(nèi)阻變得很大, 干擾影響加劇, 零點穩(wěn)定困難, 使準(zhǔn)確檢出流速信號難度增大。為了提高測試精度, 除了改進傳感器和激磁電路, 研究信號的檢出方式, 提高信號檢出能力也是非常重要的。目前應(yīng)用的信號檢出方式主要有兩種: 一是直接檢測信號電壓, 通過提高前置放大器的輸入電阻, 盡量減少信號電壓的衰減, 保證足夠的精度。二是采用.. 虛地.. 技術(shù), 通過檢測信號電流, 來獲得流速信號。
   2 .. 電壓檢測方式
   目前國內(nèi)市場上電容式電磁流量計主要有德國科隆公司、日本橫河電機和杭州大河科技等幾家公司的產(chǎn)品, 它們都是采用電壓檢測作為信號檢出方式。為了保證足夠的檢測精度, 除了良好的屏蔽外, 主要是要提高前置放大器的輸入電阻, 為了達到足夠高的輸入阻抗, 一般需要采用自舉高阻抗輸入電路[ 1~ 3] , 其基本電路如圖1 所示: 圖1 .. 自舉高阻抗輸入電路原理圖[ 2]其基本原理為: 通過電容C 的正反饋, 把電阻R2 上的電位抬高( 自舉) , 使電阻R1 的兩端幾乎為等電位狀態(tài), 于是, 輸入回路的電流幾乎為零, 從而實現(xiàn)了高的輸入阻抗。其輸入阻抗可近似由式( 1) 進行計算: Ri .. R1+ R2+ j..R1R2C ( 1) 通過合理選擇參數(shù), 輸入電阻Ri 可以達到1012 .. 以上, 可以在內(nèi)阻很大的情況下獲得足夠的信號測量精度。當(dāng)然這只是一個基本的電路, 實際應(yīng)用時, 由于運放的輸入電容的影響不能忽略, 還需要在電路上進行一些調(diào)整[ 3] 。
   3 .. 電流檢測方式
   電流檢測的方法是McHale 提出的[ 4] , 激勵磁場B 是一個三角波信號, 通過測量與感應(yīng)電勢變化率成比例的電流信號, 采用.. 虛地..的方式, 前置放大電路相當(dāng)于一個電流/ 電壓轉(zhuǎn)換器, 合理選擇反饋電阻的阻值, 可以獲得很高的轉(zhuǎn)換比, 并且通過在線的電容檢測, 保證了檢測的精度。其基本電路如圖2 所示: 圖2 .. 電流檢測的電容式電磁流量計原理框圖[ 4] 其基本原理是: 電容式電磁流量計是通過大面積電極同被測流體形成的電容來耦合電磁感應(yīng)產(chǎn)生的與流速相關(guān)的感應(yīng)電勢的, 根據(jù)電容的特性, 在檢測電極上存貯的電量: Q = CE ( 2) 式中: C 為電極電容值, E 為感應(yīng)電勢。而感應(yīng)電勢是與流速v、磁場B 及測量管管徑D 成正比的。可表示成式( 3) , 其中K 為比例系數(shù)。Q = KCvBD ( 3) 因此信號電流iF 可以由Q 對時間的微分得到: iF= dQ/ dt = KCvD( dB/ dt ) ( 4) 由于激勵磁場B 是三角波, dB/ dt 和iF 都是方波信號, 因此, 只要C 可以準(zhǔn)確得到, 通過檢測iF 就可以實現(xiàn)對流體流速的檢測。由于C 值會隨著流體的溫度、壓力的變化而變化, 因此, McHale 通過在流體與系統(tǒng)地之間增加一個比磁場激勵信號頻率低一倍的三角波電場激勵, 由于iC = CdVC/ dt , 在電極上就會疊加上一個與電極電容值成比例的電流信號iC , 因此, 電極上檢出的電流信號實際包含了流速信號iF 和電容信號iC, 兩個極板上的iF 信號大小相等, 方向相反, 通過一個加法器進行放大, 就可以將iC 信號檢出; 而iC 信號是大小相等, 方向相同的, 信號放大電路中對iF 采用的是差分放大, 信號中的iC 分量會被當(dāng)作共模信號去除, 不會影響流速信號的檢測, 從而通過式( 4) 實現(xiàn)對流體流速的檢測。
   4 .. 比較與討論
   綜上分析我們不難看出, 兩種信號檢出方式各有特點, 但都沒有完信號檢測問題。電壓檢出方式可以充分利用成熟的電極式電磁流量計的檢測技術(shù), 激磁電路簡單, 但高輸入阻抗使電容的泄漏電流影響明顯, 檢出信號的誤差增大。同時, 干擾的影響更為顯著, 信噪比SNR 很低, 特別是當(dāng)被測流體的電導(dǎo)率進一步降低時更加明顯, 采取這種信號檢出方式, 其電導(dǎo)率下限大致為0. 01..S/ m。電流檢出采用.. 虛地..的方式, 檢測電路相當(dāng)于一個電流/ 電壓轉(zhuǎn)換器, 從根本上消除電容的泄漏電流的影響, 對傳感器、前置放大器的要求降低了, 對被測流體電導(dǎo)率幾乎沒有限制[ 4, 5] 。但這種方式使激磁電路變得比較復(fù)雜, 目前仍限于實驗室研究, 還沒有此類的商品型電磁流量計。
  參考文獻
  [ 1] .. 蔡武昌等編. 電磁流量計[ M ] . 北京: 中國石化出版社, 2004.
   [ 2] .. 馬中元, 劉克金. 電磁流量計低電導(dǎo)率流體測量問題的討論[ J] . 自動化儀表, 2000, 21( 5) : 5..7.
  [ 3] .. 王.. 萍, 李小京, 盧景山. 電容式電磁流量轉(zhuǎn)換器的設(shè)計[ J] . 化工自動化儀表, 2003, 30( 1) : 63..65. --擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站：