恒磁式電磁流量計極化電壓控制方法的研究

恒磁式電磁流量計極化電壓控制方法的研究
   摘要：本文介紹了一種動態跟蹤反饋控制極化電壓的實現方法，并分析推導了該方法的測量原理。設計出低功耗測量電路，編寫基于 Microchip單片機的軟件程序。通過和已經標定好的電磁流量計進行比對測量，從理論和實驗兩方面都證實了電磁流量計采用恒磁勵磁的方法的可行性。
  關鍵詞：恒磁；勵磁；電磁流量計；極化
   一、理論提出
   現有的電磁流量計都是靠通電線圈產生交變磁場，因為電化學及其他因素會在恒定磁場勵磁的電磁流量計測量電極上產生嚴重的極化現象，由此使得隨機變化的極化電壓*淹沒反映流速的感應電動勢，因此，極化電壓一直是電磁流量計測量的主要障礙，恒磁式勵磁的技術始終是電磁流量計研究的主要難點之一。目前，恒磁勵磁的方法僅僅適用于液態金屬的測量，研究在恒磁式電磁流量計中如何控制極化電壓就顯得尤為突出和重要[1,2,3]。電磁流量計勵磁技術隨著電磁流量計的發展，其勵磁技術主要包括低頻勵磁、雙頻勵磁和直流勵磁三種方式[4,5]。就恒磁式電磁流量計目前的研究而言，主要難點集中體現在以下幾點：（1）極化電壓與電極材料、液體性質有關，且影響感應電動勢；（2）直流極化電壓隨機性大，且遠遠大于反應流速的感應電動勢；（3）實際測量過程中，兩電極上疊加了一系列的干擾信號；（4）盡管磁感應強度增大了很多，但與極化電壓相比，反應流速的感應電動勢仍然非常微弱。以上眾多問題使得從一個較大的無規律隨機變化的極化電壓中提取出有用的姜世金李斌（a）電極上的初始極化電壓（b）一段時間后電極上的極化電壓圖1 傳感器電極上的極化電壓恒磁式電磁流量計極化電壓控制方法的研究微弱感應電動勢十分困難，也是目前電磁流量計研究的難點之一。本文從用永磁體測量流速，從極化電壓的角度出發，在參考和借鑒電極結構、極化現象產生機理和雙電層理論 [1,2,6]的基礎上，提出了一種有效的動態跟蹤極化電壓的方法以抑制極化電壓，提取出感應電動勢，定性反應流速。用本文設計的電磁流量傳感器測量極化電壓，在滿管無流速的情況下，示波器采集的傳感器兩電極上的極化電壓信號如圖 1所示。
從圖中可以看出，該電壓為極化電壓，它在 200mV左右，圖 1（a）和圖 1（b）的測量時間相差 40min，它們的變化不穩定且有隨機性。用不同的傳感器測量，極化電壓的幅值和變化情況也*不相同。
一般來說，反應流速的感應電動勢非常微弱（一般
圖2 線圈勵磁的電磁流量傳感器結構圖3 差分對比消除極化原理圖圖4 反饋動態控制極化原理圖為 0.1mV/（1m/s））[7-9]，它是微伏級的電壓。而直流極化電壓遠遠大于反應流速的感應電動勢，從圖 1中可以看出，其數值能達到 200mV。電磁流量計實際測量過程中，受實驗環境的影響，兩個電極上疊加了一系列的干擾信號，極化電壓也影響感應電動勢。以上種種因素使得直接從較大的隨機變化的極化電壓中提取出微弱的感應電動勢十分困難。
盡管恒磁式電磁流量計得到的反映流速的感應電動勢較通電線圈勵磁的電磁流量計大很多，但是，極化電壓仍然至少比感應電動勢大一個數量級以上，因此，要從大的極化電壓中提取出較小的感應電動勢，極化電壓是有待解決的首要問題。
   二、傳感器的設計
   借鑒現有的線圈勵磁的智能電磁流量計，首先設計采集信號的傳感器。線圈勵磁是通過給線圈通以恒定的電流，恒定的電流產生恒定的磁場，從而得到電磁流量計測量所需要的磁感應強度，其傳感器結構如圖 2所示，本課題設計的傳感器是在與電極垂直的方向安裝兩塊大磁鋼
[10]，從理論上講，磁鋼產生的磁感應強度是均勻恒定的。調整加磁鋼和不加磁鋼兩組電路，保證靜態無流速時，加磁鋼和不加磁鋼兩組電路的輸出電壓盡可能相等，從理論分析可知，有流速時，加磁鋼的電極上采集的信號應該包括極化電壓和反應流速的感應電動勢。不加磁鋼的電極上采集的信號僅僅包括極化電壓，所以，兩組信號經過差分后，得到的僅僅是反應流速的感應電動勢。差分對比消除極化原理圖如圖 3所示。
   三、繼電器電容反饋抑制極化的實驗
   對極化電壓的隨機不相關性，設想一種反饋控制思想，保證一個周期內既有測量時間又有控制時間。測量時間內，采集電極上的極化電壓；控制時間內，將已采集的極化電壓反饋給測量電極，以實現正負抵消該電壓。
   四、動態反饋控制極化電壓方法的探索
   借鑒差分對比消除極化和繼電器電容反饋抑制極化兩個實驗的思想，繼續改進繼電器電容反饋的設計方案。既然利用電容的充電和放電現象可以控制極化電壓到一個較小的范圍，那么引入一個記錄極化電壓的機制，并將其極性取反，然后反饋給提取信號的測量電極，也即借鑒自動控制原理的負反饋思想，記錄極化電壓的機制
相當于每次都提供一個設定值，而電極上測量的信號作為實際值，兩者進行比較，然后對其偏差信號進行控制，最終的目的就是盡量將該偏差控制到零，從而控制極化電壓。動態反饋控制極化的工作原理如4所示：先對傳感器采集的信號進行適當的調理，然后判斷極化電壓的大小和方向，每個控制時序內，都要根據極化電壓的幅值和極性采取相應的反饋量，最終將該極化電壓抑制到重復穩定的數值，消除其對感應電動勢的影響，并讓反應流速的感應電動勢得到體現。經過多次實驗，測量不同流速下的信號如圖5所示，圖中靠上的直流電壓為反應流速的信號。從實驗結果可以初步看出，初始靜態零點*在100mV以內，流速變化通過直流電壓的形式反映出來，直流電壓信號幅值隨著流速的增大而增大，其變化范圍可以達到100mV，粗略定性地反應流速變化的效果非常明顯。
 
  五、靜態測量
   在保證磁鋼式電磁流量傳感器滿管但無水流流動的情況下，先讓儀表長時間工作兩個小時，再記錄恒磁式電磁流量計測量顯示的初始零點。分析比較該初始零點的穩定性和重復性。但是，需要補充說明的是，反饋電路對極化電壓的控制要達到良好的穩定程度，需要保證電路先工作足夠長的時間，本實驗中，先開機讓電路工作兩小時以上觀察，靜態時初始零點記錄波形如圖5（a）所示。從圖6相隔兩個小時的記錄結果可以看出，初始零點基本沒改變。而且，多次進行該實驗，LCM141記錄結果顯示，靜態初始零點基本為0.26m/s（或0.27m/s），這也表明在儀表工作足夠長的時間后，初始零點穩定可靠，由此說明初始零點穩定性良好。
   六、定性測量
   先調整恒磁式智能電磁流量計和標定電磁流量計的初始流速，再改變流速繼續測量，記錄比對該儀表和已標定儀表的測量結果，分析其穩定性和重復性。設置采樣保持器和模擬開關的控制頻率為2kHz，測量時，逐漸增大流速，示波器記錄的單電極上測控信號的變化波形如圖7所示，圖7（a）到圖7（d）表明流速依次增大時，對應的電壓峰-峰值逐漸減小。將兩個電極上的測控信號經過采樣保持器后的結果進行差分，動態定性測量，逐漸增大流速，示波器記錄的差分信號的變化波形如圖8所示，從圖8（a）到圖8（d）中可以看出，流速變化通過直流電壓的方式直接反映出來。隨著流速的依次增大，該直流電壓幅值也同步增大。綜合圖7和圖8的記錄波形，可以明顯地觀察到，流速變化可以通過直流電壓的形式直觀地反映出來，由此表明磁鋼勵磁式電磁流量計的測量結果*可以定性較好地反映流速變化，而且測量結果穩定。
   七、硬件電路的總體設計
   系統硬件電路的設計主要包括（a）靜態無流速輸出信號（b）流速較小時輸出信號（c）流速較大時輸出信號圖5 動態反饋控制極化電壓法的測量結果對比（a）初始零點（b）兩個小時后的初始零點圖6 示波器記錄初始零點Research & Development
信號調理、 A/D轉換、 LCD顯示及單片機相關的外圍電路等部分，該流量測量系統的硬件原理如圖 9所示。
電磁流量傳感器得到的電壓信號經過信號調理電路處理后，由 A/D轉換器進行模數轉換，再由 CPU進行數值處理，用液晶顯示相應的流速，各個模塊的只要功能如下：
傳感器信號采集和信號調理電路的核心和難點在于將極化電壓控制到重復穩定的值，提取出微弱的感應電動勢，并將其調整到后續電路可處理的適當范圍。由于采用自動跟蹤反饋控制的思想，信號調理電路由單片機控制。用硬件電路實現動態反饋思想后，可以得到定性穩定地反映流速的電壓信號，該電壓再由單片機進行軟件相關的處理。
   八、軟件設計
   本系統的軟件設計包括主程序和中斷服務程序。中斷服務程序，通過兩個定時器產生周期相同但占空比不同的方波，作為對硬件電路的控制時序，以實現對極化電壓的控制。主程序是整個軟件的核心和框架，它主要包括以下功能：單片機及外設初始化（看門狗定時器設置， I/O口設置、LCD初始化和 I2C總線時序初始化）、A/D轉換及 I2C通信，數據處理，按鍵查詢及液晶顯示。主程序流程圖如圖 10所示。
軟件的設計應遵循模塊化設計原則，在總體設計的基礎上進行具體的詳細設計、功能分解、模塊劃分、細化軟件層次、優化軟件結構，以實現模塊功能的獨
（a）（b）（c）（d）圖7 單電極上測控信號變化波形(a) (b) (c) (d)圖8 流速逐漸增大時對應的測量結果變化趨勢立性，執行的高效性。總之，設計的程序應該達到可讀、可理解、可維護、有效、可修改[13]。切除初始零點后，記錄的測量結果如圖11所示。
   九、結束語
   本文主要討論了恒磁式電磁流量計設計中，極化電壓的設計與實現方法。各項實驗結果都證明了采用這種極化電壓勵磁的電磁流量計基本符合設計要求，恒磁式電磁流量計的研究將為電磁流量計開拓新的研究空間，有助于實現該技術的實際應用。
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