恒磁式電磁流量計極化控制方式的研究

恒磁式電磁流量計極化控制方法的研究
   上一節論述了線圈勵磁的電磁流量計消除極化電壓、抑制零點漂移的方法， 但是，它們都是基于線圈勵磁方法的情況下提出來的，并不能*磁鋼勵磁的電磁流量計信號處理的要求。所以，必須針對恒磁式電磁流量計的特點， 設計出相應的信號處理方法。從包含較大極化電壓的電極電壓信號中提取出較小的反映流量的感應電動勢信號，通常有兩種方法：
   一、研究極化電壓，分析兩個電極上極化電壓的相關性，試圖從根本上消除極化電壓的影響。如果兩個電極上的極化電壓之間存在某種特定的關系，可以根據這種關系，利用相關原理設法消除存在于兩個電極上的極化電壓，其代表有差分對比消除極化電壓的方法。但是由于極化電壓的隨機性，以及目前對極化電壓的原理還不是十分了解，兩個電極的極化電壓不存在相關性，所以其消除極化的效果并不理想。
   二、避開直接研究極化電壓，在反映流速變化的感應電動勢不受影響的前提下，設法將極化電壓控制到某一固定值，進而提取出反映流速變化的感應電動勢信號。其代表有繼電器電容反饋抑制極化的方法。但是由于電容充放電過程的不穩定性和不對稱性，以及電容漏電現象的存在，很難精確的抑制極化電壓的影響。
   基于上述兩種方法，本課題對恒磁式電磁流量計已有的極化控制方法進行了相應的實驗和分析。
   3．3．1差分對比消除極化的方法
   當測量電極與被測流體接觸時會產生電極極化，即在兩電極之間產生一種緩慢變化的、隨機的、且與流量無關的極化電壓。通電線圈勵磁的電磁流量計采用正反向交替變化的勵磁方式來消除極化電壓，分別在勵磁信號的正半周期和負半周期對流量信號進行采樣，由于極化電壓與磁場無關，兩次得到的流量信號經過差分即可去除極化干擾，從而得到流量信號【38】。1983年，日本的【刪(申請號：JP58216916)中也提到過類似的研究方法。上述差分對比消除極化的原理框圖如圖3．6所示，因為極化電壓與磁場無關，在保證電極材料和測量流體*相同的情況下，兩路電壓信號差分，理論上可以消除兩組電極上采集的共同的極化電壓，從而得到反映流速的感應電動勢信號。圖3-6差分對比消除極化原理圖
   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。
   但是，在實際的測量過程中，雖然電極材料和測量流體*相同，兩對電極差分后的信號并未隨著流速的變化而變化。從而說明在同一管道上相鄰的兩對電極上產生的極化電壓也沒有任何的相關性，不能通過這種差分對比消除極化的方法來獲得反映流速的感應電動勢，由此也進一步驗證了極化電壓的隨機性和不相關性。
   3．3．2繼電器電容反饋極化控制方法
   鑒于極化電壓的隨機性和不相關性，提出了反饋控制的思想，把一個周期分為測量時段和控制時段，對兩個電極進行周期的測量時段和控制時段交替工作方式。在測量時間內采集電極上的電壓信號；在控制時間內將已采集的極化電壓負反饋給測量電極，以消除電極電壓信號中的極化電壓。雙繼電器電容反饋的工作系統原理框圖如圖3．7所示，在測量階段，電極采集的電壓信號對電容充電；在控制階段，將電容上存儲的電荷交叉反饋給測量電極。理論上可以抑制極化電壓的影響，從而達到控制極化的目的。圖3．7雙繼電器工作系統原理圖在實際的測量過程中，當流速變化時，可以比較明顯的看出極化電壓上疊加的感應電動勢。但是，電容充放電的過程不穩定，而且受外界干擾影響嚴重， 反應流速信號的波形極不穩定，近似于雜波信號，無法精確的反映出流量的變化情況，只能很粗略的反映流量信號的變化。
   3．3．3浙江大學的方法
    2004年浙江大學申請了一項用于電磁流量計的永磁式勵磁方法的【14】， 其結構和原理框圖如圖3．8所示。圖3．8永磁式勵磁電磁流量計結構示意圖兩個電極分別相向對稱安裝在管道內壁上，兩塊永磁體對稱安裝在管道外， 永磁體產生的磁場方向、導電流量流速方向以及電極連線方向兩兩垂直。流量信號由電極采集，進入前置放大器部分完成阻抗匹配和差分放大，得到的信號送入信號處理部分，由信號處理部分完成信號調理，處理好的信號最終送入微處理器部分，由微處理器部分完成流量的計算，流量值送入顯示部分完成流量的顯示。
   微處理器控制切換器的輸入輸出電壓方向和數值，微處理器給電極施加交變電場和從電極采集流量信號的時序如圖3-9所示。非采樣時間內，切換器使兩個電極的引出線x，Y分別與微處理器部分輸入端X1，Y1導通，從而在兩個電極上施加由微處理器控制的交變電場；采樣時間內，切換器使兩個電極的引出線X，Y分別與前置放大部分的輸入端X2，Y2導通，從而撤消在電極上施加的交變電場，并從電極上采集流量信號，然后經過微處理器進行后續處理。圖3-9兩個電極信號的控制時序
   [注：P：在流體中加正向電場；S：采樣流量信號；N：在流體中加負向電場】非采樣時間內快速變化的交變電場可以抑制傳統直流勵磁測量非金屬流體時產生的嚴重的極化現象，采樣時間內永磁式勵磁可以避免交流電磁場的干擾， 從理論上分析，該方法設計的電磁流量計結構簡單，可以在勵磁模塊零功耗的條件下有效地反應流量。
  但是，該方法是先施加固定的交變電場抑制電極極化，然后再采樣流量信號。施加交變電場僅僅是相當于在極化電壓的基礎上施加了一個交流信號，而極化電壓的隨機性很大，并沒有針對極化電壓采取相應的抑制措施，沒有充分考慮到電極上電勢總體不平衡對流量信號的影響，因而并不能有效地抑制極化現象，極化電壓始終存在，流量信號仍然被淹沒在極化電壓中，不能反應出流速的變化，并不能在真正意義上實現測量。
    上述三種控制極化電壓的方法，充分證明極化控制方法是可以對極化電壓進行控制的。但是，上述方法雖然在一定程度上抑制了極化電壓，測量電壓值粗略的反映出流量的變化，但并不能實現真正意義上的流量測量。在上述極化控制方法的基礎上，借鑒自動控制原理中的負反饋的思想，本課題提出了動態反饋極化控制方法，針對極化電壓的變化，動態的調整反饋信號的大小，從而把極化電壓始終控制在某一穩定的值，直接通過兩個電極電勢信號的差值就可以消除極化電壓的影響，并從中提取出反映流速的感應電動勢值。
   3．4本章小結
   電磁流量傳感器采用的勵磁方法決定了該流量計的信號處理方法?；谏弦徽略O計的恒磁式電磁流量傳感器，本章詳細討論了其相應的信號處理方法， 尤其是極化控制方法。首先介紹了在傳統的線圈勵磁的電磁流量計中幾種常用的極化處理方法，這些方法已經在電磁流量計中獲得了廣泛的應用。隨后分析了恒磁式電磁流量計極化電壓的特點，針對其特點對極化控制方法進行了研究， 并分析了各種方法的優缺點。為了克服上述極化控制方法的不足，提出了動態反饋極化控制方法，該方法將在下一章詳細論述。--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、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、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、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、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多信息請訪問開封中儀網站：