恒磁式電磁流量計(jì)極化控制方式的研究
恒磁式電磁流量計(jì)極化控制方法的研究
上一節(jié)論述了線圈勵(lì)磁的電磁流量計(jì)消除極化電壓、抑制零點(diǎn)漂移的方法， 但是，它們都是基于線圈勵(lì)磁方法的情況下提出來(lái)的，并不能*磁鋼勵(lì)磁的電磁流量計(jì)信號(hào)處理的要求。所以，必須針對(duì)恒磁式電磁流量計(jì)的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)出相應(yīng)的信號(hào)處理方法。從包含較大極化電壓的電極電壓信號(hào)中提取出較小的反映流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通常有兩種方法：
一、研究極化電壓，分析兩個(gè)電極上極化電壓的相關(guān)性，試圖從根本上消除極化電壓的影響。如果兩個(gè)電極上的極化電壓之間存在某種特定的關(guān)系，可以根據(jù)這種關(guān)系，利用相關(guān)原理設(shè)法消除存在于兩個(gè)電極上的極化電壓，其代表有差分對(duì)比消除極化電壓的方法。但是由于極化電壓的隨機(jī)性，以及目前對(duì)極化電壓的原理還不是十分了解，兩個(gè)電極的極化電壓不存在相關(guān)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)不受影響的前提下，設(shè)法將極化電壓控制到某一固定值，進(jìn)而提取出反映流速變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。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(guò)程的不穩(wěn)定性和不對(duì)稱性，以及電容漏電現(xiàn)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(duì)恒磁式電磁流量計(jì)已有的極化控制方法進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和分析。
3．3．1差分對(duì)比消除極化的方法
當(dāng)測(cè)量電極與被測(cè)流體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生電極極化，即在兩電極之間產(chǎn)生一種緩慢變化的、隨機(jī)的、且與流量無(wú)關(guān)的極化電壓。通電線圈勵(lì)磁的電磁流量計(jì)采用正反向交替變化的勵(lì)磁方式來(lái)消除極化電壓，分別在勵(lì)磁信號(hào)的正半周期和負(fù)半周期對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行采樣，由于極化電壓與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)，兩次得到的流量信號(hào)經(jīng)過(guò)差分即可去除極化干擾，從而得到流量信號(hào)【38】。1983年，日本的【刪(申請(qǐng)?zhí)枺篔P58216916)中也提到過(guò)類似的研究方法。上述差分對(duì)比消除極化的原理框圖如圖3．6所示，因?yàn)闃O化電壓與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)，在保證電極材料和測(cè)量流體*相同的情況下，兩路電壓信號(hào)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。圖3-6差分對(duì)比消除極化原理圖
調(diào)整加磁鋼和不加磁鋼兩組電路，保證靜態(tài)無(wú)流速時(shí)，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(shí)，加磁鋼的電極上采集的信號(hào)應(yīng)該包括極化電壓和反應(yīng)流速的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。不加磁鋼的電極上采集的信號(hào)僅僅包括極化電壓，所以，兩組信號(hào)經(jīng)過(guò)差分后，得到的僅僅是反應(yīng)流速的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
但是，在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，雖然電極材料和測(cè)量流體*相同，兩對(duì)電極差分后的信號(hào)并未隨著流速的變化而變化。從而說(shuō)明在同一管道上相鄰的兩對(duì)電極上產(chǎn)生的極化電壓也沒(méi)有任何的相關(guān)性，不能通過(guò)這種差分對(duì)比消除極化的方法來(lái)獲得反映流速的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由此也進(jìn)一步驗(yàn)證了極化電壓的隨機(jī)性和不相關(guān)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(jī)性和不相關(guān)性，提出了反饋控制的思想，把一個(gè)周期分為測(cè)量時(shí)段和控制時(shí)段，對(duì)兩個(gè)電極進(jìn)行周期的測(cè)量時(shí)段和控制時(shí)段交替工作方式。在測(cè)量時(shí)間內(nèi)采集電極上的電壓信號(hào)；在控制時(shí)間內(nèi)將已采集的極化電壓負(fù)反饋給測(cè)量電極，以消除電極電壓信號(hào)中的極化電壓。雙繼電器電容反饋的工作系統(tǒng)原理框圖如圖3．7所示，在測(cè)量階段，電極采集的電壓信號(hào)對(duì)電容充電；在控制階段，將電容上存儲(chǔ)的電荷交叉反饋給測(cè)量電極。理論上可以抑制極化電壓的影響，從而達(dá)到控制極化的目的。圖3．7雙繼電器工作系統(tǒng)原理圖在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)流速變化時(shí)，可以比較明顯的看出極化電壓上疊加的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但是，電容充放電的過(guò)程不穩(wěn)定，而且受外界干擾影響嚴(yán)重， 反應(yīng)流速信號(hào)的波形極不穩(wěn)定，近似于雜波信號(hào)，無(wú)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(hào)的變化。
3．3．3浙江大學(xué)的方法
2004年浙江大學(xué)申請(qǐng)了一項(xiàng)用于電磁流量計(jì)的永磁式勵(lì)磁方法的【14】， 其結(jié)構(gòu)和原理框圖如圖3．8所示。圖3．8永磁式勵(lì)磁電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖兩個(gè)電極分別相向?qū)ΨQ安裝在管道內(nèi)壁上，兩塊永磁體對(duì)稱安裝在管道外， 永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向、導(dǎo)電流量流速方向以及電極連線方向兩兩垂直。流量信號(hào)由電極采集，進(jìn)入前置放大器部分完成阻抗匹配和差分放大，得到的信號(hào)送入信號(hào)處理部分，由信號(hào)處理部分完成信號(hào)調(diào)理，處理好的信號(hào)最終送入微處理器部分，由微處理器部分完成流量的計(jì)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(shù)值，微處理器給電極施加交變電場(chǎng)和從電極采集流量信號(hào)的時(shí)序如圖3-9所示。非采樣時(shí)間內(nèi)，切換器使兩個(gè)電極的引出線x，Y分別與微處理器部分輸入端X1，Y1導(dǎo)通，從而在兩個(gè)電極上施加由微處理器控制的交變電場(chǎng)；采樣時(shí)間內(nèi)，切換器使兩個(gè)電極的引出線X，Y分別與前置放大部分的輸入端X2，Y2導(dǎo)通，從而撤消在電極上施加的交變電場(chǎng)，并從電極上采集流量信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)微處理器進(jìn)行后續(xù)處理。圖3-9兩個(gè)電極信號(hào)的控制時(shí)序
[注：P：在流體中加正向電場(chǎng)；S：采樣流量信號(hào)；N：在流體中加負(fù)向電場(chǎng)】非采樣時(shí)間內(nèi)快速變化的交變電場(chǎng)可以抑制傳統(tǒng)直流勵(lì)磁測(cè)量非金屬流體時(shí)產(chǎn)生的嚴(yán)重的極化現(xiàn)象，采樣時(shí)間內(nèi)永磁式勵(lì)磁可以避免交流電磁場(chǎng)的干擾， 從理論上分析，該方法設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在勵(lì)磁模塊零功耗的條件下有效地反應(yīng)流量。
但是，該方法是先施加固定的交變電場(chǎng)抑制電極極化，然后再采樣流量信號(hào)。施加交變電場(chǎng)僅僅是相當(dāng)于在極化電壓的基礎(chǔ)上施加了一個(gè)交流信號(hào)，而極化電壓的隨機(jī)性很大，并沒(méi)有針對(duì)極化電壓采取相應(yīng)的抑制措施，沒(méi)有充分考慮到電極上電勢(shì)總體不平衡對(duì)流量信號(hào)的影響，因而并不能有效地抑制極化現(xiàn)象，極化電壓始終存在，流量信號(hào)仍然被淹沒(méi)在極化電壓中，不能反應(yīng)出流速的變化，并不能在真正意義上實(shí)現(xiàn)測(cè)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(duì)極化電壓進(jìn)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(cè)量電壓值粗略的反映出流量的變化，但并不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的流量測(cè)量。在上述極化控制方法的基礎(chǔ)上，借鑒自動(dòng)控制原理中的負(fù)反饋的思想，本課題提出了動(dòng)態(tài)反饋極化控制方法，針對(duì)極化電壓的變化，動(dòng)態(tài)的調(diào)整反饋信號(hào)的大小，從而把極化電壓始終控制在某一穩(wěn)定的值，直接通過(guò)兩個(gè)電極電勢(shì)信號(hào)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)值。
3．4本章小結(jié)
電磁流量傳感器采用的勵(lì)磁方法決定了該流量計(jì)的信號(hào)處理方法?；谏弦徽略O(shè)計(jì)的恒磁式電磁流量傳感器，本章詳細(xì)討論了其相應(yīng)的信號(hào)處理方法， 尤其是極化控制方法。首先介紹了在傳統(tǒng)的線圈勵(lì)磁的電磁流量計(jì)中幾種常用的極化處理方法，這些方法已經(jīng)在電磁流量計(jì)中獲得了廣泛的應(yīng)用。隨后分析了恒磁式電磁流量計(jì)極化電壓的特點(diǎn)，針對(duì)其特點(diǎn)對(duì)極化控制方法進(jìn)行了研究， 并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。為了克服上述極化控制方法的不足，提出了動(dòng)態(tài)反饋極化控制方法，該方法將在下一章詳細(xì)論述。--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)開封中儀網(wǎng)站：
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