目前,電磁流量計(jì)大多采用低頻矩形波勵(lì)磁方式,以使傳感器輸出信號(hào)獲得較長時(shí)間的平穩(wěn)段，保證其測量精度 。當(dāng)測量漿液流量時(shí)，由于漿液中的固體顆粒劃過電極表面，導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)跳變,該跳變即為漿液噪聲。研究發(fā)現(xiàn)，漿液噪聲的特性滿足 1 分布。所以,為了減小槳液噪聲對輸出信號(hào)的影響,要求提高勵(lì)磁頻率” 。然而, 由于電磁流量計(jì)的勵(lì)磁線圈為感性負(fù)載,提高勵(lì)磁頻率將會(huì)造成勵(lì)磁電流在半勵(lì)磁周期內(nèi)的穩(wěn)定段變短, 不利于流量的測量。 特別是當(dāng)勵(lì)磁線圈的電感值較大時(shí), 若提高勵(lì)磁頻率,就有可能使勵(lì)磁電流無法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，從而無法進(jìn)行流量的測量“”。國外大多采用 PWM 反饋控制或在也橋低端設(shè)置恒流晶體管來進(jìn)行恒流控制。前一種方法的電流響應(yīng)速度較慢，且電流紋波較嚴(yán)重; 后一種方法由于恒流控制電路會(huì)造成芋橋低端電壓波動(dòng)較大, 不利于 耳橋的開關(guān)控制。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)大多采用國外較為落后勵(lì)磁技術(shù), 勵(lì)磁電流在 51ms 左右才進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此勵(lì)磁頻率難以提高，頻率多為2. 5 ~5 Hz。 為此, 國內(nèi)也進(jìn)行了勵(lì)磁方法的相關(guān)改進(jìn)研究, 文獻(xiàn) 06]提出了基于線性電源的勵(lì)磁控制方案, 文獻(xiàn) Q7]提出了基于高低壓電源切換的勵(lì)磁控制方案。基于線性電源的勵(lì)磁控制方案僅適用于勵(lì)磁線圈電感值相對較小的傳感器的高頻勵(lì)磁。高低壓電源切換勵(lì)磁控制方案則由于采用更高壓電源加速電流響應(yīng)速度，能在一定程度上提高勵(lì)磁頻率。但是,文獻(xiàn)披露的高低壓電源切換的勵(lì)磁控制方案, 對于勵(lì)磁線圈電感值較大的傳感器, 勵(lì)磁電流響應(yīng)速度難以進(jìn)一步提高，從而限制了勵(lì)磁頻率進(jìn)一步提高的可能。并且勵(lì)磁方向切換時(shí),勵(lì)磁線圖中儲(chǔ)存的電能全部由泄放電路消耗掉，能量利用率低, 造成能量浪費(fèi)和電路溫升。特別是勵(lì)磁線圈電感值較大時(shí),電路能耗更大, 不利于電路長期穩(wěn)定工作。
為此, 針對高低壓勵(lì)磁方式,提出具有能量回饋和電流旁路的高低壓勵(lì)磁控制方案。 為了加快勵(lì)磁電流的響應(yīng)速度，采用旁路勵(lì)磁電路與恒流控制電路相結(jié)合的勵(lì)磁方式,進(jìn)一步改善高壓段勵(lì)磁效果, 加速勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài); 為了提高能量利用率，減小系統(tǒng)發(fā)熱， 引入能量回饋電路。
1. 勵(lì)磁控制方案設(shè)計(jì)
基于能量回饋和電流旁路的高低壓勵(lì)磁控制方案框圖如圖 1 所示, 主要由高低壓電源、能量回饋電路、高低壓切換電路、便流控制電路、電流旁路電路、互橋開關(guān)電路、檢流電路和勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路組成。
1.1 工作流程
在勵(lì)磁平穩(wěn)階段，勵(lì)磁線圈中的勵(lì)磁電流為穩(wěn)態(tài)設(shè)定值。遲滯比較電路控制高低壓切換電路，切換至低壓源作為勵(lì)磁工作電源，并切斷電流旁路電路。恒流控制電路在低壓供電的情況下通過瑟橋向勵(lì)磁線圈提供恒定電流。當(dāng)勵(lì)磁方向切換時(shí)，勵(lì)磁線圈首先對能量回饋電路放電, 檢流電路檢測到的電流值瞬間為負(fù)，從而切換高壓源作為勵(lì)磁工作電源，同時(shí)接通電流旁路電路，以屏蔽恒流控制電路。勵(lì)磁線圈中的能量通過泄放回路，由能量回鎖電路中的儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存起來。此時(shí)電容兩端的電壓幅值超過輸入端的高壓源。待勵(lì)磁線圈能量泄放完成后，勵(lì)磁線轎中的電流減小為零并改變方向,能量回饋電路開始放電, 將儲(chǔ)存的能量通過電流旁路電路和 世橋直接回饋給勵(lì)磁線圈。待能量回鎖電路兩端電壓下降到高壓源電平狀態(tài)時(shí)，由高壓源直接通過電流旁路電路和 開 橋?qū)?lì)磁線圈進(jìn)行勵(lì)磁控制。當(dāng)線圈中勵(lì)磁電流上升到設(shè)定的超調(diào)量時(shí)，退澇比較電路控制高低壓切換電路，切換低壓源作為勵(lì)磁工作電源并切斷電流旁路電路，然后由恒流控制電路開始對勵(lì)磁電流進(jìn)行恒流控制。
1.2 能量回饋
電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈為一感性儲(chǔ)能元件，在方波勵(lì)磁時(shí),勵(lì)磁系統(tǒng)需要不斷對其進(jìn)行充放電。當(dāng)勵(lì)磁電流穩(wěn)定時(shí)，勵(lì)磁線圈中儲(chǔ)存了一定的能量。當(dāng)勵(lì)磁方向切換時(shí),勵(lì)磁線圈需要先將所儲(chǔ)存的能量泄放掉，然后改變電流方向，青重新充電。因此,需要為勵(lì)磁線圈提供能量泄放回路。雖然，可以采用穩(wěn)壓限幅二極管搭建限幅電路構(gòu)成能量泄放回路,，邯線圈中的電流流過限幅二極管, 將能量消耗在二極管上。 按照功的計(jì)算公式W = UIT可知, 在電流與功均為定值的情況下,電壓的幅值與時(shí)間成反比。所以, 為了加快勵(lì)磁線圈的能量泄放速度， 能量泄放電路需要處在一個(gè)較高的電壓水平，以提高勵(lì)磁線圈的能量泄放功率。但是，限幅二極管的限幅電壓很低，即使線圈中的電壓能夠突變,仍被限制在限幅二極管的反向?qū)妷悍邓?。并? 由于勵(lì)磁線圈電流不能突變,所以能量泄放功率較小、能量泄放速度較慢, 使得勵(lì)磁方向切換后的勵(lì)磁電流響應(yīng)速度較慢,不利于實(shí)現(xiàn)高頻勵(lì)磁，且系統(tǒng)發(fā)熱較為嚴(yán)重。因此, 設(shè)計(jì)能量回饋電路來儲(chǔ)存勵(lì)磁線圈所泄放的能量，并在線圈中勵(lì)磁電流方向改變時(shí)將能量重新回饋給勵(lì)磁線圈，從而避免勵(lì)磁線圈泄放的能量被消耗在電路中。
采用儲(chǔ)能電容結(jié)合相應(yīng)的保護(hù)電路來措建能量回饋電路。若將能量回饋電路設(shè)置在 耳 橋輸入端, 對于恒流源而言, 相當(dāng)于加入了一個(gè)容性負(fù)載, 這不僅會(huì)降低恒流控制性能, 還會(huì)影響能量泄放速度。這是因?yàn)?，在?lì)磁方向切換至高壓供電前,也橋輸入端是處于勵(lì)磁平穩(wěn)階段的低壓狀態(tài)，這不利于線圈能量快速匯放。 為此, 將能量回饋電路設(shè)置在高壓電源與高低壓切換電路之間, 如圖1所示。這樣， 能量回針電路中的儲(chǔ)能電容會(huì)被預(yù)充電到與高壓電源相同的電壓，且在勵(lì)磁線圈的能量泄放過程中會(huì)逐漸升壓，從而能夠加快能量逃放速度。
在勵(lì)磁線圈中的能量汽放完成后，由于勵(lì)磁線圈中電流方向開始反向且幅值很小, 高低壓切換電路仍選擇高壓源作為勵(lì)磁工作電源，以加快電流響應(yīng)速度。所以, 能量回饋電路中的儲(chǔ)能電容將儲(chǔ)存的能量重新回饋給勵(lì)磁線圈。 這樣，勵(lì)磁線圈中的能量在一次方向切換過程中,，既與儲(chǔ)能電容完成一次能量往返交換,又避免了在電路上的損耗。
1.3 恒流控制
目前已有的恒流電路采用反饋進(jìn)行 PWM 調(diào)節(jié)來進(jìn)行便流控制,或者通過在 耳橋低端設(shè)置唱體管進(jìn)行恒流控制。采用 PWM 反饋控制原理構(gòu)建的恒流源，響應(yīng)速度較慢,不適用于高頻勵(lì)磁，并且電流波動(dòng)較大。 在 了橋低端設(shè)置晶體管則會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)橋的低端電壓波動(dòng)較大, 不利于芋橋的開關(guān)控制。因此, 采用三段線性穩(wěn)壓電源芯片搭建恒流源電路，并且將便流電路放置于 了 橋的高段輸入。在勵(lì)磁電流尚未達(dá)到設(shè)定值時(shí), 線性穩(wěn)壓電源為但和輸出,輸出電壓跟隨輸入電壓的變化; 而當(dāng)勵(lì)磁電流接近設(shè)定值時(shí),線性穩(wěn)壓電源輸出則為線性調(diào)節(jié)輸出，以進(jìn)行恒流控制。這樣能夠獲得較快的勵(lì)磁電流響應(yīng)速度,電流波動(dòng)較小。
1.4 電流旁路
在電磁流量計(jì)勵(lì)磁恒流控制中, 通過產(chǎn)生電流超調(diào)可以加速恒流控制。但由于本方案中采用高低壓勵(lì)磁的控制方式，高壓與低壓之間的切換條件為: 勵(lì)磁電流到達(dá)設(shè)定的闊值。為了獲得超調(diào),要求該設(shè)定的闊值大于勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值。又由于三端線性穩(wěn)壓電源芯片搭建的恒流源電路，其輸出端的設(shè)定電阻決定了其輸出電流的大小。所以, 如不采取措施,， 則會(huì)導(dǎo)致在勵(lì)磁電流達(dá)到設(shè)定值后, 由于沒有滿足切換條件，系統(tǒng)仍以高壓電源供電, 這將導(dǎo)致三端穩(wěn)壓電源芯片輸入輸出之間的電壓超過ZUI大人允許值。
由于低壓源供電時(shí)，恒流控制電路針對感性負(fù)載的控制響應(yīng)速度較慢，從而會(huì)使勵(lì)磁電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長。另外, 勵(lì)磁工作電源突然從高壓源切換到低壓源也會(huì)使三端穩(wěn)壓電源芯片的輸出產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)響應(yīng)過程，同樣不利于勵(lì)磁電流快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。因此,在恒流控制電路兩端并聯(lián)電流旁路電路,以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流響應(yīng)超調(diào), 加快響應(yīng)速度。
在圖1 中當(dāng)電流旁路電路接通時(shí),人恒流控制電路將被屏蔽,實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁工作電源與 聯(lián)橋直通的目的; 該電路斷開則使恒流控制電路重新起作用。電流旁路電路由遲滯比較電路控制是杏接通。勵(lì)磁電流能否實(shí)現(xiàn)響應(yīng)超調(diào)，依賴于遲滯比較電路參數(shù)的配置。比較電路遲滯環(huán)的闊值下限設(shè)為低于勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值,在勵(lì)磁電流在下降到一定值時(shí), 才選通高壓源作為勵(lì)磁工作電源。闊值上限則根據(jù)電流超調(diào)量的要求，取略高于勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值，在勵(lì)磁電流上升到設(shè)定超調(diào)量后,切換低壓源作為勵(lì)磁工作電源并切斷電流旁路電路。 這樣, 遲帶比較電路和電流旁路電路共同實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的響應(yīng)超調(diào)控制，從而加速勵(lì)磁電流的恒流控制速度。
另外, 勵(lì)磁系統(tǒng)中檢流電路設(shè)置在 再橋外勵(lì)磁線圈的充放電回路上。 勵(lì)磁線圈充電時(shí),檢流電路所檢測到的電流值為正值; 勵(lì)磁線圈放電時(shí)，檢流電路所檢測到的電流值為負(fù)值
2. 勵(lì)磁系統(tǒng)硬件研制
2.1 高低壓切換恒流控制電路
高低壓切換恒流控制電路是勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，由高、低壓電源、能量回饑電路、高低壓切換電路、恒流控制電路、電流這路電路和遲澇比較電路組成,其電路原理如圖2 所示。
2.2 再橋勵(lì)磁開關(guān)電路與檢流電路
開橋開關(guān)電路主要由 也 橋路及其驅(qū)動(dòng)電路組成, 用于實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁線圈進(jìn)行方波勵(lì)磁。 原理示意圖如圖3 所示。
2.3 勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路
勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生勵(lì)磁控制信號(hào)CON1 和 CON2 以控制方波勵(lì)磁時(shí)序，其電路原理結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。
3. 實(shí)驗(yàn)與測試
勵(lì)磁系統(tǒng)研制完成后， 對其性能進(jìn)行測試:
1) 對于高頻勵(lì)磁，要求勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間短、響應(yīng)速度快, 考察勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間。
2)對于能量回饋電路,主要測試其對線圈中能量的吸收與回鑲的效率。
3) 為了說明鶴路電路對勵(lì)磁電路的勵(lì)磁效果的改善, 則對比采用旁路電路勵(lì)磁前后,勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間。
4) 為了考察恒流控制電路輸出的勵(lì)磁電流在一段時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)情況,進(jìn)行了勵(lì)磁電流長期穩(wěn)定性測試。由于在實(shí)際測量時(shí), 流過傳感器的被測流體的流速，與勵(lì)磁電流流過勵(lì)磁線圈建立的磁場場強(qiáng)度成正比, 為了使傳感器獲得平穩(wěn)的信和號(hào)輸出，要求勵(lì)磁線圈中的勵(lì)磁電流在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后波動(dòng)值較小。
水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
為了評測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果,進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。分別針對50mm口徑與100mm口徑的傳感器進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)勵(lì)磁方式采用方波厲磁，勵(lì)磁頻率為12.5HZ，管道ZUI大流速為7m/s左右，ZUI小流速為0.3m/s左右，標(biāo)定結(jié)果如表1所示
由標(biāo)定結(jié)果可知，所研制的電磁流量計(jì)系統(tǒng)針對 50 mm 口徑的水流量標(biāo)定示值誤差小于0.41% ,重復(fù)性誤差小于 0.11% 。針對 100 mm 口徑的水流量標(biāo)定示值誤差小于 0.21% ,重復(fù)性誤差小于0.12% 。據(jù)此可知，所研制的電磁流量計(jì)系統(tǒng)針對 50 mm 與 100 mm 口徑的水流量標(biāo)定精度均優(yōu)于0.5 級。
4. 結(jié) 論
1) 由能量回銘效率性能測試實(shí)驗(yàn)可知, 采用能量回饋電路對勵(lì)磁方向切換后,線圈中炙余的能量進(jìn)行存儲(chǔ)并利用，該方法較于國內(nèi)普遍通過轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)行消耗的方法而言，能夠提高系統(tǒng)78.2% 的能量利用效率,降低電路能量耗散， 保證電路長期可靠工作。
2) 由勵(lì)磁電流響應(yīng)時(shí)間性能測試以及旁路電路性能測試實(shí)驗(yàn)可知，相較于 PWM 反饋控制的廣法或是在也橋低端設(shè)置恒流晶體管進(jìn)行恒流控制的方法，采用電流旁路電路的高低壓勵(lì)磁方式能夠使得勵(lì)磁電流產(chǎn)生響應(yīng)超調(diào),加快恒流控制的響應(yīng)速度,使得勵(lì)磁電流響應(yīng)時(shí)間從51 ms 縮短到12 ms, 恒流控制響應(yīng)速度提升至400% ，從而有利于進(jìn)一步提高電磁流量計(jì)的勵(lì)磁頻率，減小漿液測量中的漿液干擾。
3) 由勵(lì)磁電流長期運(yùn)行穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)可知,， 較于采用 PWM 反饋控制方法,勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)段紋波嚴(yán)重， 研制的勵(lì)磁系統(tǒng) 72 h 內(nèi)勵(lì)磁電流波動(dòng)率為0.0156 % ,從而表明長時(shí)間運(yùn)行下,本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠工作且勵(lì)磁電流波動(dòng)率較小。
4) 由水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可知, 針對 50 mm 與100 mm 口徑傳感器, 標(biāo)定示值誤差小于 0. 4196 ，重復(fù)性誤差小于 0. 11% ,表明研制的電磁流量計(jì)勵(lì)磁系統(tǒng)能為電磁流量計(jì)的**測量提供保證。
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小量程電磁流量計(jì)在三元注入工藝中的試驗(yàn)與應(yīng)
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電磁流量計(jì)工作原理及現(xiàn)場安裝示意圖
