一種時分雙頻勵磁電磁流量計設計*

劉鐵軍，宮通勝

(中國計量學院計量測試工程學院，杭州310018)

電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律來測量管道內(nèi)導電流體體積流量的，具有耐腐蝕性強、能耗低、可靠性好、測量范圍大、測量原理為線性等突出優(yōu)點［1－3］。傳統(tǒng)電磁流量計通常采用低頻方波勵磁方案，具有零點穩(wěn)定、在被測介質流動狀態(tài)穩(wěn)定時測量精度較高。但由于勵磁頻率低，并且每個勵磁周期內(nèi)僅能得到一個有效的流速測量結果，低頻方波勵磁的電磁流量計對被測流體流動狀態(tài)的變化靈敏度低，從原理上僅僅適用于對流速穩(wěn)定的導電流體進行測量。另外，影響電磁流量計測量精度的各種干擾成分(化學原電池效應、電渦流影響、流動噪聲干擾等)主要分布在低頻段，限制了測量精度的進一步提高，特別是流動噪聲的影響使低頻勵磁電磁流量計對漿液類介質無法測量。為解決上述問題，國外學者較早提出了結合高低頻勵磁技術的雙頻勵磁方案，但并未披露相關技術細節(jié)［4－6］，國內(nèi)研究人員相繼做了一些有益的嘗試，也還沒有完善的實現(xiàn)方案發(fā)表［8－12］。

針對低頻方波勵磁電磁流量計的局限性，分析了雙頻勵磁電磁流量計的不同技術方案的優(yōu)缺點，提出了一種時分雙頻方波勵磁電磁流量計設計方案。所提方案充分借鑒了低頻方波勵磁電磁流量計中的成熟技術，降低了雙頻勵磁電磁流量計勵磁電路和信號調(diào)理電路的設計難度。根據(jù)所提出的時分雙頻勵磁方案設計制作了新型電磁流量計原型樣機，相關試驗表明，該測量方案對被測導電流體流動狀態(tài)變化具有較好的適應性，在較寬的流速測量范圍內(nèi)能實現(xiàn)較高精度的流量測量。

1 兩種雙頻勵磁方案的比較

電磁流量計的雙頻勵磁方案從勵磁控制波形上可以區(qū)分為復合雙頻方波勵磁和時分雙頻方波勵磁兩種。其設計思想均是通過高頻勵磁得到響應速度快、受低頻干擾影響小的流量信號，并通過低頻勵磁得到具有零點穩(wěn)定特性的流量信號來改善高頻勵磁測量結果的零點穩(wěn)定性［10，12］。由于兩種勵磁方案從勵磁控制到傳感器信號調(diào)理電路的設計各有不同特點，實現(xiàn)難度也有差異，下面對兩種方案的特點略作分析。

(1)復合雙頻方波勵磁方案

復合雙頻方波勵磁方案的勵磁波形如圖1(c)所示，它是由圖1(a)所示的高頻方波和圖1(b)所示的低頻方波疊加在一起實現(xiàn)的。從圖1可知，該勵磁方案中高頻勵磁方波是嵌套在低頻勵磁周期內(nèi)的，所以低頻勵磁周期必須是高頻勵磁周期的整倍數(shù)，同時為降低工頻干擾的影響低頻勵磁周期需要是工頻周期的倍數(shù)。通常高頻方波頻率為75 Hz，低頻方波頻率為6.25 Hz。

圖1 復合雙頻方波勵磁波形

復合雙頻方波勵磁作用下電磁流量計傳感器輸出的流量信號是與勵磁波形類似的復合波形，如圖1(d)所示。對傳感器輸出信號的處理不但要去除各種干擾成分，還要把高頻勵磁作用下的流量信號分量(高頻分量)與低頻勵磁作用下的流量信號分量(低頻分量)分離開，估算高頻分量因勵磁回路未進入穩(wěn)態(tài)造成的誤差(零點誤差)，對高頻分量進行修正得到流量測量結果。這種勵磁方案的優(yōu)點是可同步得到流量信號的高頻分量和低頻分量，計算高頻勵磁帶來的零點偏移的實時性好。但是盡管可以通過提高橋路電壓來改善勵磁電流波形，在高頻勵磁部分作用下勵磁電路始終處于趨向恒流工作點的過渡狀態(tài)，對低頻分量測量精度有一定影響。而且高低頻分量的提取需要復雜而精巧的電路設計才能實現(xiàn)。

(2)時分雙頻方波勵磁方案

時分雙頻方波電磁流量計的勵磁波形如圖2(a)所示，一個完整的勵磁周期由若干高頻方波周期和一個低頻方波周期構成，高頻勵磁和低頻勵磁在時間上交替出現(xiàn)、互不重疊。由于高頻勵磁周期與低頻勵磁周期不需要在時間上匹配，勵磁頻率的選擇相比于復合雙頻要靈活。為盡可能減小工頻干擾的影響，低頻方波頻率一般為6.25 Hz，高頻勵磁頻率可選擇為25 Hz到75 Hz，一般選擇為低頻勵磁頻率的倍數(shù)。

圖2 時分雙頻方波勵磁波形

時分雙頻方波勵磁時傳感器輸出信號波形如圖2(b)所示。由于低頻勵磁周期與高頻勵磁周期在時間上不重疊，低頻勵磁周期內(nèi)仍可沿用傳統(tǒng)流量信號測量電路得到勵磁磁場穩(wěn)定時的流量測量值，具有零點穩(wěn)定的優(yōu)點。在低頻勵磁周期內(nèi)，通過對傳感器輸出信號多次采樣獲取從勵磁方向切換到勵磁電流達到穩(wěn)態(tài)過程中傳感器輸出的變化數(shù)據(jù)，并以此為據(jù)來修正高頻勵磁下由于勵磁回路未達到穩(wěn)定狀態(tài)帶來的誤差，從而改善了高頻勵磁下零點的穩(wěn)定性。

通過比較可知，復合雙頻勵磁方案高低頻頻勵磁同步性好，在保證高低頻信號分離質量的前提下利用低頻分量來改善高頻分量零點穩(wěn)定性更具優(yōu)越性，但信號調(diào)理電路復雜、不易實現(xiàn)。而時分雙頻方波勵磁方案，高低頻信號分量從原理上就是獨立的，所以信號調(diào)理電路相對簡單、與傳統(tǒng)低頻方波勵磁流量計在技術上繼承性好，缺點是高低頻分量不是嚴格同步，利用低頻信號分量來改善高頻信號零點穩(wěn)定性的能力受到限制。鑒于雙頻勵磁電磁流量計信號調(diào)理電路的設計詳情迄今尚無公開文獻，本文從實際應用出發(fā)選擇了時分雙頻方波勵磁模式并設計了信號調(diào)理電路。

2 時分雙頻方波勵磁電磁流量信號處理

圖3 時分雙頻勵磁模式下信號處理流程

時分雙頻方波勵磁模式下電磁流量計信號處理流程如圖3所示。圖4為S1至S5等采樣保持器的動作與勵磁時序的對應關系，S1至S5的控制時序分別對應圖4 中的(d)、(e)、(f)、(g)和(h)等。

圖4 信號采樣控制時序

從電磁流量傳感器測量電極上取出的感應電動勢信號E1和E2經(jīng)前置放大器A1差分放大，由C1和R1構成的高通濾波器消除零點飄移誤差得到信號Vs。Vs的波形與圖4(b)中波形類似。采樣保持器S1和S2分別在高頻勵磁方波的正半周和負半周對Vs取樣，正負半周的采樣值相減并濾除高頻干擾得到信號VH，VH就是高頻勵磁對應的流量信號。采樣保持器S3和S4分別在低頻勵磁方波的正半周和負半周對Vs取樣，正負半周的采樣值相減并濾除高頻干擾得到與低頻勵磁對應的流量信號VL。在流速一定時，VL為飽和勵磁狀態(tài)的流量信號輸出，VH為未達到飽和勵磁狀態(tài)的流量信號輸出，VL與VH的差即VH所包含的零點誤差。因為流速變化及低頻干擾的存在，只有VL與VH采樣時刻足夠接近時才能認為VL與VH的差值與VH的零點誤差近似，采樣保持器S5的作用是在與S3、S4控制脈沖最接近的高頻采樣時刻把高頻信號分量取出與低頻信號分量進行計算并得到零點誤差。VH與零點誤差修正值相加，即對VH進行零點修正后得到代表流量測量值的信號VO。

從上述信號處理流程可知，通過在高頻方波勵磁時序中插入低頻方波勵磁周期，用低頻方波勵磁狀態(tài)下測量信號零點穩(wěn)定的優(yōu)點來改善高頻方波勵磁下流量信號的零點穩(wěn)定性，而高頻方波勵磁響應速度快、輸出信號對低頻干擾相對來說不敏感等優(yōu)點也被保留下來。在具體實現(xiàn)時，高頻方波勵磁周期與低頻方波勵磁周期的間隔是可調(diào)的，對于導電性好、流速穩(wěn)定的介質(如工業(yè)用水)進行測量時低頻勵磁周期可以多些，對漿液類介質或流速波動較大的流體進行流量測量時則應以高頻勵磁為主，低頻勵磁僅用于零點修正。

3 樣機實驗結果

基于時分雙頻勵磁技術設計的電磁流量計原型樣機原理方框圖如圖5所示，其高頻方波勵磁頻率為25 Hz，低頻方波勵磁頻率為5 Hz。樣機核心部件是32 bit單片機LPC2136。LPC2136控制勵磁波形發(fā)生器產(chǎn)生所需的勵磁波形，經(jīng)電壓電流轉換、功率放大后輸出勵磁電流驅動電磁流量傳感器的勵磁線圈產(chǎn)生勵磁磁場。電磁流量傳感器的輸出信號經(jīng)前置放大、高低頻分量采樣、低通濾波、流量信號合成等部分處理得到穩(wěn)定的流量測量信號。LPC2136驅動A/D轉換器對流量信號進行模數(shù)轉換得到代表流量測量結果的數(shù)字量。

圖5 樣機原理方框

對樣機的標定和測試采用稱重法，標定裝置精度為0.1%。電磁流量傳感器選用通徑50 mm的點電極式電磁流量傳感器。測試環(huán)境溫度為常溫，約20℃。受實驗條件所限，僅以普通自來水為測量對象對原型樣機進行了測試。首先在流速穩(wěn)定的情況下對樣機進行了初步測試，表1為作為參比樣機的單頻方波勵磁電磁流量計的測量數(shù)據(jù)。表2為雙頻勵磁電磁流量計樣機的測量數(shù)據(jù)。為便于比較，在流量脈動的情況對參比樣機和雙頻勵磁樣機做了進一步測試，實驗過程中通過無規(guī)則地開閉處于被測儀表上游的閥門產(chǎn)生脈動流，實驗數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表1 低頻方波勵磁電磁流量計測量數(shù)據(jù)(平穩(wěn)流動狀態(tài))

表2 雙頻勵磁電磁流量計測量數(shù)據(jù)(平穩(wěn)流動狀態(tài))

表3 低頻方波勵磁電磁流量計測量數(shù)據(jù)(脈動流測量)

表4 雙頻勵磁電磁流量計測量數(shù)據(jù)(脈動流測量)

工程應用中一般認為儀表精度可按照示值重復性的3倍計算，可知單頻方波勵磁電磁流量計樣機在流速平穩(wěn)時精度為0.42%;在流量脈動時精度為0.75%。時分雙頻勵磁電磁流量計樣機在流速平穩(wěn)時精度為 0.33%;在流量脈動時測量精度為0.48%。，可知雙頻勵磁電磁流量計樣機測量精度較高，且對流量脈動的適應性較好。

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