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恒定电流间歇方波激磁与双频激磁在电磁流量计中的应用

发布时间:2017-12-25
 

摘要:针对提高电磁流量仪表准确度的问题,根据电路理论利用数学方法分析并比较了5种激磁方式的优缺点,提出了恒定电流间歇方波激磁方案,此方案可提高测试准确度并降低功耗,理论分析表明,与其它激磁方式相比,其电路简单、噪声低。
在化工及其它工程技术中,常用电磁流量计测量管道液体的流量,而激磁方式对仪表准确度、功耗、噪声的影响越来越明显。对于激磁方式的选择问题,国内外采用的主要为恒定方波激磁。本文在对各种激磁方式分析比较的基础上,重点研究了方波磁场法,以抑制噪声,提高准确度,并对激磁波形提出了改进方案,以降低功耗。
1、激磁方式分析
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律来测量导电性液体体积流量的仪表,其感应电动势U与流速V以及流量Q的关系可由下式表示

式中:B为磁感应强度大小;C1,C2为转换系数;D为测量管内径;L为磁场中作垂直切割磁力线方向运动的导体长度。
由此可知,感应电动势U与流速V或液体体积流量Q是线性关系,而与被测导电介质的密度,粘度、温度、压力等特性无关。这是电磁流量计的一大特点。
直流激磁即磁场是用直流或永磁铁所产生的恒定磁场,这种直流磁场变送器的优点是激磁方式简单,且不存在交变磁场变送器所固有的噪声,但是,直流激磁会使通过测量管内的电解质液体出现极化现象,严重影响仪表的准确度。而当测量电导率很高又不能电解的液态金属时,例如常温的汞,高温的钠、鉍等,用直流磁场的变送器是有利的。
工频交流激磁在早期的电磁流量计中使用较多。它的主要优点是能够消除电极表面的极化作用,而且激磁电路简单。另外,采用交流激磁,输出信号也是交流的,放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多。但是,这种方法的幅度稳定性、频率稳定性较差。而且,由于频率高,涡流产生的同相噪声也很大,且微分噪声补偿困难,目前已不多用。此外,采用市电作为激磁电流,易受电网电压和频率波动的影响,所以还要有必要的补偿措施。
双频激磁的主要目的是使电磁流量计对流量变化响应快,零点稳定和对流动噪声不敏感,其主要原理是利用较低激磁频率的零点稳定特点与较高激磁频率的快速动态响应特点的两者性能互补来改善电磁流量计的动态响应与零点稳定性。
2、恒定方波激磁
2.1恒定电压方波激磁
这是目前电磁流量计常用激磁方式之一。国内外生产的电磁流量计多采用此法。它电路简单,且在稳态时采样,这时微分噪声的影响很小,可忽略不计,选择较低的激磁频率可保持零点稳定性。适当选择休止时间可降低激磁功耗。
但它也有自身的缺点。假设电压源是阶跃信号,设计中T>>τ,则
对于铜电阻,R=R0【1+a(T-T0)】。其中:i(t)为信号电流;E为电压源幅值;R为铜电阻值;τ为时间常数;K,K1,K2为变换系数;T为激磁信号周期;a为铜电阻温度系数a=3.93×10-3/℃。
如果环境温度变化20℃,则。很明显,这对信号影响很大。可见,恒定电压方波激磁中,温度稳定性非常差。
2.2恒定电流方波激磁
恒定电流方波激磁具有恒定电压方波激磁的所有优点,而由于恒流源的作用又可消除铜电阻温度特性不好的影响。B=K1i(t)=K1I,U=KBQ=KK1IQ=CQ。其中:C为变换系数;I为恒流源幅值。
这种激磁方式不但克服了直流和交流激磁中的缺点,还可解决变送器与转换器的互换性问题,应得到广泛应用。
3、一种降低激磁功耗的方案
国内外一般采用矩形波激磁,但在恒流源上会产生较大的压降,增加功耗。在一些防爆、电池供电的电磁流量计中这种方式就会一出现问题可以通过改进波形来降低激磁功耗。
目前,有图1所示激磁波形。为降低激磁功率,本文尝试图2所示的间歇式波形。

式中:Rs为激磁线圈等效电阻。
对比式(5)与式(6),可知P1>P2,即间歇式波形中功耗较小,因此适当选择t1,t2,t3大小,可有效地降低激磁功耗。
4、结语
恒定电流间歇方波激磁,既抑制了噪声提高了电磁流量仪表的准确度,又降低了功耗。但在零点特性及动态响应方面还不完善,可与双频激磁联合应用以提高其性能。因此,充分提高综合性能指标是电磁流量计技术的发展趋势。