恒磁式电磁流量计极化电压控制方法的研究

恒磁式电磁流量计极化电压控制方法的研究
   摘要：本文介绍了一种动态跟踪反馈控制极化电压的实现方法，并分析推导了该方法的测量原理。设计出低功耗测量电路，编写基于 Microchip单片机的软件程序。通过和已经标定好的电磁流量计进行比对测量，从理论和实验两方面都证实了电磁流量计采用恒磁励磁的方法的可行性。
  关键词：恒磁；励磁；电磁流量计；极化
   一、理论提出
   现有的电磁流量计都是靠通电线圈产生交变磁场，因为电化学及其他因素会在恒定磁场励磁的电磁流量计测量电极上产生严重的极化现象，由此使得随机变化的极化电压淹没反映流速的感应电动势，因此，极化电压一直是电磁流量计测量的主要障碍，恒磁式励磁的技术始终是电磁流量计研究的主要难点之一。目前，恒磁励磁的方法仅仅适用于液态金属的测量，研究在恒磁式电磁流量计中如何控制极化电压就显得尤为突出和重要[1,2,3]。电磁流量计励磁技术随着电磁流量计的发展，其励磁技术主要包括低频励磁、双频励磁和直流励磁三种方式[4,5]。就恒磁式电磁流量计目前的研究而言，主要难点集中体现在以下几点：（1）极化电压与电极材料、液体性质有关，且影响感应电动势；（2）直流极化电压随机性大，且远远大于反应流速的感应电动势；（3）实际测量过程中，两电极上叠加了一系列的干扰信号；（4）尽管磁感应强度增大了很多，但与极化电压相比，反应流速的感应电动势仍然非常微弱。以上众多问题使得从一个较大的无规律随机变化的极化电压中提取出有用的姜世金李斌（a）电极上的初始极化电压（b）一段时间后电极上的极化电压图1 传感器电极上的极化电压恒磁式电磁流量计极化电压控制方法的研究微弱感应电动势十分困难，也是目前电磁流量计研究的难点之一。本文从用永磁体测量流速，从极化电压的角度出发，在参考和借鉴电极结构、极化现象产生机理和双电层理论 [1,2,6]的基础上，提出了一种有效的动态跟踪极化电压的方法以抑制极化电压，提取出感应电动势，定性反应流速。用本文设计的电磁流量传感器测量极化电压，在满管无流速的情况下，示波器采集的传感器两电极上的极化电压信号如图 1所示。
从图中可以看出，该电压为极化电压，它在 200mV左右，图 1（a）和图 1（b）的测量时间相差 40min，它们的变化不稳定且有随机性。用不同的传感器测量，极化电压的幅值和变化情况也不相同。
一般来说，反应流速的感应电动势非常微弱（一般
图2 线圈励磁的电磁流量传感器结构图3 差分对比消除极化原理图图4 反馈动态控制极化原理图为 0.1mV/（1m/s））[7-9]，它是微伏级的电压。而直流极化电压远远大于反应流速的感应电动势，从图 1中可以看出，其数值能达到 200mV。电磁流量计实际测量过程中，受实验环境的影响，两个电极上叠加了一系列的干扰信号，极化电压也影响感应电动势。以上种种因素使得直接从较大的随机变化的极化电压中提取出微弱的感应电动势十分困难。
尽管恒磁式电磁流量计得到的反映流速的感应电动势较通电线圈励磁的电磁流量计大很多，但是，极化电压仍然至少比感应电动势大一个数量级以上，因此，要从大的极化电压中提取出较小的感应电动势，极化电压是有待解决的首要问题。
   二、传感器的设计
   借鉴现有的线圈励磁的智能电磁流量计，首先设计采集信号的传感器。线圈励磁是通过给线圈通以恒定的电流，恒定的电流产生恒定的磁场，从而得到电磁流量计测量所需要的磁感应强度，其传感器结构如图 2所示，本课题设计的传感器是在与电极垂直的方向安装两块大磁钢
[10]，从理论上讲，磁钢产生的磁感应强度是均匀恒定的。调整加磁钢和不加磁钢两组电路，保证静态无流速时，加磁钢和不加磁钢两组电路的输出电压尽可能相等，从理论分析可知，有流速时，加磁钢的电极上采集的信号应该包括极化电压和反应流速的感应电动势。不加磁钢的电极上采集的信号仅仅包括极化电压，所以，两组信号经过差分后，得到的仅仅是反应流速的感应电动势。差分对比消除极化原理图如图 3所示。
   三、继电器电容反馈抑制极化的实验
   对极化电压的随机不相关性，设想一种反馈控制思想，保证一个周期内既有测量时间又有控制时间。测量时间内，采集电极上的极化电压；控制时间内，将已采集的极化电压反馈给测量电极，以实现正负抵消该电压。
   四、动态反馈控制极化电压方法的探索
   借鉴差分对比消除极化和继电器电容反馈抑制极化两个实验的思想，继续改进继电器电容反馈的设计方案。既然利用电容的充电和放电现象可以控制极化电压到一个较小的范围，那么引入一个记录极化电压的机制，并将其极性取反，然后反馈给提取信号的测量电极，也即借鉴自动控制原理的负反馈思想，记录极化电压的机制
相当于每次都提供一个设定值，而电极上测量的信号作为实际值，两者进行比较，然后对其偏差信号进行控制，最终的目的就是尽量将该偏差控制到零，从而控制极化电压。动态反馈控制极化的工作原理如4所示：先对传感器采集的信号进行适当的调理，然后判断极化电压的大小和方向，每个控制时序内，都要根据极化电压的幅值和极性采取相应的反馈量，最终将该极化电压抑制到重复稳定的数值，消除其对感应电动势的影响，并让反应流速的感应电动势得到体现。经过多次实验，测量不同流速下的信号如图5所示，图中靠上的直流电压为反应流速的信号。从实验结果可以初步看出，初始静态零点在100mV以内，流速变化通过直流电压的形式反映出来，直流电压信号幅值随着流速的增大而增大，其变化范围可以达到100mV，粗略定性地反应流速变化的效果非常明显。
 
  五、静态测量
   在保证磁钢式电磁流量传感器满管但无水流流动的情况下，先让仪表长时间工作两个小时，再记录恒磁式电磁流量计测量显示的初始零点。分析比较该初始零点的稳定性和重复性。但是，需要补充说明的是，反馈电路对极化电压的控制要达到良好的稳定程度，需要保证电路先工作足够长的时间，本实验中，先开机让电路工作两小时以上观察，静态时初始零点记录波形如图5（a）所示。从图6相隔两个小时的记录结果可以看出，初始零点基本没改变。而且，多次进行该实验，LCM141记录结果显示，静态初始零点基本为0.26m/s（或0.27m/s），这也表明在仪表工作足够长的时间后，初始零点稳定可靠，由此说明初始零点稳定性良好。
   六、定性测量
   先调整恒磁式智能电磁流量计和标定电磁流量计的初始流速，再改变流速继续测量，记录比对该仪表和已标定仪表的测量结果，分析其稳定性和重复性。设置采样保持器和模拟开关的控制频率为2kHz，测量时，逐渐增大流速，示波器记录的单电极上测控信号的变化波形如图7所示，图7（a）到图7（d）表明流速依次增大时，对应的电压峰-峰值逐渐减小。将两个电极上的测控信号经过采样保持器后的结果进行差分，动态定性测量，逐渐增大流速，示波器记录的差分信号的变化波形如图8所示，从图8（a）到图8（d）中可以看出，流速变化通过直流电压的方式直接反映出来。随着流速的依次增大，该直流电压幅值也同步增大。综合图7和图8的记录波形，可以明显地观察到，流速变化可以通过直流电压的形式直观地反映出来，由此表明磁钢励磁式电磁流量计的测量结果可以定性较好地反映流速变化，而且测量结果稳定。
   七、硬件电路的总体设计
   系统硬件电路的设计主要包括（a）静态无流速输出信号（b）流速较小时输出信号（c）流速较大时输出信号图5 动态反馈控制极化电压法的测量结果对比（a）初始零点（b）两个小时后的初始零点图6 示波器记录初始零点Research & Development
信号调理、 A/D转换、 LCD显示及单片机相关的外围电路等部分，该流量测量系统的硬件原理如图 9所示。
电磁流量传感器得到的电压信号经过信号调理电路处理后，由 A/D转换器进行模数转换，再由 CPU进行数值处理，用液晶显示相应的流速，各个模块的只要功能如下：
传感器信号采集和信号调理电路的核心和难点在于将极化电压控制到重复稳定的值，提取出微弱的感应电动势，并将其调整到后续电路可处理的适当范围。由于采用自动跟踪反馈控制的思想，信号调理电路由单片机控制。用硬件电路实现动态反馈思想后，可以得到定性稳定地反映流速的电压信号，该电压再由单片机进行软件相关的处理。
   八、软件设计
   本系统的软件设计包括主程序和中断服务程序。中断服务程序，通过两个定时器产生周期相同但占空比不同的方波，作为对硬件电路的控制时序，以实现对极化电压的控制。主程序是整个软件的核心和框架，它主要包括以下功能：单片机及外设初始化（看门狗定时器设置， I/O口设置、LCD初始化和 I2C总线时序初始化）、A/D转换及 I2C通信，数据处理，按键查询及液晶显示。主程序流程图如图 10所示。
软件的设计应遵循模块化设计原则，在总体设计的基础上进行具体的详细设计、功能分解、模块划分、细化软件层次、优化软件结构，以实现模块功能的独
（a）（b）（c）（d）图7 单电极上测控信号变化波形(a) (b) (c) (d)图8 流速逐渐增大时对应的测量结果变化趋势立性，执行的高效性。总之，设计的程序应该达到可读、可理解、可维护、有效、可修改[13]。切除初始零点后，记录的测量结果如图11所示。
   九、结束语
   本文主要讨论了恒磁式电磁流量计设计中，极化电压的设计与实现方法。各项实验结果都证明了采用这种极化电压励磁的电磁流量计基本符合设计要求，恒磁式电磁流量计的研究将为电磁流量计开拓新的研究空间，有助于实现该技术的实际应用。
   参考文献：[1]李斌，曹金亮，詹鹏飞. 电磁流量计信号转换器的校验器[P].中国申请号：.8 [2]李斌，曹金亮，詹鹏飞. 双激励电磁流量计[P].中国申请号：.3 [3]李斌，沈天飞.恒磁式电磁流量计信号处理方法及系统[P].中国申请号：.3 [4]蔡武昌，马中元，瞿国芳，王松良.电磁流量计[M].北京：中国石化出版社，2004.3.--扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：