一種改良的矩形波勵磁式電磁流量計
一種改良的矩形波勵磁式電磁流量計
[ 摘.. 要] 介紹一種改良的矩形波勵磁式電磁流量計, 巧妙地利用勵磁線的線間電壓作為前置處理器的工作電壓, 如此就不需要引進通用電源的連接線路, 可避免外部噪聲的侵入, 能夠高精度檢測微小的流量信號, 提高了測量精度和穩定性, 還降低了制作成本。
[ 關鍵詞] 矩形波; 勵磁式; 勵磁線圈; 勵磁電流; 外部噪聲; 浪涌電壓
1 .. 原來狀況
1..1 .. 類型
交流勵磁式電磁流量計問世, 堪稱代電磁流量計。其本質性的特色是, 既無管內障礙物又無壓力損耗, 可測流量范圍寬, 輸出與流量成比例。因而, 使之一時間在工業計量領域得到廣泛應用。隨后, 矩形波勵磁式電磁流量計登場, 公稱第二代電磁流量計。與前者相比, 顯著提高了零點穩定性, 從而在一定程度上解除了勵磁式電磁流量計的輸出不穩定之憂。
最近, 電磁流量計又引進電子零部件高密實裝技術, 配置微處理器, 使之在小型化、輕量化、多功能化等方面取得不同程度的進展, 各種實用化的新型產品不久便可望問世。
1..2 .. 原理
電磁流量計是一種應用法拉第( Faraday ) 電磁感應定律的流量計。按照弗來明( Fleming) 右手定則, 電動勢發生在液體流動方向與磁場方向成直角的方向。電磁流量計利用設置在測量管內的一對或二對電極來檢測所發生的電動勢, 經運算、放大, 變換成電流信號( 4~ 20mA) 或脈沖并輸出。流量和電動勢的關系可用下式表示:E = D....v ..B ( 1) 式中: E 為電動勢, V; D 為管內徑, m; v 為平均流速, m/ s; B 為磁通密度, T。
1..3 .. 構成
原來的電磁流量計由電磁流量計本體和信號處理裝置二部分構成。其中, 本體部分由設置在被測管外側的一對勵磁線圈產生磁場, 其方向與導電性流體的流動方向成正交, 并通過一對電極檢測出在磁場作用下導電性流體感生的電動勢。信號處理裝置是通過放大器將電極測得的電動勢( 流量信號) 加以放大, 然后再經過適當的信號處理, 就可獲得與導電性流體的流量成正比的信號。
1..4 .. 問題
就原來的這類電磁流量計而言, 因受到外部噪聲的影響, 難以高精度測量由電磁流量計本體輸出的微小信號。雖然可將信號處理裝置盡量靠近電磁流量計本體設置, 即采用所謂的信號線縮短法, 但只不過是在一定程度上減少一點噪聲而已。問題是噪聲的因素很多, 有流體電荷產生的、勵磁電路產生的、信號處理裝置中的元件產生的, 此外還有安裝場所別的裝備產生的, 等等。在許多場合外部噪聲往往是影響電磁流量計測量精度的主要因素。而且, 從電磁流量計的結構上來看, 由電磁流量計本體的一對電極所獲得的流量信號屬于電壓類信號, 盡管導電性流體的電導率不低, 但由于輸出阻抗高, 必然會受到外部噪聲的影響。由此可見, 外部噪聲對電磁流量計的影響問題非同一般, 著力尋求解決噪聲影響問題的有效方法, 刻不容緩。
2 .. 革新改進
2..1 .. 革新
針對上述實情, 著力進行技術革新, 最近開發研制出一種矩形波勵磁式電磁流量計, 能夠有效防止外部噪聲的侵入, 高精度檢測微小的流量信號。革新要點是, 由勵磁電路向勵磁線圈供給恒定電流, 在勵磁線和放大器之間采取直流電壓獲取手段, 利用恒電流變換時產生的勵磁線之間的變化電壓, 可以得到放大器工作所需要的直流電壓。由于勵磁線和放大器之間的直流電壓是利用勵磁線間的變化電壓而獲得放大器工作所需要的直流電源電壓, 因而不需要設置通用電源線路就能夠輕而易舉地獲得直流電源電壓。而且, 因為所利用的是勵磁電流切換時的勵磁線間的變化電壓, 所以非但不會增加流量測量系統的負擔, 相反, 還有助于磁場迅速穩定化。
2..2 .. 結構
革新的智能型電磁流量計的構成如圖1 所示, 由電磁流量計本體和分立的信號處理裝置二部分構成。電磁流量計本體由下列部件構成: ( 1) 被測管, 導電性流體的流通管路; ( 2) 勵磁線圈, 產生的磁場方向與被測管內流通的流體成正交; ( 3) 電極對, 裝在被測管上, 檢測導電性流體受磁場作用而感生的電動勢。信號處理裝置由分立的前置處理器和信號變換器二部分構成。其中, 前置處理器的作用是對由電磁流量計本體輸出的信號加以放大。前置處理器既可和電磁流量計本體形成一個整體, 也可設置在電磁流量計本體的近旁。前置處理器由下列部件構成: ( 1) 放大器, 對由電極測得的流量信號施行阻抗變換并作信號放大; ( 2) 變壓器, 使電容器介于與勵磁線圈連接的勵磁線之間, 并與變壓器初級線圈連接, 利用勵磁線之
間的變化電壓來獲得設定電壓; ( 3) 整流平滑電路, 對變壓器次級線圈輸出的電壓進行整流, 從而獲得放大器工作所需要的直流電源電壓。信號變換器由下列部件構成: ( 1) 信號處理電路, 對放大器的放大輸出再一次進行放大, 并作必要的信號處理, 從而獲得與流量信號成正比的信號; ( 2) 勵磁電路, 產生2 值以上的穩定電流, 通過勵磁線驅動勵磁線圈而產生磁場。
2..3 .. 動作
圖2 所示為智能電磁流量計動作說明圖。如圖2 ( a) 所示, 當由勵磁電路分別輸出設定的正、反向恒流值時, 2 值恒流通過勵磁線而獲得放大器的工作所需要的直流電源電壓, 可以滿足使用要求, 同時驅動電磁流量計本體的勵磁線圈。因此, 如圖2 ( a) 所示, 當勵磁線圈中有勵磁電流流過時, 就會由勵磁線圈產生磁場, 其方向與被測管內的導電性流體成正交。于是被測管內的導電性流體便感生出電動勢。因此, 如圖2 ( b) 和圖2 ( c) 所示, 用一對電極便可測得與流體流量成正比的電動勢( 流量信號) 。由一對電極測得的電動勢經放大器進行放大并作阻抗變換后, 用信號變換器的信號處理電路進行信號放大并作必要的信號處理。這里所說的信號處理實質就是在勵磁電流以及磁通量穩定的狀態下對放大器的輸出進行采樣的一種方法。圖2 ( d) 中, 實線( A) 表示采樣后的信號電平; 虛線( B) 表示信號變換器的輸出電平。之所以要在磁通量穩定的狀態下采集流量信號, 是因為此時信號變換器的輸出信號中不含磁性耦合噪聲、90..相位噪聲及同相噪聲等, 因而能夠獲得高精度的測量信號。可是, 勵磁線的線間電壓由于受勵磁線圈的電感作用, 因而在勵磁電流的極性切換時產生高電壓, 如圖2 ( e) 中( C) 所示。這個高電壓約相當于勵磁電路的電路電壓的二倍, 如圖2 ( e) 中的( D) 所示。并使勵磁線圈持續達到設定的恒流值。然而, 在切換上述勵磁電流的極性時, 勵磁線的線間電壓急劇變化, 此變化電壓直接關系到磁場產生電動勢( 流量信號) , 如前所述, 這是流量測量所不需要的。相反, 如圖2 ( f) 所示, 當勵磁線的線間電壓急劇變化時, 電流通過電容器而流入變壓器的初級線圈。這樣, 經由變壓器的次級線圈而輸出恒定的電壓。該電壓經整流平滑電路整流后可以獲得放大器工作所需要的直流電源電壓, 能夠滿足放大器使用上的要求。信號處理裝置設置靈活, 可分可合, 既可分為前置處理器和信號變換器二部分, 又可將前置處理裝置與電磁流量計本體組合而形成一整體, 還可將前置處理器設置在電磁流量計本體近旁。再者, 只有在勵磁線的線間電壓急劇變化時, 變壓器中才會有電流流通。如圖3 所示, 在對勵磁線的線間電壓進行整流的整流電路的輸出一側, 連接一齊納二極管, 一旦整流電路的整流電壓超過齊納電壓時, 就會導通晶體三極管, 因而也可以采用變壓器中有電流流通的結構形式。晶體三極管可用PNP 型, 也可用NPN 型。整流電路*可以采用其他整流方式。
2..4 .. 效果
實驗結果表明, 改良的智能電磁流量計獲得如下成效: .. 在切換勵磁電流的極性時, 勵磁線圈的勵磁電流保持不變, 無需增大勵磁電路的容量; .. 在變換極性時, 由電容器、變壓器、整流平滑電路吸收浪涌電壓, 使勵磁電流趨于穩定化; .. 利用勵磁線的線間電壓作為前置處理器的工作電壓, 無需引進通用電源, 能有效防止外部噪聲侵入高阻抗部分; ..由于能防止外部噪聲侵入, 因而便可實現高精度檢測微小的流量信號; .. 由于省掉前置處理器的通用電源輸送線路, 因而結構簡化, 還可降低制作成本。
[ 參考文獻]
[ 1] 安敏, 施錫昌.. 電磁流量變送器[ J] . 國外傳感技術, 1995, 4 ( 3) : 58 .. 62..--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：
