化（huà）工汙水流量（liàng）計勵磁係統研製的實驗與測試

摘要：為了提高（gāo）方波勵磁頻率，以便在漿液測（cè）量中克服漿（jiāng）液噪（zào）聲的影響，提出基於能量回饋和電流旁路的化工汙（wū）水流量計高低壓（yā）勵磁控製（zhì）方案。通過采用高（gāo）低壓切換的方式，加快方波勵磁（cí）過程中（zhōng）勵磁電流的恒流控製響應速度；引入電流旁路電路（lù），實現勵磁電流的響應超調；采用能量回饋電路降低電（diàn）路能耗。經實驗驗證，該勵磁係（xì）統能夠（gòu）顯著加快勵（lì）磁電流的響應速度，恒流控製響應速度提升（shēng）400%，勵磁電路工作（zuò）穩定可靠，勵磁恒流控製（zhì）精度高（gāo），係統的能量回饋電路效（xiào）率達78.2%。
1、引言
目前，化工汙水流量計大（dà）多采用低頻矩形波勵磁方式（shì），以使（shǐ）傳感器輸出信號獲得較長時間的平穩段，保證其（qí）測量精度。當測量漿液流量時，由於漿液中的（de）固體顆（kē）粒劃過電*表麵，導致傳感器輸（shū）出信號跳變，該跳變即為漿液噪（zào）聲（shēng）。研究發（fā）現，漿液噪聲的特性滿足1/f分布（bù）。所以，為了減小（xiǎo）漿液噪聲對輸出信號的影響，要求提高勵（lì）磁頻率（lǜ）。然而，由於化工汙水流（liú）量計的勵磁線圈為感性負（fù）載，提高勵磁頻率將會（huì）造成勵磁電流在半（bàn）勵磁周期內的穩定段變短，不利於流量的測量。特別是當勵磁線圈的電感值較大時，若提高勵磁頻率，就有可能使（shǐ）勵（lì）磁電流無法進入穩態，從而無（wú）法進行流量的測量（liàng）。國外大多采用PWM反饋（kuì）控製或在H橋低端設置恒流晶體管來進行（háng）恒流控（kòng）製。前一種方法的電流響應速度較慢，且電流紋波較嚴重（chóng）；後一種方法由於恒流控製電路會造（zào）成H橋低端電壓波動較大，不利（lì）於H橋的開關控製。國內生產企業大多采用國外較為落後勵磁技術，勵磁電流在51ms左右才進入穩態，因此勵磁頻率難以提高，頻率多為2.5～5Hz。為此，國內也進行了勵磁方法的相關改進（jìn）研究，文獻提出了基於線性電源（yuán）的勵磁控製方案，文獻提出了基於高低壓電源切換的勵磁控（kòng）製方案。基（jī）於線性電源的勵磁控製方案僅適用於勵磁線圈電感值相對較小（xiǎo）的傳感（gǎn）器的高頻勵（lì）磁。高低壓電源切換勵（lì）磁控製方案（àn）則由於采用更高壓電源加速電流響應速度，能在一定程度上提高勵磁頻率。但是，文獻披露的高低壓電（diàn）源切換的勵磁控製方案，對於勵磁線圈電感值較大的傳感器，勵磁電流響（xiǎng）應速度難以進一步提高，從而限製了勵磁頻率（lǜ）進（jìn）一步提（tí）高的可能。並且勵磁（cí）方向切換時，勵磁線圈中儲存的電能全（quán）部由（yóu）泄放電路消耗（hào）掉，能量利用率低，造（zào）成能量浪費（fèi）和電（diàn）路溫升。特別是（shì）勵磁線圈電感值較大時，電路能耗更大，不利於電路長期穩定工作。
為此，針對高低（dī）壓勵磁方式（shì），提出（chū）具有能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控製方案。為了加快勵磁電流的響應速度，采用旁路勵磁電路與恒流控製電路相（xiàng）結合的（de）勵磁方式，進一步改（gǎi）善高壓段勵磁效果（guǒ），加速勵（lì）磁電流進入穩態；為了（le）提高（gāo）能量（liàng）利用率，減小係（xì）統發熱，引入（rù）能（néng）量回（huí）饋電（diàn）路。
2、實驗與（yǔ）測試
勵磁係統研製完成後，對其性能進行測（cè）試：1)對於（yú）高頻勵（lì）磁，要求勵磁電流進入穩態所需時間短、響應（yīng）速度（dù）快（kuài），考察勵磁電流進（jìn）入穩（wěn）態的（de）響應時（shí）間。2)對於能（néng）量回饋電（diàn）路，主要測（cè）試其對線圈中能量的吸收與回饋的效率。3)為了說明旁路電路對勵磁電路的勵磁效果的改善，則對比采（cǎi）用旁路電路勵磁前後，勵磁電流進入穩態的（de）響應時間。4)為了考（kǎo）察恒流控製電路輸出的勵磁電流在一（yī）段時間內的波動情況，進行了勵磁電流長期穩定性測試。由於在實際測（cè）量時（shí），流過傳感器的被測流體的流速，與勵磁電流流過勵磁線圈（quān）建立的磁場場強度成正比，為（wéi）了使傳感器（qì）獲得平穩的（de）信號輸出，要求勵磁線圈中的勵磁電（diàn）流在進入（rù）穩態後波動值較小。
2.1 勵磁（cí）電流響應時間性能測試
將1台50mm口徑的化工汙水流量計一次儀表安裝在水流量標定裝置上進行方波勵磁實驗。該一（yī）次儀表勵磁（cí）線圈的直流電阻為45Ω，電（diàn）感值約為1.14H。實驗中，采用DPO4054B示波器對勵磁係統的勵磁電（diàn）流信號進行監測。
*先，采用某公（gōng）司生產的二次儀表匹配一（yī）次儀表進行勵磁。該二次儀表采用（yòng）在H橋低端設置恒流晶體管進行恒（héng）流控製的方法，其勵磁曲線結果如圖6所示，勵磁頻率為3.125Hz，勵磁方式（shì）為三值波勵磁，勵磁電流大約在51.16ms左右進入穩態，勵（lì）磁（cí）電流穩態段波動（dòng）較大（dà）。
其次，采用（yòng）本文研製的二次儀表匹配一次儀表進（jìn）行勵磁（cí）。勵磁電（diàn）流穩（wěn）態值設定為178mA，遲滯（zhì）比較電路的閾值上限設定為205mA，閾值（zhí）下限設定為165mA。方波勵磁頻率設為（wéi）12.5Hz，低壓勵磁電源設定為17V。示波器采集繪製得到的勵磁結果曲線如圖7所示。其中（zhōng）圖(a)為勵磁電流曲線；圖(b)為恒流控製電路中，恒（héng）流源的輸入輸出端電壓幅值曲線；圖(c)為單路勵（lì）磁（cí）時序控製信號（hào）。從（cóng）曲線(b)可以看到，在勵磁係統切換至低（dī）壓供電時（shí），由於三端穩壓芯片的負載感抗較大，其（qí）輸出調節需經曆過渡過程，待輸入輸出壓差穩定後，勵磁（cí）電流（liú）隨後進入穩態，進入（rù）穩態所需時間約為13ms。

經過對比上述實驗結果可知，相對於（yú）某公司采用的在H橋低端（duān）設置恒流晶（jīng）體管（guǎn）進行恒流控製的方法，本文研製的勵（lì）磁係統，勵磁電流響應速（sù）度提升4倍，從而保證勵磁電流在勵磁周期內（nèi）具有較長的穩定段，並保證（zhèng）傳感器輸出信（xìn）號（hào）的零點穩定性。綜上，本係統可以顯著提高勵磁頻率。


2.2 能量回饋（kuì）效率性能測（cè）試
由圖7曲線結合圖2可知（zhī），在勵磁方向切換後（hòu），檢流電路檢測（cè）到（dào）的圖7(a)中的勵磁（cí）電流瞬間為負，此時勵磁線圈處於電能泄放狀態並向能量反饋電路中的儲能電容充（chōng）電。由於（yú）儲能電容充電，高、低壓切換電路的輸出電壓從80V逐漸升（shēng）高；待勵磁（cí）線圈（quān）能量泄放完（wán）即勵磁（cí）電流為零時，儲能（néng）電容兩端電壓達到*高86V並開始放電，勵磁電流開始（shǐ）上升（shēng）；儲能電容電（diàn）壓降低至80V時，高低壓切換電路趨於80V的穩定輸出狀態，此時（shí）勵磁電流繼續上（shàng）升；待勵磁電（diàn）流上升至設定的超（chāo）調量205 mA後，遲滯（zhì）比較電路控製高低壓切換（huàn）電（diàn）路切換至17V低壓源作為勵磁（cí）工作（zuò）電源，恒流電路（lù）在17V低壓（yā）源輸入（rù）下進行（háng）恒流控製輸出。
根據測得的勵磁電流和儲（chǔ）能電容的電壓信號，參考電感和電容的能量計算公式，可（kě）計（jì）算得到勵磁方向切換時勵磁線圈（quān）泄放（fàng）的能量約為0.01972J，儲能電容儲存和回（huí）饋的能量約為0.01542J，能量回饋（kuì）效率達到（dào）78.2%，相較於現有技術中勵磁線圈（quān）中能量直接由能量泄放回路消耗掉（diào）而言，大幅提高了能量的利用效率，並（bìng）能避免（miǎn）電（diàn）路溫升，從而保證係統（tǒng）可靠工作。
2.3 旁路電路性能（néng）測試實驗
為比較電流旁路電路對勵磁恒流控（kòng）製的影響（xiǎng），將遲滯比較電路對電流旁（páng）路電路的控製斷開，即電流旁路電路（lù）始終（zhōng）處於斷（duàn）開（kāi）狀態。另（lìng）外（wài）為保證勵磁電流達到穩態後高低壓（yā）切換電路能正常切換至低壓，遲滯比較電路的滯環閾值（zhí）上限設置為（wéi）172mA，低於勵磁電流穩態（tài）設定值；閾值下限為112mA。針對50mm口徑的化工汙水流量計一次（cì）儀表，采用25Hz方波勵磁的結果曲線（xiàn）如圖8所示。將圖7所示（shì）實驗結果曲線進行（háng）局部放大如圖9所示。由圖8可知，在勵磁電流（liú）上升至遲滯比較電路滯環閾值上（shàng）限後，高低壓切換電路立刻（kè）切換低壓源，作為（wéi）勵（lì）磁（cí）工作電源給恒流控製電路。在（zài）輸入掉壓瞬間，由於恒流控製電路中的三（sān）端線性穩（wěn）壓器自身的工作特性，導致輸出電流也出（chū）現（xiàn）瞬間波動。*後，恒流控製電路在低壓源供電的情況下，控製輸出勵磁電流增大至穩態設定（dìng）值。

實驗結（jié）果表明，高壓源向低壓源（yuán）切換後，三（sān）端穩壓器（qì）的工作特性致（zhì）使的電流波動和低壓源供電情況下（xià）的恒流控製，會大幅延長勵磁電（diàn）流的（de）穩態響應時間。圖8所示勵磁電流約在17ms左右進入穩態，圖9所（suǒ）示勵磁電流的（de）穩態（tài）響應時間約為12ms。這表明，在采用三端穩壓器搭建恒流控製（zhì）電路的情況下，電流旁路電路（lù）能有效克服三端（duān）穩壓器（qì）工作（zuò）特（tè）性的影響，並（bìng）能方便的實現電流超調，加快（kuài）勵磁電流的（de）響應速度。


2.4 勵磁電流長期運（yùn）行（háng）穩定性測試
為了評測所研製勵磁係統長期運行穩定性和（hé）電流精度，本文進行了（le）長時間運行測試實驗（yàn），實驗（yàn）時間為72h。實驗（yàn）中仍采用50mm口徑的（de）化工汙（wū）水流量計（jì）一次儀表，勵磁（cí）電流設為178mA，勵磁頻率設（shè）為12.5Hz。實驗時，勵磁電流幅值（zhí）通過（guò）化工汙水流量計二次儀表的信號調理采集模塊，轉換成數字信號送給DSP。DSP每隔18s將一個勵磁電流平穩段的采樣點數據保存至（zhì）外擴的64kW的（de）SARAM中。72h的勵磁電流采（cǎi）集（jí）結果如（rú）圖10所示。

由圖可知，勵磁係統在上電工作後需要大（dà）約2,h進行預熱，隨後勵磁電流進入（rù）穩態，係統工作穩定。不考慮係統預熱過程，由采集得到（dào）的勵磁（cí）電流數據計算可得勵磁電（diàn）流在（zài）72h內的波動率（lǜ）約為0.0156%，從而表明該勵磁係統在長時間運行下能夠可靠穩定工作。
2.5 水流量標定實驗
為了評測係統的實際應用效果，進行（háng）了水流量標定實驗。分別針（zhēn）對50mm口徑與100mm口徑的傳感器進行標定。係統勵磁方式采用（yòng）方波勵磁，勵磁頻率為12.5Hz，管道（dào）*大流速為7m/s左右，*小流速為0.3 m/s左右，標定結果如表1所示。

由標定結果可知，所研製的化工汙（wū）水流量計（jì）係（xì）統（tǒng）針對50mm口徑的水流量標定示值（zhí）誤差小於0.41%，重複（fù）性誤差小於0.11%。針對100mm口徑的水流量標定示值（zhí）誤差小於0.21%，重複性誤差小於0.12%。據此可知，所（suǒ）研（yán）製的化工汙水流量計係統針對50mm與100mm口徑的水流量標定精度均優於0.5級。
3、結論
1) 由（yóu）能量回饋效率性能測試實驗可知，采用能量（liàng）回饋電路對勵磁方向切換後，線圈中剩餘的能（néng）量進行存儲並利用，該方法較於國內普遍通（tōng）過轉化為熱量進行消耗的方（fāng）法而言，能夠提高係統78.2%的能（néng）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（yóu）勵磁（cí）電流響應時間性能測試（shì）以（yǐ）及旁路電路（lù）性能測試實驗可知，相較於PWM反饋控製的方法或是在（zài）H橋低端設（shè）置恒流晶（jīng）體管進行恒流控製的方法，采（cǎi）用電流旁（páng）路電路的高低壓勵磁方式能夠使得勵磁電流產生響應超調，加快恒流控製的響應（yīng）速（sù）度，使得勵磁電流響應時間從51ms縮短到12ms，恒流控製響應速度提升至400%，從（cóng）而有利於進一步提高化工汙水流量計的（de）勵磁頻率，減小漿液（yè）測量中的漿（jiāng）液幹（gàn）擾。
3) 由勵（lì）磁電流長期運行穩定性測試實驗可知，較於采用（yòng）PWM反（fǎn）饋控製方法，勵磁電流穩態段紋波嚴重，研製的勵磁係統72h內勵磁電流波動率（lǜ）為0.0156%，從（cóng）而（ér）表明長時間運行下，本係統能夠穩（wěn）定可靠工作且勵磁電流波動（dòng）率較小（xiǎo）。
4)由水流量標定實驗可知，針對（duì）50mm與100mm口徑傳感（gǎn）器（qì），標定示值（zhí）誤差小於0.41%，重複性誤差小於（yú）0.11%，表明研製的勵磁係統能（néng）夠為化工（gōng）汙水流量計的高精度測量提供保證。

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