腐蝕性汙水流量計勵磁（cí）係統（tǒng）研製的實驗與測試

摘要：為了提高方波勵磁頻率，以便在漿液測量中克（kè）服漿液噪聲的影響，提出基於能量回饋和電流旁路的腐蝕性（xìng）汙水流量計高低壓（yā）勵磁控製方案。通過采（cǎi）用高低壓切換（huàn）的方式，加快方波勵磁過程中勵磁電流的恒流控製響應速（sù）度；引入電（diàn）流旁路電路，實現勵磁電流的響應超調；采用能（néng）量回饋電路降低電路能耗。經實驗驗證，該勵磁係統能夠顯著加快勵磁電流的（de）響應速度，恒流控製響應速度提升400%，勵磁（cí）電路工作穩定可靠，勵磁恒流控製精度高，係統的能量回饋電路效率達78.2%。

1. 引言

目前，腐蝕（shí）性汙水流量計大多采（cǎi）用低頻矩形（xíng）波勵磁方式，以使傳感器（qì）輸出信（xìn）號獲得較長時間（jiān）的平穩段，保證其（qí）測量精度。當測量漿液流（liú）量時，由於漿液中（zhōng）的固體顆粒劃過電*表麵，導致傳感器輸出信號跳變，該跳變即為（wéi）漿液噪聲。研究發現，漿液噪聲的特性滿足1/f分布（bù）。所以，為了減小漿液噪聲（shēng）對輸出信號的影響，要求提高勵磁頻率（lǜ）。然而，由於腐蝕性汙水流量計（jì）的勵磁線圈為感性（xìng）負載，提（tí）高勵磁頻率將會造成勵磁電流在半勵磁周期內的（de）穩定段變短，不利於流量的測（cè）量。特別是當勵磁線圈的電感（gǎn）值較大時，若提高勵磁頻率，就有可能使勵磁（cí）電（diàn）流無法進入穩（wěn）態，從而無法進（jìn）行流量的測量。國外（wài）大多采用（yòng）PWM反饋控製或（huò）在H橋低端設置恒流晶體管來進（jìn）行恒流控製。前一種方法的電流（liú）響應速度較慢，且電流紋（wén）波（bō）較嚴重；後一種方法由於恒流控製電路（lù）會造成H橋低端電壓波動（dòng）較大，不利於H橋（qiáo）的（de）開關控製。國內生產企業大多采用國（guó）外較為落後勵磁技術，勵（lì）磁（cí）電流在51ms左右才進入（rù）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（fāng）法的相關改進研究，文獻提出了基於線性電源的勵磁控製方案，文獻提出了基於高低壓電源切換的勵磁控（kòng）製方案。基於線（xiàn）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的傳感器的（de）高頻勵磁。高低壓電源切換勵磁控製方案（àn）則由於采用更高壓電源加速電流響應速（sù）度，能在一定程度（dù）上提高勵磁頻率。但（dàn）是，文獻披露的高低壓電源切換的勵磁控製方案（àn），對於勵（lì）磁線圈電感值較大的傳感器，勵磁電流（liú）響應速度難以進一步提高，從而限（xiàn）製了勵磁頻率進一（yī）步提高的可能。並（bìng）且勵磁方向切換（huàn）時，勵磁線圈中（zhōng）儲存的（de）電能全部由泄放電路消耗掉，能量利用率低，造成能量浪費和電路溫升。特別是勵磁線圈電感（gǎn）值較大時，電路能耗更大，不利於電路長期穩定工作。
為此，針對高低壓勵磁方式，提出具有能量回饋和（hé）電流旁路的（de）高低（dī）壓勵磁控製方案。為了加快勵（lì）磁電流的響應速（sù）度，采用旁路勵（lì）磁電路與恒流控製電路相結合的勵磁方式，進一步（bù）改（gǎi）善高壓（yā）段勵磁效果，加速勵磁電流進入穩態（tài）；為了提高能量利用率，減小（xiǎo）係統發熱，引入能量回饋電（diàn）路。

1. 實驗與測試

勵磁係統（tǒng）研製完成後，對（duì）其性（xìng）能進行測試（shì）：1)對於高頻勵磁，要求（qiú）勵磁電流進（jìn）入穩態所需時間短、響應速度快，考察勵磁電流進入穩態的響應（yīng）時（shí）間。2)對（duì）於能量回饋（kuì）電路（lù），主要測試其對線圈中能量的（de）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（cí）效果的改善，則對比采用旁路電路勵磁前後，勵磁電流進入穩態的響應時間。4)為了考察恒流控製電路輸出的勵磁電流在一段時間內的波動情況，進行了勵磁電（diàn）流長期穩定性測試。由於在實際測量時，流過傳感器的被測流體（tǐ）的（de）流速，與勵磁電（diàn）流（liú）流過勵磁線圈建立的（de）磁場場強度成正比，為了使傳感器獲得平穩（wěn）的信號輸出，要求勵磁線圈中（zhōng）的勵磁電流在進（jìn）入穩態後波動值較小（xiǎo）。
2.1 勵磁電流響應時間性能測試
將1台50mm口徑的腐蝕性（xìng）汙水流量計一次（cì）儀表安裝在水流量標（biāo）定（dìng）裝置上進行方波勵磁實驗。該一次儀表（biǎo）勵磁線圈的直（zhí）流電阻為45Ω，電感值約為1.14H。實驗中，采用DPO4054B示波器對勵磁係統的勵磁電流（liú）信（xìn）號進行監測。
*先，采用某公司生產（chǎn）的（de）二次儀（yí）表匹配一次儀表進行勵磁。該二（èr）次儀表采用在H橋低端設置恒（héng）流晶體管進行（háng）恒流控製（zhì）的方法，其勵磁曲線結果如圖6所示，勵磁頻率為3.125Hz，勵磁方式為三值波勵磁，勵磁電流大約（yuē）在51.16ms左右進入穩態，勵磁電（diàn）流穩態段波動較大。
其次，采用本文研製的二次儀表匹配（pèi）一次儀表進行勵磁。勵（lì）磁電流穩（wěn）態值設（shè）定為178mA，遲滯比較電路的閾值（zhí）上限設定為205mA，閾值（zhí）下限設定為165mA。方波勵磁頻率設為12.5Hz，低壓勵磁電源設定為17V。示波（bō）器采集繪（huì）製得（dé）到的（de）勵磁結果曲線如圖7所示。其中圖(a)為勵磁電流（liú）曲線；圖(b)為恒流控製電（diàn）路中，恒（héng）流源的輸入輸出端電壓幅值曲線（xiàn）；圖(c)為單路勵磁時序控製信號。從曲（qǔ）線(b)可以看到，在勵磁係統切換（huàn）至（zhì）低壓供電時，由於三端穩壓芯（xīn）片的負（fù）載感抗較大，其輸出調節（jiē）需經曆過渡過程，待輸入輸出壓差穩定後，勵（lì）磁電流隨後進入穩態，進入（rù）穩態所需時間約為13ms。

經過對比上述實驗結果可知，相對於某公司采用的在H橋低端設置恒流晶體管進行恒流控製的方法，本文（wén）研製的勵磁係統，勵磁電流響應速度提升4倍（bèi），從而保證勵磁電流在勵磁周期內（nèi）具有（yǒu）較長的穩定段，並保證（zhèng）傳感器輸出信號的零點穩定性。綜上，本係統可以顯著提高勵磁頻（pín）率。


2.2 能量回（huí）饋效率性能測試
由圖7曲線結合圖2可知，在勵磁方向切換後，檢流電路檢測到的圖7(a)中的勵磁電流瞬間為負，此時勵磁線圈處於電（diàn）能泄放狀態並向（xiàng）能量反饋電路中的儲能電容充電。由於儲（chǔ）能電容充電，高（gāo）、低壓切換電路的輸（shū）出電壓從80V逐漸升（shēng）高；待勵磁線圈能量（liàng）泄放完即勵（lì）磁電流為零時（shí），儲能電容（róng）兩端電壓達到*高86V並開始放電（diàn），勵磁電流開始上升（shēng）；儲能（néng）電容電（diàn）壓降低至80V時（shí），高低壓切換電路趨於（yú）80V的穩定輸出狀態，此（cǐ）時勵磁電（diàn）流繼續（xù）上升；待勵磁電流上升（shēng）至設定（dìng）的超（chāo）調量205 mA後，遲滯比較電路控製高低壓切換電路切換至17V低壓源作為勵磁工作電源，恒流電路在17V低壓源輸入下進行恒流控（kòng）製輸出。
根據測得的勵（lì）磁電流和儲能電容的電壓信號，參考電感和電容的能量（liàng）計算公（gōng）式，可計算得到勵磁方向切換時勵（lì）磁線（xiàn）圈泄（xiè）放的能量約為0.01972J，儲（chǔ）能電容儲存和回饋的能量（liàng）約為0.01542J，能量回饋效率達到（dào）78.2%，相較（jiào）於（yú）現有技術中勵磁線圈（quān）中能量直接由能（néng）量泄放（fàng）回路消耗掉（diào）而（ér）言，大幅提高了能量的利用效（xiào）率，並能避免電路溫升，從而保證係統可靠工作。
2.3 旁路電路性能測試實驗
為比較電流旁路電路對勵磁（cí）恒流控製的影響，將遲滯（zhì）比較電路對電流旁路電路的控製斷開，即電流（liú）旁路（lù）電路始終處於斷開狀態。另外為保證勵磁電流達到穩態後高低壓切換電路能正常切換至低（dī）壓，遲滯比較電路的滯環閾值上（shàng）限設置為172mA，低於勵磁電流穩（wěn）態設定值；閾值下（xià）限為112mA。針對（duì）50mm口徑（jìng）的腐蝕性（xìng）汙水流量計一次儀表，采用25Hz方波勵磁的結果曲線如圖8所示（shì）。將圖7所示實驗結果曲線進行（háng）局部放大如圖9所示。由圖8可知，在勵磁電流上（shàng）升至（zhì）遲滯比較電路滯環閾值上限後，高低（dī）壓切換電路立刻（kè）切換低壓源（yuán），作為勵磁工作電（diàn）源給恒流控製電路。在輸（shū）入掉壓瞬間，由於恒流控製電路中的三（sān）端線性穩壓器自身的（de）工作特性，導致（zhì）輸出電流也出現瞬間波動。*後，恒流控（kòng）製電路在低壓（yā）源供電（diàn）的情況下，控製輸出勵磁電流增大至穩態設定值。

實驗結果（guǒ）表明，高壓源（yuán）向低壓源切換後，三端穩壓器的工作（zuò）特性致使的電流波動（dòng）和低壓源供電情況下的恒流控製（zhì），會大幅延長勵磁電流的穩態響應時間。圖8所示勵磁電流約在17ms左（zuǒ）右（yòu）進入穩態，圖9所示勵磁電流的穩態響應時間約為12ms。這（zhè）表明，在采用三端（duān）穩壓器搭建恒流控製電（diàn）路的情況下，電流旁路電（diàn）路能有效克（kè）服三端穩壓器工作特性（xìng）的影響，並能方便的實現電（diàn）流超調，加快勵磁電流的響應速度。


2.4 勵磁（cí）電流長期（qī）運行穩定性測試
為了評（píng）測所研製（zhì）勵磁係統長期運行穩定性和電流精度，本文進行了長時間（jiān）運行測（cè）試實驗，實驗時間為72h。實驗中仍采用（yòng）50mm口徑的腐蝕性（xìng）汙水流量計一次（cì）儀表，勵磁電流設（shè）為178mA，勵磁（cí）頻率設為12.5Hz。實驗時，勵磁電流幅值通過腐（fǔ）蝕性汙水流量計二次儀表的信號調（diào）理采集模塊，轉換成數字信號送給DSP。DSP每隔18s將（jiāng）一（yī）個勵磁電流平（píng）穩段的采樣點數據保存至外擴的64kW的SARAM中。72h的勵磁電流采集結果如圖10所示。

由圖可知，勵磁係統在上電工作後需要大約2,h進行預熱（rè），隨後勵磁（cí）電（diàn）流進入穩態（tài），係統（tǒng）工（gōng）作穩（wěn）定。不考慮係統預熱過程，由采集得到的（de）勵磁電流數據計算可得勵磁電流在72h內的波動率約為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（yīng）用效果（guǒ），進行了水流量標定實驗。分別針對50mm口（kǒu）徑與100mm口徑的傳感器進行標定。係（xì）統勵磁方式（shì）采用方波勵磁，勵磁頻率（lǜ）為12.5Hz，管道*大（dà）流速為（wéi）7m/s左右，*小流速為0.3 m/s左右（yòu），標定結果如表1所示（shì）。

由標定結果可知，所研（yán）製的腐蝕性汙水流量計係統針對50mm口徑的水流（liú）量標定示值誤差小於0.41%，重複性誤差小於0.11%。針對100mm口徑的水流量標定示值誤差小於0.21%，重複性誤差小於0.12%。據此可知（zhī），所研製的腐蝕性（xìng）汙水流量計係統針對50mm與100mm口徑的水（shuǐ）流量標定（dìng）精度均優於0.5級。

1. 結論

1. 由能量回饋效率性能（néng）測（cè）試實驗可知，采用能量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（guó）內普遍通過轉化為熱量（liàng）進行消耗的方法而言，能夠提高係統78.2%的（de）能量利用效率，降低（dī）電路能量耗（hào）散，保證電路長期可靠工作。
2. 由勵磁電流響應時間性能測試以及旁（páng）路電路性能（néng）測試實驗可知，相較於PWM反饋控（kòng）製的方法或是在H橋低端設置恒流晶體管進行恒流控製的方法，采用電流旁路（lù）電路的高低壓（yā）勵磁方式能夠使得（dé）勵磁電流產生響應（yīng）超（chāo）調，加快恒流控製的響應速度，使得勵磁電流響應時間（jiān）從51ms縮短到12ms，恒流控製響應速度（dù）提升（shēng）至（zhì）400%，從而有利於進（jìn）一步提高腐蝕性汙水流量計的勵磁頻率，減小漿液測量中的漿液幹擾（rǎo）。
3. 由勵（lì）磁電（diàn）流長期運行穩定性測試實驗可知，較（jiào）於采用PWM反饋控製方法，勵磁電流（liú）穩（wěn）態段紋波嚴重，研製的勵磁係（xì）統72h內勵磁電流（liú）波動率為0.0156%，從而表明長時間運行下，本係統能夠穩定可靠工作且勵磁電流波（bō）動率較小。

4)由水流量標定（dìng）實驗可知，針對50mm與（yǔ）100mm口徑傳感（gǎn）器，標定示值誤差小於（yú）0.41%，重複性誤差小於0.11%，表明研製的勵磁係統能夠為腐蝕性汙水流量計的高精度（dù）測量提供保證。

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