海（hǎi）水流量計的勵磁係統（tǒng）研製的實驗與測試

摘要：為了提（tí）高（gāo）方波勵磁頻率，以便（biàn）在漿（jiāng）液測量中克服漿液噪聲的影響，提出基於能量（liàng）回饋和電流旁路的海水流量計高低壓勵磁控製方案。通過采用高低壓切換的方式，加快方波勵磁（cí）過程中勵磁電流的恒流控製響應速（sù）度；引入電流（liú）旁路電路，實現勵磁電流的響應超調；采用（yòng）能量回饋電路降低電路能耗。經（jīng）實驗驗證，該勵磁係統能夠顯著加快勵磁電流的響應速度，恒流控製響應速度提升（shēng）400%，勵磁電路工作穩定可靠，勵磁恒流控製精度高，係統（tǒng）的能量回饋電路效率達78.2%。
1、引言
目前，海水流量計大多采用低頻矩形（xíng）波勵磁方式，以使傳感器輸出（chū）信號獲得較長時間的平穩段，保（bǎo）證其測量精度。當測量漿液流（liú）量時，由於漿液（yè）中的固體顆粒劃過電*表麵，導致傳感器輸出信號跳變，該跳（tiào）變即為漿液噪聲。研（yán）究發現，漿液噪聲的特性（xìng）滿足1/f分布（bù）。所以，為了減小漿液噪聲對輸出信號的影響，要求提高勵磁頻率。然而，由（yóu）於海水流量計（jì）的勵磁線圈為感性負載，提高勵磁頻率將會造成（chéng）勵磁電（diàn）流在半勵磁周期內的穩定段變短，不利於（yú）流量（liàng）的測量。特別是當勵磁線圈的電感值較大時，若（ruò）提高勵磁頻率（lǜ），就有可能使勵磁（cí）電流（liú）無（wú）法（fǎ）進入穩態（tài），從（cóng）而（ér）無（wú）法進行流（liú）量的測量。國外大多采用PWM反饋控製或在H橋低端設置恒流晶體管來進行恒流控製。前一種方法的電流響應（yīng）速度較慢，且（qiě）電流（liú）紋波較嚴重（chóng）；後一種方法由於恒流控（kòng）製電路會造成H橋低端（duān）電壓波動（dòng）較大，不利於H橋的開關控（kòng）製。國內生產企（qǐ）業大多采用國外較為落後勵磁（cí）技術，勵磁電流（liú）在51ms左右才進入穩態，因此勵（lì）磁頻率難（nán）以提高，頻率多為2.5～5Hz。為此，國（guó）內也進行了勵（lì）磁方法的相（xiàng）關（guān）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（chū）了基（jī）於高低壓電源切換的勵磁控製（zhì）方（fāng）案。基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（de）傳感器的高頻勵磁（cí）。高低壓電源切換（huàn）勵磁控製（zhì）方案則由於采用（yòng）更高壓電源加（jiā）速電流響應速度，能在一定程度上提高勵（lì）磁頻率。但是，文獻披露（lù）的高低壓電源切換的勵磁控製方案，對（duì）於勵磁線圈電感值較大的傳感器，勵磁電流響應速度難以進一步提高，從而限製了勵磁頻率進一步提高的（de）可能。並且勵磁方向切換時，勵磁線圈中儲存的電能（néng）全部由（yóu）泄放電路（lù）消（xiāo）耗掉，能（néng）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值較大（dà）時，電路能耗更大，不利於（yú）電路長期穩定工作。
為此，針對高低壓勵磁（cí）方式，提出具有（yǒu）能量回（huí）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結合的勵磁方式，進一（yī）步改善高壓段勵磁效果，加（jiā）速勵磁電流進入穩態（tài）；為了提高能量利用率，減小係統發熱，引入能量回饋電（diàn）路。
2、實驗與測試
勵磁（cí）係統研製完成後，對其（qí）性能進行測試：1)對於高頻勵磁，要求勵磁電流進入穩（wěn）態（tài）所需時間（jiān）短、響應速度快（kuài），考察勵（lì）磁電流進入穩態的（de）響應時間。2)對於能量回饋電路（lù），主要測試其（qí）對線圈中能量的吸收（shōu）與回饋（kuì）的效率。3)為了說明旁路電路（lù）對勵磁電路的勵磁效果的改善（shàn），則對比采用旁路電路（lù）勵磁前後，勵（lì）磁電流進入穩態的響（xiǎng）應時間。4)為了考察恒流控製電路輸出的勵磁電流（liú）在一（yī）段時（shí）間內的波動情況，進行（háng）了勵磁電流長期穩定性測試。由於（yú）在（zài）實際測量時，流過傳感器的被測流體的（de）流速，與勵磁電流流過勵磁線圈建立的磁場場強度成正比，為了使傳感器獲得平（píng）穩的信號輸出，要求勵磁線圈中的勵磁電（diàn）流在進入穩態後波動值較小。
2.1 勵磁電流（liú）響應時間性能測試
將1台50mm口徑的海水流量計一次儀表安裝在水流量標（biāo）定裝置上進行方波勵磁實驗。該一次儀表勵磁線圈的直流電阻為45Ω，電感值約（yuē）為1.14H。實驗中，采用DPO4054B示波器對勵磁係統（tǒng）的勵磁（cí）電流信號進行監測。
*先，采（cǎi）用某（mǒu）公（gōng）司生產的二次儀表匹（pǐ）配一次（cì）儀表進行勵（lì）磁。該二次儀表采用在H橋低端設（shè）置恒流晶體管進行恒流控製的方法，其勵磁（cí）曲線結果如圖6所示，勵磁頻率為3.125Hz，勵磁（cí）方式為三值（zhí）波勵磁，勵（lì）磁電流（liú）大約在51.16ms左右進（jìn）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一次儀表（biǎo）進行勵磁。勵磁電（diàn）流穩態值設定為178mA，遲（chí）滯比較電路的閾值上限設定為205mA，閾（yù）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（cí）電流（liú）曲線；圖(b)為恒流（liú）控製（zhì）電路中，恒流源的（de）輸入輸出端（duān）電壓幅值曲線；圖(c)為單路勵（lì）磁時序控製信號。從曲線(b)可以看到，在勵磁係統切換至低壓供電時，由於三端穩壓芯片（piàn）的負載感抗較大，其（qí）輸出調節需（xū）經曆過（guò）渡過程，待輸（shū）入輸出壓差穩定後，勵磁電流隨後進入穩態，進入穩態所需（xū）時間約為13ms。

經（jīng）過對比上述實驗結（jié）果可知（zhī），相對於某公司采（cǎi）用的在H橋低端設置恒流晶體管進行恒流控製的方（fāng）法，本文研製的勵磁係統（tǒng），勵（lì）磁電流響應速度提升4倍，從而（ér）保（bǎo）證（zhèng）勵磁電流（liú）在勵磁周（zhōu）期內具有（yǒu）較長的穩定段，並保證傳感器輸出信號的零點穩定性（xìng）。綜上，本係統可（kě）以（yǐ）顯著提高勵磁頻率。


2.2 能量（liàng）回饋效率性能測試
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能泄放狀態（tài）並（bìng）向能量反饋電路中的儲能電容充電。由於儲能電容（róng）充電，高、低壓切換電路的輸出電壓從80V逐漸升高；待勵（lì）磁線圈能量泄放完即勵磁電流為零時，儲能（néng）電容兩端電（diàn）壓達到*高（gāo）86V並開始放電，勵磁電流開始上升；儲能電容電壓降低（dī）至80V時，高低壓切換電路趨於80V的穩定輸（shū）出狀態（tài），此時勵磁電流繼續上升；待勵磁電流上升至設定的超調量205 mA後，遲滯比較電路（lù）控製高低（dī）壓切換電路切換至17V低壓源作為勵磁工作電源，恒（héng）流電路在17V低壓源輸入下進行恒流控製（zhì）輸出。
根（gēn）據測得的勵磁電流和儲能（néng）電容的電壓信（xìn）號，參考電感和電容的能量計算公式，可計算得到勵磁方向切換時勵磁線圈泄放的能量（liàng）約為0.01972J，儲能電容儲存和回（huí）饋的能量約為0.01542J，能（néng）量（liàng）回饋效率（lǜ）達到78.2%，相較於現有技術中勵磁線圈中能量直接由能量泄放回路消耗掉而言，大幅提高了能量的利用效率，並能避免電路溫升（shēng），從而（ér）保證係統可（kě）靠工作。
2.3 旁（páng）路電路（lù）性能測試實驗
為比較電流旁路電路對勵（lì）磁恒流（liú）控製的影響，將遲滯比（bǐ）較電路對電流旁路電路的控（kòng）製斷開，即（jí）電流旁路電路始終處於斷開狀態。另（lìng）外為保（bǎo）證勵磁電流達到穩態後高低壓切換電路能正常（cháng）切換至低壓，遲滯比較電路的滯環閾值上（shàng）限設置（zhì）為172mA，低於（yú）勵磁電流穩態設定值（zhí）；閾值下限為112mA。針對50mm口徑的（de）海水（shuǐ）流（liú）量計一（yī）次儀表，采用25Hz方波勵磁的結果（guǒ）曲（qǔ）線如圖8所示。將圖7所示實驗結果曲線進行局部放大如圖9所示。由圖8可（kě）知，在勵磁電流上（shàng）升至（zhì）遲滯比較（jiào）電路滯環閾值上限後，高低壓切換（huàn）電路立刻（kè）切換低壓源，作為勵磁工作電源給恒流控製電路。在輸入掉壓瞬（shùn）間，由於恒流控製（zhì）電路中的三端線性穩壓器自（zì）身的工作特性，導致輸出電流也出現瞬間波動。*後，恒流（liú）控製電路在低壓源供電的（de）情況下，控製輸（shū）出（chū）勵磁電流（liú）增大至穩態設定值。

實驗（yàn）結果表（biǎo）明，高壓源向低壓源切換後，三端穩壓器的工作特性致使的電流波動和低壓源供電情況下的恒流控製，會大幅延長勵磁電流的穩態響應時間。圖（tú）8所示勵磁電流約在17ms左右進入穩態（tài），圖（tú）9所示勵磁電流的穩態響應時間約為12ms。這表（biǎo）明，在（zài）采用三端穩（wěn）壓器搭建（jiàn）恒流控製電路的情況下，電流旁路電路能有效克服三端穩壓器工作特（tè）性的（de）影響，並能方便的實現（xiàn）電流超調，加快勵磁電流的響應（yīng）速度。


2.4 勵磁電流長期運（yùn）行穩定（dìng）性測試
為（wéi）了評測所研製勵（lì）磁係統長期運行穩定性和電流精度，本文（wén）進行了長時間運行測試實驗（yàn），實驗時間為72h。實驗中仍采用50mm口徑的海水流量計一次儀表，勵磁電流設為178mA，勵磁（cí）頻率設為12.5Hz。實驗時（shí），勵（lì）磁電流幅值通過海水流量計二次儀表（biǎo）的信號調理采集模塊，轉換（huàn）成數（shù）字信號送給DSP。DSP每隔18s將（jiāng）一個勵磁（cí）電流平穩段的采樣點數據保（bǎo）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（gōng）作後需要大約2,h進行預熱（rè），隨後勵磁電流進入穩態，係統工作穩定。不考慮係統預熱過程，由采集得到的勵磁電流數據計算可（kě）得勵磁電流在72h內的波動率約為0.0156%，從而表明（míng）該勵磁係統在長時間運行（háng）下能夠可靠穩（wěn）定工作。
2.5 水流量標定實驗
為了（le）評測係統的實際應用效果，進行了水流量標定實驗。分別針對50mm口徑與100mm口徑的傳感器進行標定。係統勵磁方式采（cǎi）用方波勵磁，勵磁頻率為12.5Hz，管道*大流速為7m/s左右（yòu），*小流速為0.3 m/s左右，標定結果（guǒ）如表1所示。

由標（biāo）定結果可知，所研製的海水流量計係統針對50mm口（kǒu）徑（jìng）的水流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（shì）值誤差小（xiǎo）於0.21%，重複性（xìng）誤差小於0.12%。據此可（kě）知，所研製的海水流量計係統針對50mm與100mm口徑的水流量標定精度均優於0.5級。
3、結論
1) 由能量回饋效率性能測試（shì）實驗可知，采用能量回饋電路對勵磁方向切換後（hòu），線圈（quān）中剩餘的（de）能量進行存儲（chǔ）並利用，該方法較於（yú）國內普遍通過轉（zhuǎn）化為熱量進行消耗的方（fāng）法而（ér）言，能夠提高（gāo）係統78.2%的能量利用（yòng）效率，降低電路能（néng）量耗散，保證電路長期可靠（kào）工（gōng）作。
2) 由勵磁電流響應時間性能測試以及旁路電路性能測試實驗可知，相較於PWM反饋（kuì）控製的（de）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，采用電流旁路電路的高低（dī）壓勵磁方式能夠使得勵磁（cí）電流產生響應超（chāo）調，加（jiā）快恒流控製的響應速度，使（shǐ）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（zhì）400%，從而有利於進一（yī）步提高海水流量計的勵磁頻率，減（jiǎn）小漿液測量中的漿液幹擾。
3) 由勵磁電流長期運行穩定性測試實驗可知，較於采用PWM反饋控製方法，勵磁電流穩態段紋波嚴重，研製的（de）勵磁係統72h內勵磁電流（liú）波動（dòng）率為0.0156%，從而表明長時間運行下，本（běn）係統（tǒng）能夠穩定可（kě）靠工（gōng）作且勵磁電（diàn）流波動率（lǜ）較小。
4)由水流（liú）量標定實驗可知，針對50mm與100mm口徑傳感器，標定示值誤差小（xiǎo）於（yú）0.41%，重複性誤差小於0.11%，表明研製的勵磁係（xì）統（tǒng）能夠為海水流量計的高精（jīng）度測量提供保證。

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