一种改良的矩形波励磁式电磁流量计一种改良的矩形波励磁式电磁流量计
[ 摘.. 要] 介绍一种改良的矩形波励磁式电磁流量计, 巧妙地利用励磁线的线间电压作为前置处理器的工作电压, 如此就不需要引进通用电源的连接线路, 可避免外部噪声的侵入, 能够高精度检测微小的流量信号, 提高了测量精度和稳定性, 还降低了制作成本。
[ 关键词] 矩形波; 励磁式; 励磁线圈; 励磁电流; 外部噪声; 浪涌电压
1 .. 原来状况
1..1 .. 类型
交流励磁式电磁流量计问世, 堪称代电磁流量计。其本质性的特色是, 既无管内障碍物又无压力损耗, 可测流量范围宽, 输出与流量成比例。因而, 使之一时间在工业计量领域得到广泛应用。随后, 矩形波励磁式电磁流量计登场, 公称第二代电磁流量计。与前者相比, 显著提高了零点稳定性, 从而在一定程度上解除了励磁式电磁流量计的输出不稳定之忧。
最近, 电磁流量计又引进电子零部件高密实装技术, 配置微处理器, 使之在小型化、轻量化、多功能化等方面取得不同程度的进展, 各种实用化的新型产品不久便可望问世。
1..2 .. 原理
电磁流量计是一种应用法拉第( faraday ) 电磁感应定律的流量计。按照弗来明( fleming) 右手定则, 电动势发生在液体流动方向与磁场方向成直角的方向。电磁流量计利用设置在测量管内的一对或二对电极来检测所发生的电动势, 经运算、放大, 变换成电流信号( 4~ 20ma) 或脉冲并输出。流量和电动势的关系可用下式表示:e = d....v ..b ( 1) 式中: e 为电动势, v; d 为管内径, m; v 为平均流速, m/ s; b 为磁通密度, t。
1..3 .. 构成
原来的电磁流量计由电磁流量计本体和信号处理装置二部分构成。其中, 本体部分由设置在被测管外侧的一对励磁线圈产生磁场, 其方向与导电性流体的流动方向成正交, 并通过一对电极检测出在磁场作用下导电性流体感生的电动势。信号处理装置是通过放大器将电极测得的电动势( 流量信号) 加以放大, 然后再经过适当的信号处理, 就可获得与导电性流体的流量成正比的信号。
1..4 .. 问题
就原来的这类电磁流量计而言, 因受到外部噪声的影响, 难以高精度测量由电磁流量计本体输出的微小信号。虽然可将信号处理装置尽量靠近电磁流量计本体设置, 即采用所谓的信号线缩短法, 但只不过是在一定程度上减少一点噪声而已。问题是噪声的因素很多, 有流体电荷产生的、励磁电路产生的、信号处理装置中的元件产生的, 此外还有安装场所别的装备产生的, 等等。在许多场合外部噪声往往是影响电磁流量计测量精度的主要因素。而且, 从电磁流量计的结构上来看, 由电磁流量计本体的一对电极所获得的流量信号属于电压类信号, 尽管导电性流体的电导率不低, 但由于输出阻抗高, 必然会受到外部噪声的影响。由此可见, 外部噪声对电磁流量计的影响问题非同一般, 着力寻求解决噪声影响问题的有效方法, 刻不容缓。
2 .. 革新改进
2..1 .. 革新
针对上述实情, 着力进行技术革新, 最近开发研制出一种矩形波励磁式电磁流量计, 能够有效防止外部噪声的侵入, 高精度检测微小的流量信号。革新要点是, 由励磁电路向励磁线圈供给恒定电流, 在励磁线和放大器之间采取直流电压获取手段, 利用恒电流变换时产生的励磁线之间的变化电压, 可以得到放大器工作所需要的直流电压。由于励磁线和放大器之间的直流电压是利用励磁线间的变化电压而获得放大器工作所需要的直流电源电压, 因而不需要设置通用电源线路就能够轻而易举地获得直流电源电压。而且, 因为所利用的是励磁电流切换时的励磁线间的变化电压, 所以非但不会增加流量测量系统的负担, 相反, 还有助于磁场迅速稳定化。
2..2 .. 结构
革新的智能型电磁流量计的构成如图1 所示, 由电磁流量计本体和分立的信号处理装置二部分构成。电磁流量计本体由下列部件构成: ( 1) 被测管, 导电性流体的流通管路; ( 2) 励磁线圈, 产生的磁场方向与被测管内流通的流体成正交; ( 3) 电极对, 装在被测管上, 检测导电性流体受磁场作用而感生的电动势。信号处理装置由分立的前置处理器和信号变换器二部分构成。其中, 前置处理器的作用是对由电磁流量计本体输出的信号加以放大。前置处理器既可和电磁流量计本体形成一个整体, 也可设置在电磁流量计本体的近旁。前置处理器由下列部件构成: ( 1) 放大器, 对由电极测得的流量信号施行阻抗变换并作信号放大; ( 2) 变压器, 使电容器介于与励磁线圈连接的励磁线之间, 并与变压器初级线圈连接, 利用励磁线之
间的变化电压来获得设定电压; ( 3) 整流平滑电路, 对变压器次级线圈输出的电压进行整流, 从而获得放大器工作所需要的直流电源电压。信号变换器由下列部件构成: ( 1) 信号处理电路, 对放大器的放大输出再一次进行放大, 并作必要的信号处理, 从而获得与流量信号成正比的信号; ( 2) 励磁电路, 产生2 值以上的稳定电流, 通过励磁线驱动励磁线圈而产生磁场。
2..3 .. 动作
图2 所示为智能电磁流量计动作说明图。如图2 ( a) 所示, 当由励磁电路分别输出设定的正、反向恒流值时, 2 值恒流通过励磁线而获得放大器的工作所需要的直流电源电压, 可以满足使用要求, 同时驱动电磁流量计本体的励磁线圈。因此, 如图2 ( a) 所示, 当励磁线圈中有励磁电流流过时, 就会由励磁线圈产生磁场, 其方向与被测管内的导电性流体成正交。于是被测管内的导电性流体便感生出电动势。因此, 如图2 ( b) 和图2 ( c) 所示, 用一对电极便可测得与流体流量成正比的电动势( 流量信号) 。由一对电极测得的电动势经放大器进行放大并作阻抗变换后, 用信号变换器的信号处理电路进行信号放大并作必要的信号处理。这里所说的信号处理实质就是在励磁电流以及磁通量稳定的状态下对放大器的输出进行采样的一种方法。图2 ( d) 中, 实线( a) 表示采样后的信号电平; 虚线( b) 表示信号变换器的输出电平。之所以要在磁通量稳定的状态下采集流量信号, 是因为此时信号变换器的输出信号中不含磁性耦合噪声、90..相位噪声及同相噪声等, 因而能够获得高精度的测量信号。可是, 励磁线的线间电压由于受励磁线圈的电感作用, 因而在励磁电流的极性切换时产生高电压, 如图2 ( e) 中( c) 所示。这个高电压约相当于励磁电路的电路电压的二倍, 如图2 ( e) 中的( d) 所示。并使励磁线圈持续达到设定的恒流值。然而, 在切换上述励磁电流的极性时, 励磁线的线间电压急剧变化, 此变化电压直接关系到磁场产生电动势( 流量信号) , 如前所述, 这是流量测量所不需要的。相反, 如图2 ( f) 所示, 当励磁线的线间电压急剧变化时, 电流通过电容器而流入变压器的初级线圈。这样, 经由变压器的次级线圈而输出恒定的电压。该电压经整流平滑电路整流后可以获得放大器工作所需要的直流电源电压, 能够满足放大器使用上的要求。信号处理装置设置灵活, 可分可合, 既可分为前置处理器和信号变换器二部分, 又可将前置处理装置与电磁流量计本体组合而形成一整体, 还可将前置处理器设置在电磁流量计本体近旁。再者, 只有在励磁线的线间电压急剧变化时, 变压器中才会有电流流通。如图3 所示, 在对励磁线的线间电压进行整流的整流电路的输出一侧, 连接一齐纳二极管, 一旦整流电路的整流电压超过齐纳电压时, 就会导通晶体三极管, 因而也可以采用变压器中有电流流通的结构形式。晶体三极管可用pnp 型, 也可用npn 型。整流电路*可以采用其他整流方式。
2..4 .. 效果
实验结果表明, 改良的智能电磁流量计获得如下成效: .. 在切换励磁电流的极性时, 励磁线圈的励磁电流保持不变, 无需增大励磁电路的容量; .. 在变换极性时, 由电容器、变压器、整流平滑电路吸收浪涌电压, 使励磁电流趋于稳定化; .. 利用励磁线的线间电压作为前置处理器的工作电压, 无需引进通用电源, 能有效防止外部噪声侵入高阻抗部分; ..由于能防止外部噪声侵入, 因而便可实现高精度检测微小的流量信号; .. 由于省掉前置处理器的通用电源输送线路, 因而结构简化, 还可降低制作成本。
[ 参考文献]
[ 1] 安敏, 施锡昌.. 电磁流量变送器[ j] . 国外传感技术, 1995, 4 ( 3) : 58 .. 62..--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：