（检测技术与自动化装置专业论文）浆液型电磁流量计励磁控制与信号处理研究.pdf

浆液型电磁流量计励磁控制与信号处理研究 摘要 电磁流量计广泛应用于工业流量测量领域。但是，低频方波励磁及较低的 系统运算能力限制了电磁流量计进行高精度、高速度测量及浆液等复杂流体测 量的能力。励磁控制及增强系统运算能力成为提高电磁流量计性能特别是浆液 测量性能的关键。本文通过理论仿真提出了基于线性电源和基于高低压电源切 换的两种方波励磁控制方案，并分别对其进行了电路仿真、设计与实验；采用 基于线性电源的励磁控制方案，以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为信号处理和系统 控制核心，研制了浆液型电磁流量计系统；采用m a t l a b 中的g u i 设计了上 位机监控软件，实现对电磁流量计运行的监控及其采集波形的实时显示；针对 水流量和浆液流体测量，分别采用了基于梳状带通滤波和基于统计分析与信号 重构的信号处理方法，并分别进行了流速模拟器和纯水的标定实验及浆液流量 的测量比照实验。 实验结果表明，所提方波励磁控制方法能在保证信号零点稳定性的前提下 大幅拓宽电磁流量计的方波励磁频率范围，结合上位机监控软件，所研制的电 磁流量计系统用于流速模拟器及水流量标定精度均优于o 5 级，浆液满流量测 量稳态波动率小于1 且响应跟随时间短于4 s 。这从而大幅提高了电磁流量计 的测量精度和测量速度，特别是提高了电磁流量计用于浆液流体测量的性能， 进而推动了国内电磁流量计技术的进一步发展，并为其进入国际先进行列奠定 了一定的基础。 关键词：电磁流量计；浆液测量；励磁控制；信号处理；监控软件；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 s t u d i e so ne x c i t a t i o nc o n t r o la n ds i g n a lp r o c e s s i n g o fs l u r r y t y p ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lf l o wm e a s u r e m e n t b u t t h el o w f r e q u e n c ys q u a r e w a v ee x c i t a t i o na n dt h el o w e rs y s t e mc o m p u t i n gp o w e r h a v ec o n s t r a i n e d h i g h - p r e c i s i o n a n d h i g h - - s p e e d m e a s u r e m e n t c a b i l i t y o f e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , a n di t sa b i l i t yo fm e a s u r e i n gs l u r r ya n do t h e rc o m p l e x f l u i da sw e l l e x c i t a t i o nc o n t r o la n d e n h a n c e ds y s t e mc o m p u t i n gp o w e rb e c o m et h e k e yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ，p a r t i c u l a r l yt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs l u r r ym e a s u r e m e n t i nt h ep a p e r , b yt h e o r e t i c a l s i m u l a t i o n ，t h ee x c i t a t i o nc o n t r o lm e t h o db a s e do nl i n e a rv o l t a g er e g u l a t o ra n dt h e m e t h o db a s e do nh i g h - l o wv o l t a g ep o w e rs w i t c h i n ga r ep r o p o s e d ，a n dt h ec i r c u i t s s i m u l a t i o n ，d e s i g na n de x p e r i m e n ta r ec o n d u c t e dt o o a d o p t i n gt h ee x c i t a t i o n c o n t r o lm e t h o db a s e do nl i n e a rv o l t a g ea n du s i n gd s p c h i pt m s 3 2 0 f 2 812a st h e c o r eo f s i g n a lp r o c e s s i n g a n d s y s t e mc o n t r o l ，s l u r r y - t y p ee l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e rs y s t e mi sd e v e l o p e d a n d ，p cm o n i t o rs o f t w a r ei sd e s i g n e db yt h e g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eo fm a t l a bt om o n i t o rt h eo p e r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e ra n dd i s p l a y s i g n a lg a t h e r e dr e a l - t i m e t h e n ，t h es i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o db a s e do nc o m b - p e a kf i l t e r i n gf o rt h em e a s u r e m e n to fw a t e rf l o wa n dt h e m e t h o db a s e do ns t a t i s t i c a la n a l y s i sa n ds i g n a lr e c o n s t r u c t i o nf o rt h em e a s u r e m e n t o fs l u r r yf l o wa r ea d o p t e dr e s p e c t i v e l y a l s o ，t h ec o m p a r i n ge x p e r i m e n t so fs l u r r y m e a s u r e m e n ta sw e l la st h ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t sf o rv e l o c i t yo ff l o ws i m u l a t o r a n dw a t e rf l o wa r ec o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，t h es q u a r e - w a v ee x c i t a t i o nc o n t r o lm e t h o d s c a nb r o a d e nt h e f r e q u e n c yr a n g eo fs q u a r e w a v e e x c i t a t i o nw i d e l yu n d e rt h e p r e m i s eo fe n s u r i n gs t a b l es i g n a lz e r o ，a n dc o m b i n gw i t hp cm o n i t o rs o f t w a r e ，t h e c a l i b r a t i o na c c u r a c yo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e n t e rs y s t e md e v e l o p e di sb e t t e rt h a n 0 5f o rw a t e rf l o wa sw e l la sv e l o c i t yo ff l o ws i m u l a t o r ，t h ef l u c t u a t i n gs c a l eo ff u l l f l o wm e a s u r e m e n tf o rs l u r r yi sl o w e rt h a n1 w i t has h o r tr e s p o n s et i m ei n4 s e c o n d s t h e r e b y ，t h i ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n ds p e e d o f e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , p a r t i c u l a r l yi m p r o v e s t h e p e r f o r m a n c e o f e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rf o rs l u r r ym e a s u r e m e n t h e n c e ，t h es t u d yp r o m o t e st h e t e c h n o l o g yo fd o m e s t i ce l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ra n dl a y sac e r t a i nf o u n d a t i o nf o r i t sg o i n gi n t ot h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e la sw e l l k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ；s l u r r ym e a s u r e m e n t ；e x c i t a t i o nc o n t r o l ； s i g n a lp r o c e s s i n g ；m o n i t o rs o f t w a r e ；t m s 3 2 0 f 2 8 12 插图清单 图2 1 电磁流量计励磁控制系统框图4 图2 2 励磁恒流p i 控制仿真模块图5 图2 3 励磁恒流p i 控制曲线图5 图2 4 基于线性电源的恒流源电路原理图一7 图2 5 电磁流量计单频方波励磁控制仿真电路图8 图2 6 电磁流量计双频励磁控制仿真电路图9 图2 73 8 v 2 5 h z 仿真波形一1 0 图2 8 不同励磁电源及励磁频率下励磁电流仿真波形1 0 图2 9 双频励磁电路励磁电流仿真波形1 1 图2 1 0 励磁线圈驱动电路及检流电路框图1 2 图2 1 1 励磁时序产生电路硬件原理框图13 图2 1 2 单频励磁时序波形图1 4 图2 1 3 双频励磁时序波形图1 4 图2 1 4 高频( 2 5 h z ) 励磁信号波形图1 5 图2 1 5 双频( 6 2 5 h z 7 5 h z ) 励磁信号波形图1 5 图2 1 6 励磁比照实验结果波形图1 6 图3 1 励磁恒流控制结构框图1 8 图3 2 基于高低压电源切换的恒流控制电路原理图l9 图3 3 基于高低压电源切换双环恒流控制仿真电路图2 l 图3 4 电感4 4 0 m h 频率1 6 0 h z 励磁响应曲线2 2 图3 5 不同励磁线圈参数及励磁频率下励磁电流仿真波形2 3 图3 6 电磁流量计励磁控制系统结构框图2 4 图3 72 0 0 h z 方波励磁结果信号波形图一2 5 图4 1 系统硬件框图2 8 图4 2 前置差分放大电路原理图2 9 图4 3 基于梳状带通滤波的水流量信号处理流程3 l 图4 4 基于统计分析与信号重构的浆液信号处理流程3 2 图4 5 系统软件框图3 3 图4 6 主监控程序流程图3 4 图4 7 电磁流量计上位机监控软件3 6 图4 8 监控软件操作界面示例图3 9 图5 1 流速模拟器流速变化过程处理结果曲线4 3 图5 2 浆液测量实验系统示意图4 6 图5 3 浆液流量测量实验系统装置4 6 i i i 图5 4 浆液流量变化过程传感器信号及处理结果曲线4 8 图5 5 浆液流量起一停起过程传感器信号及处理结果曲线4 9 附图1 电磁流量计实验样机系统一5 6 附图2 电磁流量计水流量标定现场5 6 附图3 电磁流量计浆液测量实验现场5 6 i v 表格清单 表5 1 电磁流量计流速模拟器标定工作表一4 2 表5 21 0 0 m m 口径水流量标定工作表4 4 表5 35 0 m m 口径水流量标定工作表4 5 表5 4 浆液测量结果波动对照表4 7 表5 5 浆液测量响应速度对照表4 9 附表一浆液测量波动对照表5 8 附表二浆液测量响应速度对照表5 9 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 盒胆工些太堂或其他教育机构的学位或证二1 5 而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：弦圳签字日期：知9 年午月坷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目里些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 佥g 巴工些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：粕嫂商 签字日期：芦户年午月刁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签毡：多 签字日期：山l d 年牛月坪日 电话： 邮编： 致谢 经过近三年的努力和付出，我的硕士毕业论文终于告一段落。三年的努力 和奋斗已经让我在发现问题、解决i 口- j 题和处理问题的能力上得到了很高的提升， 使我的思维方式得到了很大的改变，更使我有了独立思考和创新的能力。然而， 如果没有导师的精心培养和指导、没有师兄师姐的尽心关照和引领、没有同学 之问的相互关心和交流、没有师弟师妹的支持和协助，这一切对我来说都是不 可想象、不可实现的。尤其是导师徐科军教授的大力培养和精心指导，在我整 个学习、探索、研究的过程中都起着决定性和关键性的作用。在此，我要特别 感谢徐科军导师所给予的大力支持和关怀。同时，还要感谢实验室所有对我给 予关心、指导、协助和支持的师兄、师姐、师弟、师妹及所有同学，感谢他们 让我在一个团结、和睦、严谨、奋斗的环境中度过了三年美好的学习生活。 在这三年里，通过参与基础科研项目及8 6 3 重点项目的研究，让我得到了 大量的实践和锻炼，使我对实际问题有了更直观的认识和更深的体验。在此， 要特别感谢重庆j i i 仪自动化股份有限公司流量仪表分公司在我们研究电磁流量 计的过程中所给予的实验条件、研究平台以及大量工程经验的支持。感谢他们 的帮助和支持使我通过参与课题组项目的研究获得了宝贵经验及丰富的知识。 论文中提到的励磁控制系统的研制及电磁流量计整体系统的研制均是基 于重庆川仪自动化股份有限公司的现有技术平台来实现的，基于梳状带通滤波 的水流量信号处理方法为同一课题组中硕士研究生张然的研究成果，基于统计 分析与信号重构的浆液流量信号处理方法为同一课题组中硕士研究生梁利平的 研究成果。在此一并对他们再次表示感谢! 父母自从给予我们生命开始，就不断地用忙碌的身影和无怨无悔的付出持 续拼命地为我们酿造着生活的源泉。没有父母的付出和忙碌的身影，也就没有 我现在的一切。在此，我想衷心的对父母说声“谢谢，感谢你们的培养与爱护， 让我拥有了生存的价值。 最后，再次感谢徐科军老师的精心培养和指导让我拥有了奋斗目标和价值 追求，再次感谢黄云志、王海欣老师及周杨、王肖芬、张进、曾宪俊、张嫒嫒、 朱志海、刘三山、李祥刚、刘家祥、罗青林、梁利平、李叶、陈佳臻、朱永强、 张磊、李苗、方敏、侯其立、姜鹏、张然、周全等师兄、师姐、师弟、师妹及 所有同学的支持与协助让我拥有了和谐的学习环境和充实的学习生活。我将继 续努力、再接再厉，朝着奋斗目标继续前进! 作者：杨双龙 2 0 10 年4 月7 号 1 1 国内外研究现状 第一章绪论 电磁流量计是一种依据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪 表。其由励磁线圈将磁场施加给被测流体，从而通过检测磁场中运动流体的感 应电动势并进行相应的信号处理实现流量准确测量。电磁流量计由于其传感器 自身结构设计及其测量原理使得其输出信号中掺杂了大量的噪声，如正交干扰 ( 微分干扰) 、同相干扰( 涡流效应) 、工频干扰( 共模干扰、串模干扰) 、极化 噪声、流动噪声及浆液噪声等。这些噪声频带遍布信号带宽，且幅值甚至超 过信号的幅值。为消除这些噪声的影响，目前应用中主要从励磁方式和信号处 理两方面考虑。故而，电磁流量计的励磁控制技术和信号处理技术是电磁流量 计的关键。 随着电磁流量计技术的发展，电磁流量计励磁方式先后出现了直流励磁、 工频正弦波励磁、单频方波励磁以及双频励磁。当前应用中普遍采用单频方波 励磁，如励磁频率为2 5 h z 、5 h z 或6 2 5 h z 。单频方波励磁即由恒流源给励磁 线圈供电，通过不断切换励磁线圈中电流的方向，使得励磁电流在正负恒定值 之间周期性变化。单频方波励磁当励磁频率很低亦即低频励磁时，励磁电流在 励磁半周期内能达到平稳态，从而使得电磁流量计传感器输出信号能够获得稳 定零点，但其存在响应速度较慢且无法克服浆液噪声及流动噪声等干扰的缺点。 而当励磁频率较高即高频励磁时则能有效克服浆液噪声及流动噪声的干扰，响 应速度快，但由于励磁线圈的感性负载效应使得高频励磁时的励磁电流在励磁 方向切换后的半个周期内往往达不到稳态，从而致使电磁流量计零点稳定性较 差。双频励磁则结合这两种励磁方式采用高低频组合励磁，并分别利用高低频 励磁方式的优点从传感器输出信号中提取出有效信号进行组合得出流量信号， 进而可有效克服浆液噪声及零点稳定性等问题。无论是高频励磁还是双频励磁， 励磁线圈的恒流控制即控制励磁电流在励磁半周期内快速达到恒定的稳态设定 值，关系到传感器输出信号零点的稳定性，因而是电磁流量计励磁控制技术中 的关键。 现有技术中已有很多涉及励磁控制的研究及相关专利，研究与发明的主要 内容在于如何进行励磁线圈的恒流控制，可归结为三个途径：一、通过反馈电 流控制p w m 占空比，从而控制激励电源的电压大小，来稳定励磁电流1 2 - 4 1 ；二、 通过反馈电流控制励磁桥路开关的通断，进而利用励磁线圈中电流不能突变的 特性来进行恒流控制【5 ，6 】；三、通过反馈电流与基准电流值比较，进而由运放等 来控制晶体管，实现恒流控 1 1 1 7 , 8 】。然而，途径一在于控制激励源电压大小，但 是，由于p w m 占空比控制激励电压需经过l c 滤波，其动态响应速度较慢， 会导致电流控制的滞后，从而在高频励磁时电流不易进入稳态值，造成零点不 稳；途径二会使h 桥开关器件开关频繁，电流在一定程度上出现纹波，同样会 造成零点波动：途径三的恒流控制均在励磁线圈驱动电路h 桥低端，会使其低 端电压波动较大，影响h 桥臂导通控制；同时，文献【7 】中所述图8 在励磁电流 达到稳态时，落在晶体管q 2 上的压降将很大，从而使其功率耗散比较大：而 文献 8 】中所述图4 虽然在电流进入稳态时通过反馈控制降低激励电压进而降低 晶体管t 的功耗，然而，其反馈调压仍然是采用p w m 调压措施，会引入所述 途径一所存在的问题。故而，在保证电磁流量计零点稳定的前提下，当前国内 外所披露的励磁控制技术基本上均只能针对低频方波励磁。 信号处理技术是电磁流量计中另一重要技术。针对不同的励磁控制方式及 不同的流体，信号噪声的消除是信号处理的关键。而不同流体、不同励磁方式 下的噪声表现形式各不相同，从而使得电磁流量计信号处理系统的设计及信号 处理的算法往往差异很大，系统的运算能力及算法运算复杂度也各不相同。 当前国内电磁流量计研究生产中主要针对纯水等单相液态导电介质的测 量，以低频方波励磁为主，大量研究集中在信号处理中白噪声、工频干扰以及 极化干扰的消除和多参数电磁流量计方面【9 1 9 】，亦有正弦励磁下信号建模及正 交干扰与同相干扰的消除方面的研究f 2 0 。2 2 】，应用中主要采用运算能力较低的单 片机作为信号处理核心。国外应用中同样以低频方波励磁及相应信号处理方法 为主【2 , 3 , 5 】，研究集中在电磁流量计噪声模型、产生机理及噪声消除等方面【2 3 - 2 7 ， 亦有研究两相流及低电导率流体电容式电磁流量计测量技术等1 2 8 。3 0 j 。但也出现 了高频方波励磁技术和双频励磁技术及相关的信号处理算法，如日本东芝的浆 液型电磁流量计和横河的双频电磁流量计1 7j ，但未披露具体技术细节。 综上所述，当前国内外在电磁流量计研究方面主要针对单相流体测量中的 低频方波励磁技术及相应的信号处理技术。而针对浆液测量或低电导率流体测 量中克服浆液噪声或流动噪声的高频方波或双频励磁技术及相应的信号处理技 术研究则相对较少，国外虽有此类产品及相关文献，但均未披露具体技术细节。 1 2 现阶段技术问题 电磁流量计由于其具有可靠性高、耐腐蚀性强、测量精度高、不受流体密 度、粘度、温度、压力变化的影响等优点，从而在石油、化工、冶金、造纸等 行业得到广泛的应用。但随着应用中对测试精度和测试速度的要求越来越高及 浆液等复杂流体的测量场合越来越多，采用低频方波励磁及相应的信号处理技 术显然不能满足要求。高频励磁或双频励磁技术虽能有效克服浆液噪声、流动 噪声等干扰并提高测量速度，但高频励磁( x 2 频励磁中也存在高频励磁分量) 中 的励磁电流恒流控制技术仍是关键问题，励磁控制系统的电路设计也至关重要， 国外技术文献中对此未做具体细节披露。另外，基于高频励磁方式之上，针对 2 浆液等复杂流体的信号处理技术则是电磁流量计的又一关键问题。由于浆液流 体测量信号所含噪声较为复杂，且幅值往往很大，因而针对浆液测量的信号处 理技术往往较复杂，从而对信号处理系统的运算能力往往要求较高。但当前产 品中主要采用运算能力较低的单片机作为信号处理核心，故而很难用于浆液等 复杂流体测量情况下的信号处理任务。 综上所述，当前国内电磁流量计普遍存在以下技术问题：一、励磁频率较 低，很难用于高速测量和浆液等复杂流体的测量；二、系统运算处理能力较低， 难以应付浆液等复杂流体的信号处理任务。而国外电磁流量计技术文献中对此 具体技术细节未做披露。 1 3 课题来源与主要研究内容 本文课题主要来源于8 6 3 重点项目“典型行业高性能传感器”中的课题“过 程控制流量传感器及系统”。该课题主要研究多种流量计的高精度测量和快速测 量问题。电磁流量计的高精度、高速度测量及浆液测量是该课题的组成部分之 一。 针对电磁流量计的高精度、高速度测量和浆液测量的需求，本文主要研究 电磁流量计的高频方波励磁技术及具有较高信号处理运算能力的电磁流量计系 统研制。励磁控制技术方面，本文将基于理论分析仿真、电路设计仿真的基础 上研制电磁流量计励磁控制系统；系统研制方面，本文将基于现有的电磁流量 计技术之上，采用具有高速信号处理能力的芯片作为系统处理和控制核心，并 加入高频励磁控制技术来研制电磁流量计整体系统。系统研制完成后，我们将 依次通过流速模拟器、纯水、浆液等测量对其进行实验验证和指标评测。故而， 本文具体研究内容分为以下三个部分。 ( 1 ) 电磁流量计励磁控制方案分析及励磁系统研制。基于理论分析仿真提出 高频方波励磁方案，基于电路仿真设计研制电磁流量计励磁控制系统。 ( 2 ) 电磁流量系统研制。采用高频方波励磁方案，选用信号处理能力较强的 d s p 芯片作为信号处理和控制核心，研究电磁流量计水流量及浆液流体的信号 处理方法，研制电磁流量计软硬件系统。设计上位机监控软件以方便系统调试、 实验及实现上位机监控的功能。 ( 3 ) 电磁流量计实验与评测。通过流速模拟器标定实验及纯水标定实验来评 测系统的测量精度，通过浆液测量实验来评价系统浆液测量的性能。 通过上述研究，力求大幅提高电磁流量计的测量速度和测量精度，实现对 浆液等复杂流体的精确测量和快速测量，还努力使国内电磁流量计技术更接近 国际前沿技术，进而为其进入国际先进行列奠定一定的基础。 第二章基于线性电源电磁流量计励磁控制系统 2 1 电磁流量计方波励磁控制原理 2 1 1 方波励磁控制方案 电磁流量计方波励磁控制系统一般包括恒流源电路、励磁线圈驱动电路、 励磁时序产生电路及检流电路这几个部分，其框图如图2 1 所示。 图2 1 电磁流量计励磁控制系统框图 系统由恒流源电路向励磁线圈驱动电路供电，励磁线圈驱动电路根据励磁 时序产生电路发出的励磁时序控制信号c t l 和c t 2 通过开关控制流过励磁线圈 的励磁电流的方向，但不改变稳态幅值，进而实现对励磁线圈的方波励磁。方 波励磁中，励磁线圈驱动电路一般采用h 桥及其开关驱动电路。由于系统工况 往往随环境等各种因素而发生随机性的变化，从而使系统中实际流过励磁线圈 的电流也往往存在波动，而非所设定的恒流源的恒流输出，故而，励磁控制系 统中通常加入检流电路，用于将流过励磁线圈的电流转换为电压信号输出，以 提供给电磁流量计信号处理系统进行运算结果的电流修正。励磁时序产生电路 一般由电磁流量计控制核心控制工作，从而产生具有一定频率的励磁时序。 高频励磁控制系统中，要保证信号零点的稳定性，励磁恒流控制的快速响 应是前提。另外，励磁时序频率的精确性及电流检测的准确性均直接影响信号 处理结果的精度。故而，高频励磁控制系统的设计中，励磁恒流控制技术是关 键，励磁时序的精确控制及励磁电流的准确检测也至关重要。 2 1 2 励磁恒流控制原理 方波励磁控制系统中，恒流控制的输入量是对应于励磁稳态设定电流的电 压设定值，控制量为励磁线圈两端的电压，控制对象为流过励磁线圈的励磁电 流。励磁线圈可等效为电阻r 与理想线圈l 的串联，其两端的电压u 与流过的 励磁电流i 之间的传递函数如式( 2 1 ) 所示。 器= 而1 ( 2 1 ) 一= 一 z ii u ( s ) s + r 、 4 为得到较好的恒流控制性能，根据经典控制理论，我们通过m a t l a b 中 s i r n u l i n k 搭建恒流p i 控制系统如图2 2 所示。图中，s q u a r ei n p u t 输出方波信 号，e x c i t ec o i l 为励磁线圈模型，o u t l 为不经恒流控制的励磁电流输出，o u t 2 为经p i 控制的励磁电流输出，o u t 3 为p i 控制时励磁线圈两端电压的控制量。 其中，s q u a r ei n p u t 输出方波信号幅值为8 v ，峰峰值为1 6 v ，频率为2 0 0 h z ， 以模拟2 0 0 h z 方波励磁；励磁线圈模型按重庆川仪自动化股份有限公司生产的 电容式电磁流量计2 5 m m 口径一次仪表设置，其电阻值为2 6 8q ，电感值为 2 4 5 4 6 m h 。经参数调试，将比例系数k 1 设为1 3 5 、积分系数k 2 设为5 6 5 5 时， 能得到较好的励磁电流控制效果。励磁电流控制结果曲线如图2 3 所示。其中， 图( a ) 为p i 控制器的控制输出曲线，图( b ) 中虚线为未经恒流控制的励磁电流曲 线，实线为经过p i 恒流控制的励磁电流曲线。由图( b ) 可见，励磁电流经p i 恒 流控制后，其响应时间大幅缩短至0 5 m s 左右。 今 、一 幽 口 图2 2 励磁恒流p i 控制仿真模块图 2 、- 一 斌 衄 ( a ) 励磁线圈两端电压( b ) 励磁电流 图2 3 励磁恒流p i 控制曲线图 由图2 3 中( a ) l 茎t 可知，在电流方向切换时，为实现励磁电流的快速响应， p i 控制器需输出很高电压来激励励磁线圈。但由于实际p i 控制电路输出受其 工作电源轨限制( 图2 2 中用限幅单元模拟) ，因而在电流距稳态差值较大时，p i 控制器处于高压饱和输出状态。当电流接近稳态设定值时，p i 控制器进入线性 控制区并随着电流的上升而降低控制输出电压。电流进入稳态后，控制器输出 则为平稳的低压控制量。当p i 控制电路为轨至轨输出时，其供电电源电压即为 控制输出的饱和电压。供电电源电压越高，则电流响应速度越快，反之则越慢。 在实际励磁过程中，一般要求励磁电流在励磁半周期内平稳态时间所占比重较 大以保证信号有较好的零点稳定性，则由图2 3 中( a ) 图可知，p l 控制器绝大多 数时间的输出量均为平稳低压控制量。而实际中需由控制器提供的励磁电流又 较大( 百毫安级) ，这就意味中在用高压源给p i 控制器供电以保证电流快速响 应时，控制器的能耗将非常大，不利于稳定工作。 当前应用中提出通过控制励磁供电电源电压的方式来解决这个问题，即恒 流控制电路的供电电压亦随着励磁电流的变化而连续变化。但应用中基本上都 采用单一p w m 调制电源( 如d c d c 转换器) 通过跟随励磁电流连续调节p w m 占空比的方式来连续调节励磁供电电压，而此类调压方式存在很大的滞后特性， 从而致使恒流控制滞后，以至出现很大超调，无法用于高频励磁。 为此，本篇根据上述分析分别提出基于线性电源的励磁恒流控制方式和基 于高低压电源切换的双环恒流控制方式，并研制相应的电磁流量计励磁控制系 统。本章主要研究基于线性电源的电磁流量计励磁控制系统。 2 2 基于线性电源的励磁恒流控制方案 采用线性电源进行恒流控制即利用线性电源的快速稳定的调节性能加快电 流响应速度。其原理类似于一个比例控制器，可以避免前述的d c d c 控制方式 的滞后特性，但同时也存在前述的功耗较大的问题。故而，提出该励磁恒流控 制方案主要是针对励磁频率相对较低、传感器口径较小( 励磁线圈电感值小) 的 应用场合。其能在保证电磁流量计稳定零点的前提下显著提高励磁频率范围。 另外，该方案也要求所选线性电源具有较好的功率耗散性能。 基于线性电源的恒流源电路原理图如图2 4 所示。其中，u 1 为线性电源， 采用三端可调线性稳压器，电阻r 1 决定负载电流的大小，一般采用精密电阻； d l 为保护二极管：d 2 防止电流反向。线性电源u l 的恒流控制原理为其根据 自身的调节机制始终保持其输出引脚( 3 ) 与调节引脚( 1 ) 之间的电压为恒定值，而 引脚1 的输入偏置电流又非常小( 相对励磁电流可以忽略不计) ，故而，当这两 个引脚间的电阻r 1 为一定值时，其输出的电流就为恒定值。即若负载电压升 高致使r l 上电流减小甚至为负时，线性电源的输出引脚3 就会输出更高电压 来使流过r l 的电流上升，进而维持其1 、3 脚间的电压差，反之亦然。电阻 r 1 亦即承担了恒流控制中的电流检测及反馈功能。电源电压v c c 决定了线性 电源的最大输出电压。 由2 1 2 节分析可知，v c c 越大励磁电流响应速度越快。但由于励磁电流 往往达到几百毫安，励磁线圈的直流阻抗又非常小，所以，当v c c 很高而励磁 6 电流进入稳态时落在线性电源输入输出两端的压差也很大，从而造成很大的功 率耗散。因而，此处需根据应用中励磁线圈的直流阻抗、励磁电流大小及所选 线性电源允许的功率耗散来决定供电电源v c c 的大小。线性电源的散热措施也 很重要。 v c c c l 图2 4 基于线性电源的恒流源电路原理图 2 3 基于线性电源励磁控制系统的电路仿真 2 3 1 基于线性电源励磁控制系统仿真电路设计 基于2 2 节所述线性电源励磁恒流控制方案之上，我们根据2 1 1 节所述电 磁流量计方波励磁控制系统常有模块通过m u l t i s i m 设计励磁控制系统仿真电路 如图2 5 所示。图中，r 2 1 与l 4 模拟电磁流量计励磁线圈，q 3 、q 4 、q l4 、 q 15 组成h 桥开关电路以实现方波励磁，d 4 、d 5 、d 6 、d 7 组成h 桥带感性负 载工作情况下的保护电路，d 3 、d 8 、d 9 、d 1 0 、r 5 构成h 桥高端限幅保护电 路，r 2 为检流电阻以模拟实际励磁驱动电路中的电流检测，信号源v 1 与反相 器u 2 组成单频励磁时序产生电路，其它部分均为h 桥开关驱动电路。由于实 际仿真电路中恒流源电路与图2 4 相同，故而，图2 5 中未画出恒流源部分， 所示电流i o 即为恒流源电路的输出供电电流。需注意的是，图2 5 仅能仿真单 频方波励磁情况。 图2 5 中，根据重庆川仪实际生产的电极接触式电磁流量计励磁线圈参数， 将其仿真参数设为直流电阻2 6q 、电感2 5 0 m h 。另外，为方便h 桥开关控制， h 桥高端开关器件q 1 4 、q 1 5 选取p n p 型达林顿晶体管通过电流对其进行开关 控制以避免因感性负载造成高端电压不稳而较难控制的问题，h 桥低端开关器 件q 3 、q 4 选取n m o s 管以实现通过电压对其进行开关控制，检流电阻r 2 阻 值设置为低阻值以保证h 桥低端开关的稳定控制，h 桥高端限幅保护电路总限 幅电压值取略低于线性电源的供电电源电压。由上述电路可知，当v l 产生方 波信号对励磁线圈进行方波励磁时，h 桥处于对臂联动的工作方式，即开关管 q 4 和q 1 4 同时通断、开关管q 3 和q 1 5 同时通断。由对臂联动工作原理可知， 方波励磁时，流过励磁线圈的电流交替通过q 3 和q 4 ，从而，q 3 、q 4 选取低 栅极电流的m o s 管还有益于电阻r 2 检流的准确性。需要注意的是，在电路进 行方波励磁仿真时，流过励磁线圈的电流i c 方向正负交替，而流过检流电阻 r 2 的电流i e 在励磁半周期内稳态时方向总为正，但其可以根据已知的励磁时 7 序转换成与i c 等同的波形。 为仿真双频励磁情况，对于图2 5 ，仅需改变一下励磁时序产生电路。电 磁流量计双频励磁控制仿真电路图如图2 6 所示。图中，励磁时序产生电路由 电源v d d 、电阻r 17 与r 2 6 、二极管d 1 1 d 1 4 、反相器u 2 及信号源v l 与v 2 组成。电路仿真时，信号源v l 产生低频方波信号，信号源v 2 产生高频方波信 号，v 1 输出与v 2 输出通过二极管进行线“与 进而得到双频励磁时序。需注 意的是，v 2 信号频率须为v 1 信号频率的整数倍。 电路仿真中，通过m u l t i s i m 自带的示波器观测模拟励磁线圈直流电阻的 r 2 1 两端的电压与检流电阻r 2 两端的电压，继而可计算出流过励磁线圈的电 流i c 及流过检流电阻的电流i e 。同时，我们还通过示波器观测图2 4 中线性电 源u 1 两端的压降v d m d 以评测线性电源的功率损耗。 图2 5 电磁流量计单频方波励磁控制仿真电路图 8 图2 6 电磁流量计双频励磁控制仿真电路图 2 3 2 基于线性电源励磁控制系统仿真结果 基于上述电磁流量计励磁控制系统仿真电路，我们在不考虑线性电源功率 耗散的情况下分别选取了多种电源供电电压及励磁频率并通过m u l t i s i m 对其进 行了电路仿真。仿真励磁稳态电流通过图2 4 中的r 1 设为约310 m a 。 ( 1 ) 励磁电源v c c 取3 8 v ，励磁频率取2 5 h z ，通过电路仿真得流过励磁线 圈电流i c 、流过检流电阻电流i e 及线性电源两端压降v d r o d 波形如图2 7 所示。 图( a ) 中实线所示为电流i c ，虚线所示为电流i e ；图( b ) 中实线所示为压降v d r o p ， 虚线所示为i e 的5 0 倍。 由仿真结果可知，在励磁供电电源为3 8 v ，励磁频率为2 5 h z 时，基于线性 电源的电磁流量计励磁控制系统能使励磁电流在励磁半周期进入稳态，进而保 证了电磁流量计具有稳定的信号零点。另外，由( a ) 图可知，检流电阻所检测的 电流i e 的稳态值与流过励磁线圈的电流i c 的稳态值一致，从而保证了检流的 准确性；由( b ) 图可知，在励磁电流进入稳态后，线性电源两端的压降约有2 6 v ， 9 从而使得线性电源上的功率耗散有近8 w ，进而使得实际工作中线性电源会发 出很大的热量。 time(s)time(s) ( a ) 励磁电流波形( b ) 线性电源压降波形 图2 73 8 v 2 5 h z 仿真波形 ( 2 ) t t - 对其它不同励磁供电电源和单频励磁频率，通过m u l t i s i m 仿真得其励 磁电流i c 的波形如图2 8 所示。 4 0 0 2 0 0 鼍0 百 2 0 0 4 0 0 叠 鹭 oo 0 2o 0 4o 0 6o 0 80 1 t i m e ( s ) ( a ) 3 8 v 5 0 h z 励磁电流波形 菩 互 亳 吝 t i m e ( s ) ( b ) 3 8 v 7 5 h z 励磁电流波形 time(s)time(s) ( c ) 1 8 v 7 5 h z 励磁电流波形 ( d ) 1 0 0 v 7 5 h z 励磁电流波形 图2 8 不同励磁电源及励磁频率下励磁电流仿真波形 上图表明，励磁电源相同时，由于励磁电流的响应速度相同，使得励磁频 率越高，励磁电流稳态在励磁半周期内所占的时间就越短；励磁频率相同时， 1 0 们 如 加 m o 伽 一一厶。专益mlo o 4 2 2 4 一巨葛口2jno 3 1 3 ) c 励磁供电电源电压越高，励磁电流响应速度就越快，从而使得励磁电流稳态在 励磁半周期内所占时间就越长；而当励磁电源电压过低时，由于励磁电流响应 速度过慢，导致在励磁半周期内励磁电流根本无法进入稳态设定值，从而使得 电磁流量计无法获得稳定的信号零点。 ( 3 ) 励磁电源取3 8 v ，双频励磁频率取6 2 5 h z 7 5 h z ，通过m u l t i s i m 仿真得 其励磁电流波形如图2 9 所示。其中，实线为流过励磁线圈的励磁电流i c ，虚 线为检流电阻所检测到的电流i e 。 图2 9 双频励磁电路励磁电流仿真波形 由上图可知，在3 8 v 电源供电情况下，针对仿真电路中的励磁线圈模型， 图2 6 所示双频励磁控制仿真电路能在保证电磁流量计稳定信号零点的前提下 实现6 2 5 h z 7 5 h z 双频励磁，且检测电流i e 的稳态值与励磁电流i c 的稳态值一 致，从而可根据已知时序将i e 完全恢复成i c ，进而可准确获得实际励磁电流波 形。 上述仿真结果表明，所设计的基于线性电源的励磁控制系统仿真电路完全 能实现单频方波励磁或双频励磁，且在供电电源电压较高的情况下具有较好的 恒流控制特性，从而保证了电磁流量计稳定的信号零点。另外，仿真结果还表 明上述励磁控制系统电路设计能保证励磁电流检测的准确性。但是，图2 7 中 的( b ) 图也反映出，励磁系统工作时，线性电源上具有较大的功率耗散，电源利 用效率较低。而由于励磁稳态时，在励磁线圈参数不变的情况下，线性电源负 载端的电压基本保持一定值，所以，励磁供电电源电