（检测技术与自动化装置专业论文）电磁流量计低频正弦波励磁方法的研究.pdf

浙江人学豫土学位论文 摘要 电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的速度式流量计。电磁流量汁的励磁 方式很多，也各有各的优缺点。目前，国内外厂家普遍采用低频矩形波励磁方式， 但正弦波励磁方式也有应用。然而在正弦波励磁方式下，电磁感应产生的微分干 扰( 又称为变压器效应) ，其干扰幅值与频率成正比，午只位比流量信号滞后9 0 0 ， 而且实际中一般又远远大于流量信号，所以如何克服微分干扰电势的影响是正弦 波励磁技术的主要难题。现有的正弦波励磁下的抗干扰技术复杂且并不可靠，难 以保证流量计的零点稳定性和精度，这也正是正弦波励磁技术退出主流行列的原 因。 针对这一情况，为提高正弦波励磁下的抗干扰技术，提高仪表性能，作者采 用了新型的信号处理方法，即把线圈内的励磁电流信号j 两电极输出的流量信号 相乘，所得乘积的直流成分和流量呈正比。采用这样的处理手段，在任何流速下 ( 包括零点) ，微分干扰与励磁电流信号相乘后都会被作为交流量滤去，它将不 再影响测量结果，这就减小了微分干扰的影响，提高了流量计零点稳定性和测量 准确度。 本文基于以上的认识，研制了基于低频正弦波的励磁方式的电磁流量计样 机。具体进行了以下工作： ( 1 ) 通过查阅国内外相关文献，详细了解电磁流量计的基本原理、发展 历史及现状的基础上提出了正弦波励磁方式下的新型的信号处理方法； ( 2 ) 把作者设计的信号处理方法在电路上得以实现，研制了采用低频正弦 波作为励磁方式的基于m s p 4 3 0 单片机的电磁流量计样机： ( 3 ) 对低频正弦波励磁方式进行了试验比较，通过低频正弦波励磁方式的 一1 i 同励磁频率之问和不同采样方式之间的瞬时流量和累计流量的对比，研究并验 证了低频正弦波励磁方式的优越性。 关键词：电磁流量计、低频正弦波励磁、励磁方式 浙江大学硕1 学化论史 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 r , w h i c h i sb a s e do nf a r a d a y si n d u c t i o nl a w , i sa v e l o c i t y r t y p ef l o w m e t e r c u r r e n t l ye l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r s g e n e r a l l ya d o p t l o w f r e q u e n c ys q u a r e w a v e f o r me x c i t i n gm o d e b u ts i n e - w a v e f o r me x c i t i n gm o d ei s a l s oi nc o n s i d e r a t i o ns o m e t i m e s h o w e v e hi n t e n s i v ed i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n e ew h i c hi s v e r yd i f l i c u l tt ob ee l i m i n a t e di sp r o d u c e dw h e nt h ea u t h o ra d o p t ss i n e w a v ef o r m e x c i t i n gm o d e h o wt oe l i m i n a t et h ei n t e n s i v ed i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n c ei nt h i sm o d ei s ab i gp r o b l e m c u r r e n ta n t i - j a mt e c h n i q u ei ns i n e w a v e f o r me x c i t i n gm o d ei s c o m p l e xa n do f f a l l i b i l i t y , w h i c hi st h er e a s o nf o ru n p o p u l a r i t yo f t h i se x c i t i n gm o d e ， f o rt h ea d v a n c e m e n to fa n t i - j a mt e c h n i q u ei nl o w - f r e q u e n c ys i n e w a v e f o r l ne x c i t i n g m o d e ，an e ws i g n a lp r o c e s sm e t h o di su s e di nw h i c ht h ee x c i t i n gc u r r e n ts i g n a li nt h e l o o pi sm u l t i p l i e db yt h es i g n a lf r o mt h et w oe l e c t r o d e s t h e nt h ep r o d u c tw h o s ed c c o m l 9 0 n e n ti si np r o p o r t i o nt ot h ev e l o c i t yo ff l o wc a nb eo b t a i n e d i nt h i sw a yt l l e i n t e n s i v ed i f i e r e n t i a li n t e r f e r e n c ew i l ln o ti n f l u e n c et h er e s u l t s oz e r o p o i n ts t a b i l i t y a n dm e a s u r e m e n t a c c u r a c yc a nb ei m p r o v e d b a s e do nt h ec o n c e p t i o n sm e n t i o n e da b o v e ，e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rp r o t o t y p e b a s e do nl o w - f r e q u e n c ys i n ew a v e f o r me x c i t i n gm o d ew a sd e v e l o p e d i nt h et h e s i s f o l l o w e dw o r k sa r em e n t i o n e d ： ( 1 ) t h eb a s i ct h e o r y , d e v e l o p m e n ta n ds t a t u so fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rw e r e i n t r o d u c e di nd e t a i la n dan e w s i g n a lp r o c e s sm e t h o di sp r o p o s e d ( 2 ) t h ee l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r p r o t o t y p e ，b a s e d o nm s p 4 3 0m c u ，w a s d e v e l o p e da n di ta d o p t sl o w f r e q u e n c ys i n ew a v e f o r me x c i t i n gm o d e ( 3 ) b a s e do nt h ef l o w m e t e rp r o t o t y p e ，m a n ye x p e r i m e n t sw e r ed o n ei nd i f f e r e n t e x c i t i n gf r e q u e n c ya n ds a m p l i n gm o d e e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h ea d v a n t a g eo f t h el o w f r e q u e n c ys i n ew a v e f o r me x c i t i n gm o d e k e yw 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 ，l o w t r e q u e n c ys i n ew a v e f o r me x c i t i n g ，e x c i t i n g 浙江大学颂十学位论文 第一章概述 摘要：本章首先介绍了电磁流量计的发展历史，接着介绍了其特点和技术进步的情况， 然后在分析了电磁流量计励磁技术的基础上，针对其不足之处提出了本文的主要研究内容。 1 1 引言曲”删 流量与温度、压力、物位等的测量同为热工量测量，是1 二农业生产过程控制 中的重要的测定参数之一。流量测量与人们的日常生活有着密不呵分的关系。因 此，作为流量测量的流量计，应用范围很广。其应用遍及钢铁、冶金、给水、排 水、石油、化工、食品、医疗、环保、航空、航海、航天、农业、灌溉等部门。 然而，就对流体流量的检测而言，要比温度、压力等其它参数检测困难得多。 其原因在于，流量这个参数受输送流体的工作条件如压力、温度、流体状态、流 体的种类、形状等参数的影响。要达到正确测量的目的，必须采用不同的测量仪 表和不同的补偿措施。这就是说，流量计的种类和品种是 1 分繁多的。例如，考 虑到测量不同的流体状态，则有气体、水、蒸气、油等4 i 同的流量计。同样是液 体测量，使用的流量计也有不同。譬如，使用电磁流量计玎以测量导电液体流量， 但随着液体导电性质不同，液态金属流量测量需要使用直流磁场或低频电磁流量 汁；低电导率液体测量要用电容型电磁流量计等等。因此，研究和使用流量计相 对于其他检测仪表要困难得多。只有结合具体测量的流量对象和测量目的，针对 性地选择合适的流量计，才能合理、经济、可靠、准确地进行有效的流量测量。 流量测量属于检测技术领域的内容。现代r = 业中的流量测量，采用了各种各 样的方法，应用于各种不同的场合和各种不同的测量目的。这些测量方法基于多 种不同的测量原理，利用各种不同的输出信号变化来反映流体的变化。 通常，依其测量原理，将流量测量方法分成四大类： ( 1 ) 利用伯努利方程原理来测量流量的流量计是以输出流体差压信号来反 映流量； ( 2 ) 利用测量流速来得到流量的称为速度式流量测量方法： ( 3 ) 利用一个一个标准小容秘连续地测量流量的测馒方法称为容积式流量 浙江人学硕士学位论文 测量方法； ( 4 ) 以测量流体质量流量为目的的流量测量方法j 仪表称为质量流量流量 测量方法和质量流量计。 利用电磁感应原理测量流量是众多流量测量方法中最普遍的方法之一。它能 够测量多种形状流道内导电液体的流速和流量，属于速度式流量计，是基于法拉 第电磁感应定律的测量导电性流体流量的检测仪表。 电磁流量计随着电子技术的进步而迅速发展。上世纪5 0 年代初，电磁流量 计就己实现了工业化应用，成为首先进入成熟应用的新一代仪表，近年来世晃范 围约占工业流量仪表的1 5 ，国内市场的5 。它可在多种流型下进行流体流量 测量。与其他流量测量仪表相比，电磁流量计具有一些突出的优点，例如，无可 动部件，无阻碍被介质流动的节流部件，对被测流体的流动不产生附加压力损失， 而仅有这管段的沿程阻力：测量有导电性的介质的流量，而不受其温度、黏度、 密度、压力等物理参数的影响；无机械惯性，反映灵敏，可测瞬时脉动流量：直 线性好，测量准确度高，测量范围宽，耐腐蚀性能强等等，因此在众多的流量仪 表中，电磁流量计成为发展最快的流量仪表之。其应用已遍及农业、国防、科 研各部门。可阻预料，在今后工农业生产高度自动化、高度信息化的发展中，在 迫切需要节能和保护环境的情况下，电磁流量计将会有更大更快的发展。 1 1 1 电磁流量计发展史。帕 电磁感应定律是1 8 3 1 年英国物理学家法拉第发现的，1 8 3 2 年他期望利用地 球的地磁场来测量英国泰晤士河水的潮汐和流量，但是由于电化学反应、热电效 应等原因试验失败了。这也是世界上最早的一次电磁流量汁的试验。 史密斯和斯皮雷安在1 9 1 7 年得到了应用电磁感应的原理制造船舶测速仪的 二号利，并推荐使用交流的励磁方式来克服水的极化影响，丌辟了电磁流量计在海 洋学上的应片j 。 1 9 3 2 年，生物学家a k o l i n 在f a b r e 的建议i - ，第一个成功地完成了圆形管 道的电磁流量计，可用来测量和记录瞬时动脉血液流量。 1 9 5 4 年，f o x b o r 公司推出了世界上第- 爪电磁流量讨产品。1 9 5 5 年，同本 也制成了电磁流量计，几乎同时前苏联、英国、静西德也相继试制成功。 2 0 髓纪8 0 年代以来，微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使电磁流量计 2 浙江大学硕t j 学位论文 制造技术更加成熟和完善，其应用领域也更加扩大。当代的电磁流量计采用单片 机技术，用数字的处理方法等措施使电磁流量计的测量精度和性能不断提高，并 可充分利用计算机具有信息储存、分时处理、运算和控制能力的优势。 我国最早研究电磁流量计的单位是机电部上海工业自动化仪表研究所。它于 1 9 5 6 年起步，1 9 5 7 年采用直流励磁技术试制成功我国第一台工业应用电磁流量 计。6 0 年代初，在上海工业自动化仪表研究所的协助下，上海光华仪表厂试制 成功工频正弦波励磁l d - a 系列电磁流量传感器和l d z 2 型电磁流量转换器， 并商品化，开始了我国电磁流量计广泛应用。1 9 8 2 年，e 海工业自动化仪表研 究所成功地研制了单极性低频矩形波励磁电磁流量计。目前我国生产的电磁流量 计基本是以低频矩形波励磁为主，逐步进入权重磁场和智能化流量计时代，但是 无论制造技术水平、开发能力还是市场发展，我国的电磁流量计与世界先进水平 的距离在迅速地缩小。 1 i 2 电磁流量计的特点懵儿8 1 我们知道，电磁流量计由传感器和转换器组成。由于电磁流量计的设计原理 和它的结构特点，它有以下优点： ( 1 ) 传感器结构简单，没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部 件，所以当流体通过时不会引起任何附加的压力损失，同时也不会引起诸如磨损， 堵塞等问题，特别适用于测量带有固体颗粒的矿浆，污水等液固两相流体，以及 箨种粘性较大的浆液等，同样，由于它结构上无运动部件，故可通过附上耐腐蚀 绝缘衬里和选择耐腐蚀材料制成电极，起到很好的耐腐蚀性能，使之可用于各种 腐蚀性介质的测量。 ( 2 ) 电磁流量计是一种体积流量测量仪表在测量过程中，它不受被测介 质的温度、粘度、密度以及电导率( 在定范围内) 的影响。因此，电磁流量计 必需水作为试验介质标定，就可以用来测量其它导电性液体的流量，而不需要附 加其它修i f 。 ( 3 ) 电磁流量计的量程范围极宽，同一台电磁流量计的量程比可达1 ：1 0 0 。 此外，电磁流量计只与被测介质的平均流速成i 卜比，而与轴对称分布下的流动状 念( 层流或紊流) 无关。 ( 4 ) 电磁流量计无机械惯性，反映灵敏，可以测量瞬时脉动流量和快速累 浙江大学坝i 学位论文 秋流量，而且线性好。因此，它是既可以用作工业生产过程检测，也可用于贸易 结算的计量仪表。 电磁流量计具有众多独特的优点，但它仍有些不足之处，限制了电磁流量 计应用领域的进一步扩大，主要有如下几点： ( 1 ) 电磁流量计不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体。 ( 2 ) 由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业电磁流量计还不能 测量高温高压流体。 ( 3 ) 电磁流量计适利用法拉第电磁感应定律的仪表，所以在原理上就决定 它容易受外界电磁干扰的影响。 ( 4 ) 电磁流量计管道中的流速分布是不均匀的，在轴对称分布的条件下， 流量信号与平均流速成正比。所以，电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直 管段。 ( 5 ) 电磁流量计只能测量导电性流体，而且被测液体介质的电导率不能低 | 1 0 s c m 。所以它对一些低电导率的流体，如对石油制品或者有机溶剂等还无 能为力。 1 1 3 电磁流量计的技术进展“6 3 自电磁流量计问世以来，人们不断地对它的性能作改进，现已逐步完善起来， 发展成为一种性能优异的流量测量仪表。目前已广泛应用于工业卜各种导电性液 体的流量测量。市场所占的比例呈现不断增加的趋势，已发展为工业用四大流量 引之一。近年来技术进步显著，表现如下： 1 精度进一步提高 7 0 年代以前电磁流量计的基本误差普遍以满量程( f s ) 的百分率表示，存 ( 1 5 0 一+ 2 5 ) f s 之间，这种表示方式在小流速下非常不合适，误差可能 会远大于测量值：现在大部分以测量值( r ) 的百分率表示，存( o 5 。i o ) r 之间，国外有些产品有高达o 2 r 者，精度非常高。然而，要达到规定的 精度，必须在严格的参比条件( 如：测试液体为水，规定较窄范围的电导率，介 质温度，环境温度和电源电压、安装要求) 下测试。若实际使用条件偏离参比条 仆，误差就有可能达小到所示精度。特别是对于基本误差为0 2 r 者，还要 浙江人学硕f ：学位论史 求在流量传感器前后各安装一段直管，作为整体一起实流校验，否则不能保证精 度。 2 励磁方式多样化 在电磁流量计中，传感器的工作磁场是由励磁系统产生的。传感器中的励磁 电流波形与工作磁场强度波形基本一致，所以励磁方式就决定了传感器工作磁场 特征和电磁流量计的抗干扰能力大小和零点稳定性能的好坏。励磁技术一直是电 磁流量计的一个重要的研究方向，从法拉第的时代开始利用地磁场测量泰晤士河 水流速，到今天工频正弦波、低频正弦波、低频矩形波、低频三值矩形波和双频 矩形波等智能化控制励磁方式的实现，使电磁流量计不断成熟、不断完善，成为 流量测量仪表中最重要的品种之一。作者从电磁流量计励磁技术入手，在一定的 理论和实验研究的基础上，提出了低频正弦波励磁技术。具体的励磁技术的发展 及低频正弦波励磁技术将在下文中进行详细的介绍。 3 。低功耗 若进一步提高测量灵敏度和降低励磁功率，就有可能实现电池供电。电磁流 量计的灵敏度以单位流速产生感应电动势值来表示，数值愈低灵敏度愈高。早期 交流励磁方式灵敏度设计在1 一1 5 m v ( m s ) ，低频矩形波励磁方式则为0 2 0 4 m v ( m s ) ，现在有些仪表进一步提高到0 0 2 - 4 ) 0 4m v ( m s ) ，所需励磁功率从数 白瓦特降低到1 0 2 0 毫瓦特，从而有可能实现电池供电。 国外一些厂家正在研制用干电池供电的电磁流量汁。例如，英国a b b k e n t t a y l e r 公司的v b c 型和a g u a m a g 的仪表，后者采取瞬间供电运行，即每 隔1 5 分钟给励磁线圈通电6 秒钟，电池寿命一年也可由太阳能电池供电：同 本爱知时计电机公司称，其s w 型电磁流量计内藏电池可连续使片j 十年。采用电 池供电意义重大，可以使电磁流量计的使用区域扩大到郊外等电力系统难以触及 的区域。 4 仪表智能化 仪表的智能化主要是指功能上的智能化。随着电子技术的提高，高性能处理 器的应用，使电磁流量计可以通过软件控制整个工作过程。因此，空管检测、i f 反向流量检测、非线性补偿、数字滤波、零点自动校准等功能都在商品化的电磁 流量计上得到了实现。 浙江大学硕j 二学位论史 1 2 电磁流量计励磁技术啪1 励磁方式决定着电磁流量计的抗干扰能力大小和零点稳定性能的好坏。电磁 流量计的发展历史与励磁方式的演变过程关系密切。不同的励磁方式代表着不同 时代的特征和技术进步。近几十年来，电磁流量计的关键技术励磁技术也经 历了直流励磁( 含永磁励磁) 、工频正弦波励磁、低频矩糟波励磁、低频三值矩 形波励磁、高频矩形波励磁和可编程脉宽矩形波励磁、双频矩形波励磁六个阶段。 1 2 1 直流励磁 直流励磁是指利用永磁体的恒定磁场或者由直流电流励磁的恒定磁场如图 1 1 所示。 图1 1 直流励磁示意图 这种流量计感应的流量信号是直流电压信号，其角频率为零，几乎没有电磁 感应的干扰产生，这是它的最大的优点。而且其方法简单呵靠、受工频干扰影响 小。但是，直流励磁技术的最大问题是它容易使流过测量管内的电解质液体极化， 电极上得到的是极化电压和信号电压叠加在一起的台成信号，这种合成信号转换 放大器很难将流量信号分离出来。再者直流电比的存在会导致测量管山的电解质 液体的f 负离子分离，随着时问的延长，电极处聚集的离子层不断加厚，阻碍导 电离子的继续移动，形成中问离子密度小的“窀腔”，从而引起电极问的内阻增 犬，影响仪表正常工作。第三，直流放大器的零点漂移、噪声和稳定- 肚问题难以 获得很好的解决。特别是在小流量测量时，信号放大器的直流稳定度必须在凡分 之微伏之内，这样就限制了直流励磁技术的应用范围。目前直流励磁技术仪在 原子能l 业中用于导电率极高，而又不产生极化效应的液态金属流量测董中。 1 2 2 工频正弦波励磁 工频正弦波励磁通常是指使用5 0 h z 了f 弦波的： 频市电励磁的传感器。其最 _ r 频正弦波励磁通常是指使用5 0 h zi f 弦波的丁频市电励磁的传感器。其最 浙江人学硕i ：学位论文 1 2 电磁流量计励磁技术明 励磁方式决定着电磁流量计的抗干扰能力大小和零点稳定性能的好坏。电磁 流量计的发展历史与励磁方式的演变过程关系密切。不同的励磁方式代表着不同 时代的特征和技术进步。近几十年来，电磁流量计的关键技术励磁技术也经 历了直流励磁( 含永磁励磁) 、工频正弦波励磁、低频矩形波励磁、低频三值矩 形波励磁、高频矩形波励磁和可编程脉宽矩形波励磁、双频矩形波励磁六个阶段。 1 2 1 直流励磁 直流励磁是指利用永磁体的恒定磁场或者由直流电流励磁的恒定磁场，如图 l 一1 所示。 图1 一i 直流励磁示意图 这种流量计感应的流量信号是直流电压信号，其角频率为零，几乎没有电磁 感应的干扰产生，这是它的最大的优点。而且其方法简单可靠、受工频干扰影响 小。但是，直流励磁技术的最大问题是它容易使流过测量管内的电解质液体极化， 电极上得到的是极化电压和信号电压叠加在一起的合成信号，这种合成信号转换 放大器很难将流量信号分离出来。再者直流电压的存在会导致测量管内的电解质 液体的正负离子分离，随着时间的延长，电极处聚集的离子层不断加厚，阻碍导 电离子的继续移动，形成中间离子密度小的“空腔”，从而引起电极问的内阻增 人，影响仪表正常工作。第三，直流放大器的零点漂移、噪声和稳定性问题难以 挠得很好的解决。特别是在小流量测量时，信号放大器的直流稳定度必须在几分 之微伏之内，这样就限制了直流励磁技术的应用范围。目前直流励磁技术仪在 味子能。 业中用于导电率极高，而又不产生极化效应的液态金属流量测量中。 1 2 2 工频正弦波励磁 工频f 弦波励磁通常是指使用5 0 h z 正弦波的工频市电励磁的传感器。其最 6 浙 r 大学士负十学位论史 人优点是能够降低电解质液体对电极的极化作用，因而大大地降低了漂移地直流 干扰对测量的影响。其次，交流励磁电源简单，直接使用1 j 电供电产7 卜工作磁场， 这样的话传感器的磁感应强度就可以设计得很高，因而有较大的信号电动势，具 有较高的信噪比，可以得到较高的测量准确度。同时，r 频励磁的励磁频率高， 测量反映速度快适用于测量浆液和脉动流。在2 0 世纪l i 十年代到2 0 世纪八十年 代，商品化的电磁流量计都是以交流励磁为主体。 感应。 b = b m s i n w t 渡b 八nn 。 uu i 量信 e = e m + s l n w t e nnn uu i 受干 t nn = n m c o s w t 、厂、厂、 i 图l 一2 工频正弦波励磁流最信号与干扰信号 工频j 下弦波励磁技术的最大缺点是由电磁感应造成的正交干扰、同相干扰， 励磁信号与干扰如图1 2 。这些干扰影响着流量计测量线性度和零点的稳定性。 对于这些干扰产生的原因后面还会详细的介绍。电磁感应产生的正交干扰( 又称 为变压器效应) ，其干扰幅值与频率成正比，相位比流最信号滞后9 0 ”，如何克 服正交干扰电势的影响是j 下弦波励磁技术的主要难题。现在普遍采用的是相敏整 流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、电源补偿、自动l 卜交抑制系统等技术措施来消 除与流量信号频率一致的工频干扰电压，但这些措施的f 何4 i 完善，都会导致电 磁流量计零点不稳定，精度难以提高。但如果能够找到更好更可靠的信号处理方 浙江人学颀上学位论文 法来对这些干扰进行抑制，这种励磁方式的流量计性能就能得到提高。 工频正弦波励磁下，工频正弦波供电电源存在电源电压幅值和频率波动的影 响，会产生供电电源性干扰。同时由于交流励磁的电磁感应，磁路、测量管和流 体将产生涡流损失和磁滞损失，增大仪表的功率损耗。 1 2 3 低频矩形波励磁 a b d e n i s o n 、m p s p e n c e r 和h d g r e e n 在19 5 5 年提出采用低频矩形波励磁 的思想，并试制成功3 0 h z 低频矩形波励磁电磁血液流量计。这种励磁方式是目 前电磁流量计的主流，图l 一3 表示低频矩形波励磁的励磁波形。 厂 厂 厂、 ， 1 厂 厂 厂。 uuu i ( a ) 单极性低频矩形波( b ) 般极性低频矩形波 图1 - - 3 低频矩形波励磁示意图 在此之前采用的工频正弦波励磁技术虽然采用多种抗干扰技术措施，但仍然 很难排除与流量信号相一致的工频干扰。于是为了彻底解决电磁流量计工频干扰 问题，提高流量测量精度，介于直流励磁和 ：频交流励磁之间的低频矩形波励磁 技术被提出。低频矩形波励磁技术避免或者说减弱了了前两种励磁技术的缺陷： 不会像工频正弦波励磁那样产生严重的涡流效应、变压器效应( i f 交干扰) 和同 相干扰；也不像直流励磁那样产生极化效应。它便于放大信号处理，具有较好的 抗干扰性能，现在的电磁流量计广泛得采用这种励磁技术。 1 - 2 _ 4 低频三值矩形波励磁 在低频矩形波励磁方式中，还有一种被称为“三值波励磁”的方法。其励磁 波形如图1 4 所示。 8 浙江大学硕i 。学位论支 厂 。 uu 7 ， 图1 - - 4 低频三值矩形波励磁示意图 从图中可以看出，在这种励磁方法的一个周期中有两部分时f 1 ；i j 的磁场处于零 状态。此项励磁技术的最大特点是能够通过零值励磁时进行动态零点校正，进一 步提高了零点稳定性。当然，相对于两值波，三值励磁电路是要复杂一些。 1 2 5 高频矩形波励磁与可编程脉宽矩形波励磁 针对浆液流体流量测量和高速响应性，一些先进的流量计制造企业应用先进 的半导体元器件和单片计算机技术，研制了高频矩形波励磁和可编程脉宽励磁的 电磁流量计，这些高频一般是1 0 0 赫兹左右，当然医学上的测量人体的血液流量 计频率达到4 0 0 赫兹，这些高频当然是相对于电磁流量计中一般采用的低频而吉 的( 1 8 一l 3 2 工频) 。这些厂家还利用单片机算计的储存和运算功能，从数据 采集与软件上做了尖状干扰处理，以改善浆液测量和高速响应性的性能。 高频矩形波励磁和可编程脉宽励磁的电磁流量计只能是在一些适合的场合 应用，因为这种电磁流量计可能会丢掉一些低频矩形波励磁零点稳定的特点。而 且高频矩形波励磁还可能引起传感器磁路的涡流损失和磁滞损失增加，磁路结构 和应用的磁性材料比低频矩形波励磁要求更高。 1 2 6 双频励磁 1 9 8 8 年7 月，日本横河北辰电机株式会社在总结各种励磁技术特点的基础 l ，研究丌发了一种高、低频矩形波调制波的励磁方式，即烈频矩形波励磁技术。 它所采用的频率为：低频是6 2 5 h z ，它有助了二提高零点的稳定性；高频是7 5 h z ， 高频励磁人幅度降低了浆液对电极产生的极化电压，减弱了测量输出的抖动，提 l 询了测量的相应速度，励磁波形如图1 5 所示。因此，双频励磁既有稳定的零 _ 和高精度测量的优点，又有很强的抗“浆液噪声”i l j j ，反应速度快等优点， 9 溉汀大学坝卜学位论正 是低频矩形波励磁和高频励磁的结合。 b 。 洲n几n 几1 。 ，1 图1 - - 5 双频矩形波励磁不意图 要保证电磁流量计的零点稳定性，最好采用低频矩形波励磁；为了能较准确 地测量液固两相导电性流体和低导电率流体的流量，进一步降低励磁功耗，进一 步实现传感器小型轻量一体化，又必须采用较高频率的矩形波励磁，牺牲电磁流 量计的零点稳定性。为了解决零点稳定性和响应速度、抗干扰能力这一突出矛盾， 最佳方案是采用双频矩形波励磁的方法，使电磁流量计既具有低频矩形波励磁的 零点稳定性较好，又具有商频矩形波励磁降低泥浆干扰和流动噪声的数量级，获 得仪表的快速响应速度，同时也进一步降低励磁功耗，提高电磁流量传感器输出 信弓的信噪比，成为电磁流量计划时代的励磁技术。 1 2 7 励磁方式小结 以七对于电磁流量计的励磁方式的发展做了简要的介绍和分析。目莳，电磁 流量计主要采用低频矩形波励磁方式和低频三值矩形波励磁方式。这两种励磁方 式不仅可以克服直流励磁产生的电极极化效应，也可以克服工频正弦波励磁产牛 的正交干扰影响。而且采用低频三值矩形波励磁方式，可以近似认为零值励磁阶 段的感应电动势信号为电磁流量计的零点漂移值，进而对流量计的零点进行动念 补偿，进一步提高电磁流量计的零点稳定性。但是，在有螋测量场合j 下弦波励磁 方式也被采用，但正弦波励磁在信号中带入的微分干扰很难被消除从而影响测 鲢准确性。为了改善此问题，作者提出了用低频难弦波励磁方式。采用i f 弦波代 侍矩形波作为励磁波形，并采用了新型的信号处理手段，使得微分 二扰将被滤波 器滤掉，从而提高流量计的零点稳定性与测量精度，具体的信号处理手段与原理 将在f 章详细描沭 1 0 浙江人学硕 学位论文 1 3 本文主要研究内容 从上面相关章节中可以看出，电磁流量计励磁方式及相应的信号处理电路对 电磁流量计的应用范围、测量准确度和动态响应速度等有直接的影响作用，因此 励磁技术的发展会进一步提高电磁流量计的性能，是具有相当的研究意义的。 目前广泛使用的是低频矩形波励磁方式和低频三值矩形波励磁方式，尽管它 们已取代交流励磁方式成为主流，但是新型的正弦波励磁方式的电磁流量计仍然 出现在市场上。不过正弦波励磁在信号中带入的微分干扰很难被消除，针对这一 情况，作者提出了电磁流量计的低频正弦波励磁方式，具体包括以下几方面的工 作： ( 1 ) 在详细分析低频正弦波励磁方式的基础上，对低频正弦波励磁方式进 行理论分析，并设计其相应的信号处理方法： ( 2 ) 设计了基于m s p 4 3 0 处理器的低频正弦波励磁下的电磁流量计样机， 包括c p u 模块、励磁产生放大模块及信号处理模块硬件电路设计和系统软件设 计； ( 3 ) 对系统进行实验测试，验证了作者所设计的低频正弦波励磁方式及信 号处理方法的矿确性，并对所设计的流量计作了性能测试。 浙江人学硕士学位论文 第二章基于低频正弦波励磁的电磁流量计总体设计 摘要：本章对作者采用的低频正弦波励磁方式及其对应的信号处理方式进行了理论分 析，总结了与其它励磁方式和信号处理方式相比的优点并给出r 总体设计框图。 从上面相关章节中，可以看出电磁流量计励磁技术的发展很大程度上都是为 r 克服干扰，提高零点的稳定性。正弦波励磁这种励磁方式之所以会退出主流励 磁行列，被低频矩形波等励磁方式所取代，正是由于在正弦波励磁方式下产生的 各种干扰难以消除，影响着仪表的零点稳定性和测量精度。以往在i f 弦波励磁方 式下普遍采用的是相敏整流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、电源补偿、自动正交 抑制系统等技术措施来消除与流量信号频率一致的干扰电压，这些抗干扰措施十 分复杂，而且任何一个环节出了问题都会直接影响仪表精度，可靠性值得怀疑。 作者对低频正弦波这种励磁方式进行了研究，并设计了针对这种励磁方式的信号 处理系统，希望能够解决这种励磁方式下的抗干扰问题，提高正弦波励磁电磁流 量计的性能。下文将详细介绍作者的设计原理及方法。 2 1 正弦波励磁方式及其信号处理方法的理论分析 2 1 1 电磁流量计两电极闻信号模型 传感器感应的流量信号是电极问的电位差，即一种电压信号。实际：，由于 电磁感应、静电感应以及电化学电势等原因，电极上所得到的电压不仅仅是与流 速成比例的电动势，也包含各种各样干扰成分在内。 我们可建立以下信号模型来表示传感器测量电极上得到的电压信号，此电压 信号经将被提供给转换器： e ：舢+ 塑4 - 害+ p ( 坦 (1)dtd 。r 。 其中b v d 与流速成正比，称为流速信号，足电磁流量转换器需要得到的真实测 暹值。霉和芝分别称为微分干扰和同相干扰，是由于励磁磁场的突变而引起 d t d 。， 一 浙江人学硕上学位论丈 的，是电磁流量计的主要干扰。e 。、e 。和p = 分别称为共模于扰、串模十扰和直 流极化电压，均为电磁流量计的次要干扰源，前两者主要是由于电磁流量计附近 的电磁干扰和静电干扰产生的，可以通过静电屏蔽和良好的接地加以抑止，直流 极化电压即为通常所说的极化现象产生，可通过提高励磁频率加以克服，所以当 我们做好了这些次于扰源的抗干扰措施以后，可以把( 1 ) 式简化为式( 2 ) ： e ：b 加+ 塑+ 堂 ( 2 ) d l d2 f 1 流速信号b v d ( 2 ) 式中的流速信号b v d ，它是由励磁磁场感应的，其电学特性与励磁电 流各参量有关。首先，流速信号b v d 的频率与励磁频率是一致的。无论采用何 种励磁方式，当励磁频率一旦确定下来以后，信号频率基本上不会改变。其次， 流量信号b v d 的相位和波形与工作磁场的相位和波形致，也就是说，流量信 号与励磁电流的相位和波形一致。最后，流速信号b v d 的电压幅度与两电极的 距离、磁感应强度以及流速大小成j f 比关系。一般流体流过传感器流速l r n s 时 感应电动势在l m v 以下，甚至o 2 m v 以下。 2 。微分干扰电压粤 讲 ( 2 ) 式中的辈是微分干扰电压，它是哪里来的呢? 它主要源于。变压器效 讲 应”。目前，多数电磁流量计的磁场都是由通电线圈所产生。我们知道电磁感应 定律不论是正弦波交流电励磁还是矩形波励磁，励磁线圈都类似变压器的初级一 样，当初级产生的磁力线穿过次级的闭合回路，将在次级回路中感应电流，然后 在次级回路中的负载电阻两端出现感应电压。如果磁力线完全平行于闭合次级四 路时，回路负载上则不会产生感应电压。 啼 - 曰叶 - 1 卜 + 一一一 幽2 1 变压器效应示意图 1 3 浙江火学颧 学位论史 在电磁流量计传感器中，由于两电极的引线处于交变磁场中，如图2 一l 所 示，从电极a 一引出线一转换器输入电阻( r s r ) 一另一引出线一电极b 一被测流 体电阻一回到电极a ，形成一个闭合回路。这个回路相当于1 匝的变压器次级绕 组。实际的传感器装配工艺很难做到电极引出线回路平面完全平行于磁力线，总 会有一部分交变的磁力线穿过闭合电极回路平面。所以，即使流速等于零，没有 流量信号感应，也会在电阻上感应出一种电压。这种电压与流量无关，是干扰电 压。这个过程像变压器的工作过程，所以通常称为“变堆器效应”。 通过导体回路所包围的面积的磁通量发生变化时，在回路中就会产生感应电 动势及感生电流。感生电动势的大小正比于与回路相交的磁通随时间的变化率， 其方向由楞次定律决定。楞次定律表示感生电动势及其所产生的感生电流总是力 图阻止回路中的磁通中的变化。因此，回路中感生电动势【，的大小和方向可表 示成 u ：一塑( 3 ) 讲 根据式( 3 ) ，当变压器通电后，在次级感应的电动势大小可以表示为 e ，：粤 ( 4 ) 8 5 i 4 式中e ，为正交干扰( 或微分干扰) 电动势。 对于交流正弦波励磁，b = b 。s i na r t ，代入后得 e = 2 班。e o s ( 口t ) ( 5 ) 式中，为励磁频率。从上面公式可以看出，正交干扰比流量信号相位要滞后 9 0 。从变压器初级电压与电流的相位关系中也可以理解：励磁线圈是一个电感 线圈，流过电感线圈的电流滞后于它两端所加电压的相位9 0 。磁场由励磁电压 所激励，磁场的波形相位与励磁电压。致，也就是说，磁场的相位滞后励磁电压 9 0 。作为一匝次级的电极引出线叫路，负载上的电压与孛j j 级电压相位相筹1 8 f f ， f 是，正交干扰波形与流量信号波形相差9 0 。因此，找们把这种电压称为j 下交 i 扰。实质上，式( 4 ) 所反映的正交干扰足磁感应强度bx , t 酐t f , j ，的微分，凼 此义把j 卜交干扰称为微分f 一扰。 4 浙江大学硕l 学位论文 3 。同相干扰电压生： d ， 由电磁场理论可知，交变的电场能够产生交变的磁场，交变的磁场能产生交 变的电场，交变的电场和磁场总是相互交连，相互转换的。传感器内部分主磁通 形成了正交干扰的闭合涡电流流线。同时，也会有与之正交相连的闭合二次磁通 发生，并又有与二次磁通正交相连的涡电流流线发生。这个过程可以用磁场对时 间的二次微分来描述，于是同相干扰电势岛表示成 铲窘= 学爿驯n 蚓2 n f ) 2 吼s i n 积( 6 ) 其中岛与磁感应强度b 同相位，也就是与流量信号的相位同相。但是它的 幅度大小与流量无关，这是一种干扰，称为同相干扰，它将影响传感器的零点输 出和零点漂移。由式( 6 ) 可以看出，同相干扰是正交干扰的再次微分所得到的， 它的幅度与频率的平方成正比。通常采用相敏整流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、 电源补偿、自动f 交抑制系统等技术措旌以消除与流量信号频率一一致的正交干扰 电压，但由于正交电势的幅值比流量信号电势幅值大几个数量级，正交抑制系统 等抗干扰技术措施的任何不完善，都可能引起部分正交电势转化为同相干扰电 势，导致电磁流量计零点不稳定，精度难以提高。 2 1 2 针对低频正弦波励磁的信号处理方法 前面一节我们分析了来自电磁流量计两电极间的信号组成，对两电极问的这 信号我们要做怎样的处理呢? 首先我们在传感器的励磁线圈中串接入一个电阻r ，那么流经这一电阻r 的 电流就是线圈内的励磁电流，电阻r 两端的电势差与励磁电流是闻波形同相位 的，这样我们就得到了励磁电流信息，反馈电阻得到的实际电压波形见图2 - - 2 ( 此图由示波器采集反馈电阻的两端信号得到) 。 塑坚叁堂堡! 兰竺笙苎 纵坐标0 2 v d i v ，横坐标2 0 0 m s d l v ，流速38 1 9 m s 图2 - - 2 反馈电阻电压( 励磁信号) 接着，用一个乘法器把经过放大后的两电极间信号( 图2 3 ) 与反馈电阻r 上的电势差u 。( 图2 3 ) 相乘得到新的电压信号( 图2 3 ) ，示意图如下： 电极电 e l 信号预处理卜 乘法器 卜蕞强p 图2 3 信号处理方法不惹例 下面我们来分析一下新的电压信号u 。有什么物理意义，这样相乘我们到底 能得到什么。 在低频正弦波励磁下，假定我们的励磁电流为，。= a ，。s i n w t ，我们知道r 上 的电势差u 。、励磁磁场b 和励磁电流足相同波形相同相位的，所以得到 b = a 8s i n a r t ，u = a s i n t o ，再根据( 1 ) ( 2 ) 式，我们可得到电极问电压只 如卜- 式( 3 ) 所示： e = 口旧+ 警+ 筹吼恻n 研+ a s t o c o s 聊- a b a z 2 s i n 研 塑坚叁兰堡! ：兰篁堡茎一 将e 与u 。相乘得到电压u 。 吣舢。魂s i n 叫曰加+ 警+ 筹) = a s i n w t + ( 爿口v d s i n + 一日万c o s d 霄一4 b 打2s i n w ) = a u r a 口v d ( i c o s 2 w t ) 2 + a f k a 月w s i n 2 w t 2 一a f “a 刃2 ( 1 一c o s 2 a u ) 2 = ( 一u 。a 口v d 2 一a f k a 口口2 2 ) + t a 口。a ，ws i n 2 研2 - a t ! ，a 8 v d c o s 2 a 2 + a u ；a b c o s 2 w t 2 ) 由上式可看出乘法器得到的电压信号u 。由直流部分( 一a 。v d 2 4 k a 。疗21 2 ) 和交流部分( 如。a 。w s i n 2 n 开2 4 “a b v d c o s 2 m r 2 + 如一口万2c o s 2 耐2 ) 构成( 微 分干扰电压相乘以后被转化为交流成分) ，交流部分主要是频率为励磁频率两倍 的交流信号，而它的直流部分大小与流速v 成线性关系，其中的( 一4 。a 。河2 2 ) 将决定系统的零点，它越小，系统的零点稳定性越好。它与励磁频率的平方成正 比，所以在理论上励磁频率越低系统的零点稳定性越好。在最后我们对电压信号 u 。进行滤波，取其直流分量就可得到流速v 的信息，这便是我们的信号处理方 法。 下面是在某实际流速下，放大后的两电极间信号( 图2 - - 4 ) ，电阻r 七的电 辨差u 。( 图2 - - 5 ) 以及相乘得到的新的电压信号u “( 图2 6 ) 。 纵坐标0 2 v d i v ，横坐标2 0 0 m s i ) d ，流速3 8 1 9 r a s 幽2 4i 乜极信哼放人后信号 浙江大学顿十学位论文 纵坐标0 2 v d i v ，横坐标2 0 0 m s d i y ，流速38 1 9 m s 图2 - - 5 反馈电阻电压u r ( 励磁信号) 纵坐标