電(diàn)磁流(liú)量計 傳感器的(de)空管狀态指管道未被液體充(chōng)滿，導緻(zhì)電極部(bù)分或全部裸露(lù)于空氣中，該(gāi)狀态下儀表示數(shù)不規(guī)則(zé)，無(wú)法正(zhèng)确顯示流(liú)量值［1］。
　　現階(jiē)段(duàn)電磁流(liú)量計實現對(duì)空(kōng)管狀态的檢測，主要有增加電極、參數提取和(hé)附加(jiā)激勵三種(zhǒng)方法［2－3］。增(zēng)加(jiā)電極(jí)的方法需(xū)對管道進行改(gǎi)造，在實際使用中可行性(xìng)不高；參數(shù)提取通過測量(liàng)疊加(jiā)于(yú)流量信(xìn)号上的(de)微分幹(gàn)擾和(hé)工頻(pín)幹擾(rǎo)兩種信号，實現對管(guǎn)道的狀态(tài)判斷。由于(yú)幹擾(rǎo)信号幅值受工況環(huán)境(jìng)影響大，該方(fāng)法适用範(fàn)圍較小；附加激勵源(yuán)的方法又(yòu)分爲電(diàn)壓源和電流(liú)源兩(liǎng)類，電壓源輸(shū)出阻抗小，并聯于電極(jí)回路，使儀(yí)表放(fàng)大器(qì)輸(shū)入阻抗減小，影響(xiǎng)流量信号(hào)。電(diàn)流(liú)源輸(shū)出阻抗高，對流(liú)量信号的影響(xiǎng)可忽(hū)略，但電流源輸(shū)出電流值(zhí)不應過大，且電(diàn)流方向(xiàng)應可(kě)以(yǐ)改變(biàn)以避免電極極化(huà)引起的(de)零點漂(piāo)移問題(tí)［4］。
　　爲了(le)實現(xiàn)對傳(chuán)感器空管狀态更準确、可靠的(de)報警功能，一種電流源激勵形(xíng)式的電磁(cí)流量(liàng)計空(kōng)管檢(jiǎn)測模(mó)塊。
1電(diàn)流(liú)源(yuán)附加激勵(lì)下傳感器(qì)電極回路模型(xíng)
　　圖1爲電(diàn)流源附(fù)加激勵(lì)下的傳感器電極(jí)回路(lù)模型(xíng)圖，e爲磁場(chǎng)作用下表征流(liú)速(sù)信号的(de)感應(yīng)電動勢，rl爲測量(liàng)電極對地等效(xiào)電阻(zǔ)，ri爲儀表放(fàng)大器的(de)輸(shū)入電阻，ie爲電流源。

　　電流源模塊(kuài)與傳感器電極(jí)回路并聯，由(yóu)電(diàn)流源(yuán)輸出阻抗(kàng)無窮大特性可(kě)知，電流源模塊(kuài)不對流量信号(hào)大小(xiǎo)産(chǎn)生(shēng)影響(xiǎng)。考慮實際使用(yòng)情況(kuàng)下(xià)，不同流(liú)體類型的流體(tǐ)阻(zǔ)抗(kàng)大(dà)小不一(yī)，對于低電(diàn)導(dǎo)率(lǜ)類型流(liú)體(tǐ)，其流(liú)體阻(zǔ)抗大，爲避(bì)免采樣(yàng)電(diàn)勢信(xìn)号飽(bǎo)和(hé)，電流源(yuán)輸出值應根據流體類型(xíng)大小(xiǎo)可調，且(qiě)輸(shū)出電(diàn)流大(dà)小在微安(ān)級。另外(wài)，爲(wèi)了避(bì)免電極長(zhǎng)時間(jiān)受同(tóng)一方向電(diàn)流影(yǐng)響(xiǎng)而産生(shēng)電極(jí)極化(huà)反應，導緻儀(yí)表零點(diǎn)漂移影響儀表(biǎo)精度，電流(liú)源流(liú)向需可控。
　　綜上所述(shù)，爲(wèi)實現電(diàn)流源(yuán)附加激勵(lì)形式的空管檢(jiǎn)測模塊(kuài)能夠準(zhǔn)确實(shí)現(xiàn)空管報(bào)警功(gōng)能(néng)，電流源(yuán)需(xū)滿(mǎn)足(zú)如下三(sān)點約束條(tiáo)件：微(wēi)弱電流值恒流(liú)、電流(liú)方(fāng)向(xiàng)可控、電流(liú)值(zhí)可控。
2空(kōng)管檢測模(mó)塊系(xì)統框架(jià)

　　如(rú)圖2所(suǒ)示，空(kōng)管檢(jiǎn)測模塊系(xì)統由精密電流源、電(diàn)流控制電(diàn)路、阻抗(kàng)測量模塊三(sān)部分組成(chéng)。其中，精密(mì)電流(liú)源輸出(chū)恒定(dìng)電(diàn)流；電(diàn)流控(kòng)制電(diàn)路實(shí)現對電流(liú)源輸出電流大(dà)小(xiǎo)和(hé)方向控制(zhì)；阻抗測(cè)量模(mó)塊(kuài)對電極電勢進(jìn)行采樣與(yǔ)電勢(shì)調整，後送(sòng)入微(wēi)處理器進(jìn)行空管判斷(duàn)。下面分(fèn)别對三部(bù)分電路設(shè)計進行介紹。
2．1精密電流源(yuán)電路(lù)設計
　　電流(liú)源并聯于傳感(gǎn)器電極回(huí)路，爲(wèi)了不影響流量信号(hào)采集，電流(liú)源(yuán)内阻應(yīng)爲高(gāo)阻抗(kàng)。如圖3，vi1、vi2爲輸(shū)入電(diàn)壓，vl爲(wèi)負載端電壓(yā)，io爲電流(liú)源輸(shū)出，a1、a2爲運算放大(dà)器(qì)。

　　令isc爲(wèi)負載(zǎi)短路電流，ro爲恒流源等效内阻(zǔ)大小(xiǎo)。由(yóu)諾(nuò)頓定(dìng)理，求負載短路下電路的(de)短路電流［5］：

　　由上述推(tuī)導可知(zhī)，電流源(yuán)輸出(chū)阻(zǔ)抗無窮(qióng)大，輸(shū)出電(diàn)流大(dà)小僅(jǐn)由輸入電壓vi1、vi2和輸(shū)出電阻r決定，滿足空管(guǎn)檢測模塊(kuài)設計要求(qiú)。電路的不(bú)足在于，運算放大器輸(shū)入端易(yì)受外(wài)部信号幹(gàn)擾，故采用(yòng)三運(yùn)算放大(dà)器(qì)結構(gòu)替代(dài)差(chà)分(fèn)放大(dà)結構。在實際設(shè)計電(diàn)路時(shí)，使用(yòng)儀表(biǎo)放大器ina118替(tì)代圖3中運算放大器a1，儀表放大(dà)器ina118優(yōu)點在于：
1）共(gòng)模抑制(zhì)比(bǐ)，輸入(rù)阻抗(kàng)高達1010Ω；
2）低輸(shū)入偏置電流，最大值爲10na；
3）内部精(jīng)密電阻(zǔ)r1＝r2＝r3＝r4＝60kΩ；
4）較(jiào)寬的增益(yì)調節範圍(wéi)，爲1～10000。
　　反(fǎn)饋運放a2使(shǐ)用低輸入偏置(zhì)電流運算放大(dà)器，使流(liú)入運放(fàng)a2的損(sǔn)失電流可忽(hū)略(luè)不計。根據(jù)電路(lù)知識，使(shǐ)用儀表放大(dà)器ina118和運放(fàng)opa602後電路輸(shū)出電(diàn)流值：

　　rg爲增(zēng)益電(diàn)阻，改(gǎi)變rg大(dà)小即(jí)可設定電(diàn)流源輸(shū)出電流值。電流源(yuán)輸出(chū)電流方向(xiàng)由兩(liǎng)輸入(rù)端決定，當(dāng)vi1－vi2＞0時，輸出(chū)電(diàn)流流入負(fù)載；當vi1－vi2＜0時，電(diàn)流從(cóng)負(fù)載流入(rù)儀表(biǎo)放大器。
2．2電(diàn)流控制電(diàn)路
　　電(diàn)流控制電路主(zhǔ)要用于設定電(diàn)流源輸(shū)出電流(liú)值大(dà)小(xiǎo)以及電(diàn)流方(fāng)向切換頻(pín)率。爲(wèi)匹配(pèi)不(bú)同類型的傳感器(qì)，電路應具有電(diàn)流值(zhí)大小調整能(néng)力。該功能使用d/a轉換芯片tlv5625實(shí)現，其特點如下(xià)：
1）雙通道(dào)、低(dī)功耗(hào)、8位電壓(yā)輸出型數模轉(zhuǎn)換器，軌(guǐ)對軌輸出
2）可采用多(duō)種通(tōng)訊接口，如(rú)spi、tms320。在(zài)d/a芯片後增加模拟開關(guān)以保證電流源能夠按微處理(lǐ)器設置(zhì)頻率進(jìn)行開(kāi)關控制，電流控制電(diàn)路如圖(tú)4所示。

　　d/a轉(zhuǎn)換芯片tlv5625采(cǎi)用spi通(tōng)訊方(fāng)式，mcu＿din爲數據(jù)信号，mcu＿sclk爲時(shí)鍾信(xìn)号，mcu＿cs爲片(piàn)選信号(hào)。芯片輸(shū)出(chū)電壓(yā)：

　　其中，電壓基準(zhǔn)vref＝2．048v，由基準芯片提(tí)供，code爲(wèi)微處理器(qì)控制的(de)電(diàn)壓值(zhí)大小，範圍爲0～255。此(cǐ)電路輸(shū)出電壓範圍(wéi)vout：0～4．096v。
2．3阻抗(kàng)測量(liàng)模塊
　　最後(hòu)介紹(shào)阻抗(kàng)測量模(mó)塊(kuài)電路。由(yóu)電(diàn)流源(yuán)将電流輸出至(zhì)負載(zǎi)（傳感(gǎn)器兩電極）端，并(bìng)對電(diàn)極端電勢信号(hào)進行(háng)采集。該電勢信(xìn)号采集由(yóu)微處(chù)理器(qì)a/d轉換(huàn)模塊實現，輸入(rù)電壓(yā)範圍爲0v～3．3v，因(yīn)此需對(duì)電(diàn)極端(duān)電勢(shì)信号(hào)做電壓轉換以(yǐ)滿足(zú)微處(chù)理器a/d模塊(kuài)的輸入電(diàn)壓範圍，電壓轉換電路如圖5所示。

　　如圖(tú)5所(suǒ)示(shì)，傳(chuán)感器電極(jí)端電(diàn)勢用(yòng)vin表示(shì)。在此(cǐ)信号(hào)被送(sòng)至微(wēi)處理器a/d模塊之(zhī)前，對電壓值進(jìn)行調整。考(kǎo)慮傳(chuán)感器空管(guǎn)時，電極端電勢兩種飽和狀态(tài)，vin變化(huà)範圍－6v～＋6v。爲(wèi)了避免(miǎn)模塊(kuài)輸出(chū)端電(diàn)壓值超過微處(chù)理器(qì)最大(dà)輸入範圍(wéi)，令此電路(lù)滿足公式：

1）當電(diàn)流爲流入電極(jí)方向，若管道飽(bǎo)和，vin≈6v，vmcu＿ad≈0v。
2）當(dāng)電流爲流(liú)出(chū)電極方向，若(ruò)管道飽和(hé)，vin≈－6v，vmcu＿ad≈3v。按公式（15）進行電壓匹配，可以(yǐ)确保無論電(diàn)流方(fāng)向正(zhèng)負，管道空管時(shí)信号飽和的情況下(xià)，輸入微處(chù)理器(qì)的電勢信号不超過其阈(yù)值(zhí)。下面對(duì)電路阻值進(jìn)行計算(suàn)，電路總輸出電勢爲：

　　由(yóu)負(fù)載端電壓和負載電(diàn)流(liú)值(zhí)，可(kě)以得電(diàn)極對地等效阻(zǔ)抗值(zhí)rl，将rl與(yǔ)保存(cún)于微處理器中空管(guǎn)報警判斷(duàn)的阈值進行比(bǐ)較，即實現對(duì)傳(chuán)感器管道情況判斷(duàn)。
3結束語
　　相(xiàng)比于(yú)現(xiàn)有方法(fǎ)，電磁流量(liàng)計使(shǐ)用電流源(yuán)形式的附加(jiā)激(jī)勵模(mó)塊，受傳(chuán)感器負(fù)載類(lèi)型影響小(xiǎo)，有(yǒu)更廣的适用範圍和(hé)更高的(de)可靠(kào)性(xìng)。

以上内容來(lái)源于(yú)網絡(luò)，如有侵權(quán)請聯系即删(shān)除!