電磁流量計(jì)空管檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 發(fā)布時(shí)間:2018-03-29
電磁流量計(jì)傳感器的空管狀態(tài)指管道未被液體充滿(mǎn),導(dǎo)致電極部分或全部裸露于空氣中,該狀態(tài)下儀表示數(shù)不規(guī)則,無(wú)法正確顯示流量值[1]。 現(xiàn)階段電磁流量計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)空管狀態(tài)的檢測(cè),主要有增加電極、參數(shù)提取和附加激勵(lì)三種方法[2-3]。增加電極的方法需對(duì)管道進(jìn)行改造,在實(shí)際使用中可行性不高;參數(shù)提取通過(guò)測(cè)量疊加于流量信號(hào)上的微分干擾和工頻干擾兩種信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的狀態(tài)判斷。由于干擾信號(hào)幅值受工況環(huán)境影響大,該方法適用范圍較小;附加激勵(lì)源的方法又分為電壓源和電流源兩類(lèi),電壓源輸出阻抗小,并聯(lián)于電極回路,使儀表放大器輸入阻抗減小,影響流量信號(hào)。電流源輸出阻抗高,對(duì)流量信號(hào)的影響可忽略,但電流源輸出電流值不應(yīng)過(guò)大,且電流方向應(yīng)可以改變以避免電極極化引起的零點(diǎn)漂移問(wèn)題[4]。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器空管狀態(tài)更準(zhǔn)確、可靠的報(bào)警功能,一種電流源激勵(lì)形式的電磁流量計(jì)空管檢測(cè)模塊。 1電流源附加激勵(lì)下傳感器電極回路模型 圖1為電流源附加激勵(lì)下的傳感器電極回路模型圖,E為磁場(chǎng)作用下表征流速信號(hào)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),RL為測(cè)量電極對(duì)地等效電阻,Ri為儀表放大器的輸入電阻,Ie為電流源。 電流源模塊與傳感器電極回路并聯(lián),由電流源輸出阻抗無(wú)窮大特性可知,電流源模塊不對(duì)流量信號(hào)大小產(chǎn)生影響?紤]實(shí)際使用情況下,不同流體類(lèi)型的流體阻抗大小不一,對(duì)于低電導(dǎo)率類(lèi)型流體,其流體阻抗大,為避免采樣電勢(shì)信號(hào)飽和,電流源輸出值應(yīng)根據(jù)流體類(lèi)型大小可調(diào),且輸出電流大小在微安級(jí)。另外,為了避免電極長(zhǎng)時(shí)間受同一方向電流影響而產(chǎn)生電極極化反應(yīng),導(dǎo)致儀表零點(diǎn)漂移影響儀表精度,電流源流向需可控。 綜上所述,為實(shí)現(xiàn)電流源附加激勵(lì)形式的空管檢測(cè)模塊能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)空管報(bào)警功能,電流源需滿(mǎn)足如下三點(diǎn)約束條件:微弱電流值恒流、電流方向可控、電流值可控。 2空管檢測(cè)模塊系統(tǒng)框架 如圖2所示,空管檢測(cè)模塊系統(tǒng)由精密電流源、電流控制電路、阻抗測(cè)量模塊三部分組成。其中,精密電流源輸出恒定電流;電流控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電流源輸出電流大小和方向控制;阻抗測(cè)量模塊對(duì)電極電勢(shì)進(jìn)行采樣與電勢(shì)調(diào)整,后送入微處理器進(jìn)行空管判斷。下面分別對(duì)三部分電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。 2.1精密電流源電路設(shè)計(jì) 電流源并聯(lián)于傳感器電極回路,為了不影響流量信號(hào)采集,電流源內(nèi)阻應(yīng)為高阻抗。如圖3,Vi1、Vi2為輸入電壓,VL為負(fù)載端電壓,io為電流源輸出,A1、A2為運(yùn)算放大器。 令isc為負(fù)載短路電流,Ro為恒流源等效內(nèi)阻大小。由諾頓定理,求負(fù)載短路下電路的短路電流[5]: 由上述推導(dǎo)可知,電流源輸出阻抗無(wú)窮大,輸出電流大小僅由輸入電壓Vi1、Vi2和輸出電阻R決定,滿(mǎn)足空管檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)要求。電路的不足在于,運(yùn)算放大器輸入端易受外部信號(hào)干擾,故采用三運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)替代差分放大結(jié)構(gòu)。在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí),使用儀表放大器INA118替代圖3中運(yùn)算放大器A1,儀表放大器INA118優(yōu)點(diǎn)在于: 1)共模抑制比,輸入阻抗高達(dá)1010Ω; 2)低輸入偏置電流,最大值為10nA; 3)內(nèi)部精密電阻R1=R2=R3=R4=60kΩ; 4)較寬的增益調(diào)節(jié)范圍,為1~10000。 反饋運(yùn)放A2使用低輸入偏置電流運(yùn)算放大器,使流入運(yùn)放A2的損失電流可忽略不計(jì)。根據(jù)電路知識(shí),使用儀表放大器INA118和運(yùn)放OPA602后電路輸出電流值: RG為增益電阻,改變RG大小即可設(shè)定電流源輸出電流值。電流源輸出電流方向由兩輸入端決定,當(dāng)Vi1-Vi2>0時(shí),輸出電流流入負(fù)載;當(dāng)Vi1-Vi2<0時(shí),電流從負(fù)載流入儀表放大器。 2.2電流控制電路 電流控制電路主要用于設(shè)定電流源輸出電流值大小以及電流方向切換頻率。為匹配不同類(lèi)型的傳感器,電路應(yīng)具有電流值大小調(diào)整能力。該功能使用D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5625實(shí)現(xiàn),其特點(diǎn)如下: 1)雙通道、低功耗、8位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器,軌對(duì)軌輸出 2)可采用多種通訊接口,如SPI、TMS320。在D/A芯片后增加模擬開(kāi)關(guān)以保證電流源能夠按微處理器設(shè)置頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制,電流控制電路如圖4所示。 D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5625采用SPI通訊方式,MCU_DIN為數(shù)據(jù)信號(hào),MCU_SCLK為時(shí)鐘信號(hào),MCU_CS為片選信號(hào)。芯片輸出電壓: 其中,電壓基準(zhǔn)Vref=2.048V,由基準(zhǔn)芯片提供,code為微處理器控制的電壓值大小,范圍為0~255。此電路輸出電壓范圍Vout:0~4.096V。 2.3阻抗測(cè)量模塊 最后介紹阻抗測(cè)量模塊電路。由電流源將電流輸出至負(fù)載(傳感器兩電極)端,并對(duì)電極端電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行采集。該電勢(shì)信號(hào)采集由微處理器A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn),輸入電壓范圍為0V~3.3V,因此需對(duì)電極端電勢(shì)信號(hào)做電壓轉(zhuǎn)換以滿(mǎn)足微處理器A/D模塊的輸入電壓范圍,電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。 如圖5所示,傳感器電極端電勢(shì)用Vin表示。在此信號(hào)被送至微處理器A/D模塊之前,對(duì)電壓值進(jìn)行調(diào)整?紤]傳感器空管時(shí),電極端電勢(shì)兩種飽和狀態(tài),Vin變化范圍-6V~+6V。為了避免模塊輸出端電壓值超過(guò)微處理器最大輸入范圍,令此電路滿(mǎn)足公式: 1)當(dāng)電流為流入電極方向,若管道飽和,Vin≈6V,VMCU_AD≈0V。 2)當(dāng)電流為流出電極方向,若管道飽和,Vin≈-6V,VMCU_AD≈3V。按公式(15)進(jìn)行電壓匹配,可以確保無(wú)論電流方向正負(fù),管道空管時(shí)信號(hào)飽和的情況下,輸入微處理器的電勢(shì)信號(hào)不超過(guò)其閾值。下面對(duì)電路阻值進(jìn)行計(jì)算,電路總輸出電勢(shì)為: 由負(fù)載端電壓和負(fù)載電流值,可以得電極對(duì)地等效阻抗值RL,將RL與保存于微處理器中空管報(bào)警判斷的閾值進(jìn)行比較,即實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器管道情況判斷。 3結(jié)束語(yǔ) 相比于現(xiàn)有方法,電磁流量計(jì)使用電流源形式的附加激勵(lì)模塊,受傳感器負(fù)載類(lèi)型影響小,有更廣的適用范圍和更高的可靠性。
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