基于新型励磁方式的电磁流量计设计

　　电磁流量计是随着电子技术的应用而发展起来的新型流量测量仪表, 现已广泛应用于各种导电液体的流量测量。但是在测量以下液体时仍然存在困难:¹ 低电导率的液体; º 低流速液体; » 含有颗粒的高浓度浆状液体; ¼黏性液体。通过改进励磁方式来提高信噪比是解决这些问题有效方法之一[ 1- 3] 。

　　激磁技术是电磁流量计中最关键的技术, 其经历了直流激磁、工频正弦激磁、低频矩形波激磁、三值低频矩形波激磁、双频矩形波激磁等5个阶段[ 4- 5] 。直流激磁方式由于在小流量测量时要求信号的直流稳定度必须在几分之一微伏之内, 而使得它的应用范围受限; 工频正弦激磁方式由于电磁感应造成幅值与频率成正比, 从而产生了相位比流量信号滞后90°的正交干扰; 低频矩形波激磁、三值低频矩形波激磁和双频矩形波激磁这三种激磁方式会不同程度的在电平快速切换时而引入微分干扰等难题[ 6 - 9] 。

　　本文提出了一种新型的励磁方式) ) ) 三值正弦矩形波励磁方式, 它不仅克服了微分干扰的难题, 而且解决了正交干扰的影响。基于此励磁方式, 采用德州仪器公司( T I)的具有16 位A /D 转换模块的MSP430F4793单片机作为MCU, 设计了一款具有较高稳定性和测量精度的电磁流量计。

　　1 励磁方式分析

　　1. 1 测量原理

　　电磁流量计的测量原理为法拉第电磁感应定律, 如图1所示。当流体在管道内流过一个横向磁场B 的时候, 相当于有一定电导率的导体在切割磁力线, 形成电动势E, 其大小与磁场B、流速v和管径D 成正比[ 10 - 11], 如公式( 1):

　　其中B vD 为流速信号, 即真实测量值。dB /dt为微分干扰, 它主要源于/变压器效应0[ 12- 13], 其大小与流量无关, 即使是在流速等于零, 没有流量信号感应的情况下也会存在, 是电磁流量计的主要干扰[ 14 ] 。d2B /dt2 为同相干扰, 是微分干扰的二次微分得到的, 所以只要尽量降低微分干扰, 同相干扰也会降低。ec、ed 和ez 分别是共模干扰、串模干扰和直流极化电压, 均为电磁流量计的次要干扰源[ 15- 16 ] 。

　　1. 2 三值正弦矩形波励磁方式

　　对于当前广泛应用的矩形波励磁方式来说, 由于正、负值励磁状态的瞬间跳变, 造成在切换点的磁场变化率dB /dt趋于无穷大(波形上表现为一个尖峰),形成的微分干扰极大, 足以使得前级放大器达到饱和, 导致信号稳定性的降低, 信号如图3( a)所示。

　　本文对当前矩形波励磁方式改进后提出了一种新型的三值正弦矩形波励磁方式, 波形如图2所示,数学表达式如式( 2)。