電(dian)磁流量(liang)計 傳感(gan)器的空(kong)管狀态(tai)指管道(dao)未被液(ye)體充滿(man)，導緻電(dian)✊極部🏃🏻‍♂️分(fen)或全部(bu)裸露于(yu)空氣中(zhong)，該狀态(tai)下儀表(biao)示數不(bu)規則，無(wu)法正确(que)顯示流(liu)量值［1］。
　　現(xian)階段電(dian)磁流量(liang)計實現(xian)對空管(guan)狀态的(de)檢測，主(zhu)要有增(zeng)加電極(ji)、參數提(ti)取和附(fu)加激勵(li)三種方(fang)法［2－3］。增加(jia)電極的(de)方法需(xu)🔞對管道(dao)進🏃🏻行改(gai)造，在實(shi)際使用(yong)中可行(hang)性不高(gao)；參數提(ti)取通過(guo)測量疊(die)加于🐇流(liu)量信号(hao)上的微(wei)分幹擾(rao)和工頻(pin)💰幹擾兩(liang)種信号(hao)，實現對(dui)管道的(de)㊙️狀态判(pan)斷。由🐪于(yu)幹擾信(xin)号🥰幅值(zhi)受工況(kuang)環境影(ying)響大，該(gai)方法适(shi)用範圍(wei)較小；附(fu)加激勵(li)源的方(fang)法又分(fen)爲🔴電壓(ya)源和電(dian)流源兩(liang)類，電壓(ya)源輸出(chu)🔞阻抗小(xiao)，并聯于(yu)電極回(hui)路，使儀(yi)表放大(da)器輸入(ru)阻抗減(jian)小，影響(xiang)流量信(xin)号。電流(liu)😘源輸出(chu)阻抗高(gao)，對流量(liang)信号的(de)影響🐇可(ke)忽🏃‍♀️略，但(dan)電流源(yuan)輸出電(dian)流值✌️不(bu)應過大(da)，且電流(liu)方向應(ying)可以改(gai)變以🌍避(bi)免電極(ji)極化🧑🏾‍🤝‍🧑🏼引(yin)起的零(ling)點漂移(yi)問題［4］。
　　爲(wei)了實現(xian)對傳感(gan)器空管(guan)狀态更(geng)準确、可(ke)靠的報(bao)警🈲功能(neng)，一🚩種電(dian)💁流源激(ji)勵形式(shi)的電磁(ci)流量計(ji)空管檢(jian)測模♉塊(kuai)。
1電流源(yuan)附加激(ji)勵下傳(chuan)感器電(dian)極回路(lu)模型
　　圖(tu)1爲電流(liu)源附加(jia)激勵下(xia)的傳感(gan)器電極(ji)回路模(mo)型🧡圖，E爲(wei)磁⚽場作(zuo)用下表(biao)征流速(su)信号的(de)感應電(dian)動勢，RL爲(wei)測量🤞電(dian)極對地(di)等效電(dian)阻❗，Ri爲儀(yi)表放大(da)器的輸(shu)入電阻(zu)，Ie爲電流(liu)源。

　　電流源(yuan)模塊與(yu)傳感器(qi)電極回(hui)路并聯(lian)，由電流(liu)源輸出(chu)📧阻抗無(wu)窮大特(te)性可知(zhi)，電流源(yuan)模塊不(bu)對流量(liang)信号大(da)小産🔱生(sheng)影響。考(kao)慮實際(ji)使用情(qing)況下，不(bu)同流體(ti)類型的(de)🔞流體阻(zu)抗大小(xiao)不一，對(dui)于低電(dian)導率類(lei)型流體(ti)，其流體(ti)阻抗大(da)，爲避免(mian)采樣電(dian)勢信号(hao)💘飽和，電(dian)流源輸(shu)出值應(ying)根據流(liu)體類型(xing)大小可(ke)調，且輸(shu)出電流(liu)大小在(zai)微安級(ji)。另外，爲(wei)了避免(mian)電極長(zhang)時間受(shou)同一方(fang)向電流(liu)影響而(er)産生電(dian)極極化(hua)反應，導(dao)緻儀表(biao)零點㊙️漂(piao)移影響(xiang)儀表精(jing)度，電流(liu)源流向(xiang)需可🈲控(kong)。
　　綜上所(suo)述，爲實(shi)現電流(liu)源附加(jia)激勵形(xing)式的空(kong)管檢測(ce)模🚩塊能(neng)夠🍓準确(que)實現空(kong)管報警(jing)功能，電(dian)流源需(xu)滿足如(ru)下三點(dian)約束條(tiao)件：微弱(ruo)電流值(zhi)恒流、電(dian)流方向(xiang)可控、電(dian)流值可(ke)控。
2空管(guan)檢測模(mo)塊系統(tong)框架

　　如圖2所(suo)示，空管(guan)檢測模(mo)塊系統(tong)由精密(mi)電流源(yuan)、電流❓控(kong)制電路(lu)、阻抗測(ce)量模塊(kuai)三部分(fen)組成。其(qi)中，精密(mi)電流源(yuan)🙇🏻輸出恒(heng)定電流(liu)；電流控(kong)制電路(lu)實現對(dui)電流源(yuan)輸出電(dian)流大小(xiao)和方向(xiang)控制；阻(zu)抗測量(liang)模塊對(dui)電極電(dian)勢進行(hang)采樣與(yu)電💘勢調(diao)整，後送(song)入微處(chu)🙇🏻理器進(jin)行🥵空管(guan)判斷。下(xia)面分别(bie)對三部(bu)分電路(lu)設計進(jin)行介紹(shao)。
2．1精密電(dian)流源電(dian)路設計(ji)
　　電流源(yuan)并聯于(yu)傳感器(qi)電極回(hui)路，爲了(le)不影響(xiang)流量信(xin)号采💛集(ji)，電流源(yuan)内阻應(ying)爲高阻(zu)抗。如圖(tu)3，Vi1、Vi2爲輸入(ru)電壓，VL爲(wei)負載端(duan)電壓，io爲(wei)電流源(yuan)輸出，A1、A2爲(wei)運算放(fang)大器。

　　令isc爲(wei)負載短(duan)路電流(liu)，Ro爲恒流(liu)源等效(xiao)内阻大(da)小。由諾(nuo)頓🈲定理(li)🐆，求負載(zai)短路下(xia)電路的(de)短路電(dian)流［5］：

　　由上(shang)述推導(dao)可知，電(dian)流源輸(shu)出阻抗(kang)無窮大(da)，輸出電(dian)流大小(xiao)僅由輸(shu)入電壓(ya)Vi1、Vi2和輸出(chu)電阻R決(jue)定，滿足(zu)空管檢(jian)測🏃‍♀️模塊(kuai)設計要(yao)求。電路(lu)的不足(zu)在于，運(yun)算放大(da)器輸入(ru)端易受(shou)外部信(xin)号幹擾(rao)，故采用(yong)三運算(suan)放大器(qi)結構替(ti)代差分(fen)放大結(jie)構。在實(shi)👄際設計(ji)電路時(shi)，使用儀(yi)表放大(da)器INA118替代(dai)圖3中運(yun)算放大(da)器A1，儀表(biao)放大器(qi)INA118優點在(zai)于：
1）共模(mo)抑制比(bi)，輸入阻(zu)抗高達(da)1010Ω；
2）低輸入(ru)偏置電(dian)流，最大(da)值爲10nA；
3）内(nei)部精密(mi)電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較(jiao)寬的增(zeng)益調節(jie)範圍，爲(wei)1～10000。
　　反饋運(yun)放A2使用(yong)低輸入(ru)偏置電(dian)流運算(suan)放大器(qi)，使流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻入(ru)運放🌈A2的(de)🍓損失電(dian)流可忽(hu)略不計(ji)。根據電(dian)路知識(shi)，使用儀(yi)表放大(da)器INA118和運(yun)放OPA602後電(dian)路輸出(chu)電流值(zhi)：

　　RG爲增益(yi)電阻，改(gai)變RG大小(xiao)即可設(she)定電流(liu)源輸出(chu)電流值(zhi)。電流源(yuan)輸🌂出電(dian)流方向(xiang)由兩輸(shu)入端決(jue)定，當Vi1－Vi2＞0時(shi)，輸出電(dian)🌈流流🐕入(ru)負載；當(dang)Vi1－Vi2＜0時，電🛀流(liu)從負載(zai)流入儀(yi)表放大(da)器。
2．2電流(liu)控制電(dian)路
　　電流(liu)控制電(dian)路主要(yao)用于設(she)定電流(liu)源輸出(chu)電流值(zhi)大小以(yi)及電流(liu)方向切(qie)換頻率(lü)。爲匹配(pei)不同類(lei)型的🔴傳(chuan)感器，電(dian)🙇‍♀️路應具(ju)有電流(liu)值大小(xiao)調整能(neng)力。該功(gong)能使用(yong)D/A轉換芯(xin)片TLV5625實現(xian)，其特點(dian)如下：
1）雙(shuang)通道、低(di)功耗、8位(wei)電壓輸(shu)出型數(shu)模轉換(huan)器，軌對(dui)軌輸出(chu)🆚
2）可采用(yong)多種通(tong)訊接口(kou)，如SPI、TMS320。在D/A芯(xin)片後增(zeng)加模拟(ni)開關以(yi)保證電(dian)流源能(neng)夠按微(wei)處理器(qi)設置頻(pin)率進行(hang)開關控(kong)制，電流(liu)控制電(dian)👈路如🈲圖(tu)4所示。

　　D/A轉換(huan)芯片TLV5625采(cai)用SPI通訊(xun)方式，MCU＿DIN爲(wei)數據信(xin)号，MCU＿SCLK爲時(shi)鍾信号(hao)，MCU＿CS爲片選(xuan)信🐕号。芯(xin)片輸出(chu)電壓：

　　其(qi)中，電壓(ya)基準Vref＝2．048V，由(you)基準芯(xin)片提供(gong)，code爲微處(chu)理器控(kong)制的電(dian)壓值📧大(da)小，範圍(wei)爲0～255。此電(dian)路輸出(chu)電壓範(fan)圍Vout：0～4．096V。
2．3阻抗(kang)測量模(mo)塊
　　最後(hou)介紹阻(zu)抗測量(liang)模塊電(dian)路。由電(dian)流源将(jiang)電流輸(shu)出🔆至負(fu)載（傳💛感(gan)器兩電(dian)極）端，并(bing)對電極(ji)端電勢(shi)信号進(jin)行采集(ji)。該電勢(shi)信号采(cai)集由微(wei)處理器(qi)A/D轉換模(mo)塊實現(xian)，輸入電(dian)壓範圍(wei)爲0V～3．3V，因此(ci)需對電(dian)極端電(dian)勢信号(hao)做電壓(ya)轉🧡換以(yi)滿足🧡微(wei)處理器(qi)A/D模塊的(de)輸入電(dian)壓範圍(wei)，電壓轉(zhuan)換電路(lu)如圖5所(suo)示。

　　如圖5所(suo)示，傳感(gan)器電極(ji)端電勢(shi)用Vin表示(shi)。在此信(xin)号被送(song)至微處(chu)理器A/D模(mo)塊之前(qian)，對電壓(ya)值進行(hang)調整。考(kao)慮傳感(gan)器空管(guan)時，電極(ji)端電勢(shi)兩種飽(bao)和狀态(tai)，Vin變化範(fan)圍－6V～＋6V。爲了(le)㊙️避免模(mo)塊輸出(chu)端電壓(ya)🧡值超過(guo)微處理(li)器最大(da)輸入範(fan)圍，令此(ci)電路滿(man)足公式(shi)：

1）當電流(liu)爲流入(ru)電極方(fang)向，若管(guan)道飽和(he)，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當電流(liu)爲流出(chu)電極方(fang)向，若管(guan)道飽和(he)，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按公式(shi)（15）進行電(dian)♋壓㊙️匹配(pei)，可以确(que)保無論(lun)電流方(fang)向正負(fu)，管道空(kong)管💯時信(xin)号飽和(he)的✊情況(kuang)下，輸入(ru)微處理(li)器的電(dian)勢信号(hao)♍不超過(guo)其阈值(zhi)。下面對(dui)電路阻(zu)值進行(hang)計算，電(dian)路總輸(shu)出電勢(shi)爲：

　　由負(fu)載端電(dian)壓和負(fu)載電流(liu)值，可以(yi)得電極(ji)對地等(deng)效阻抗(kang)值RL，将RL與(yu)保存于(yu)微處理(li)器中空(kong)管報警(jing)判斷的(de)阈🌈值進(jin)💯行比🏃‍♀️較(jiao)，即實現(xian)對傳感(gan)器管道(dao)情況判(pan)斷。
3結束(shu)語
　　相比(bi)于現有(you)方法，電(dian)磁流量(liang)計使用(yong)電流源(yuan)形式的(de)附加激(ji)勵模塊(kuai)，受傳感(gan)器負載(zai)類型影(ying)響小，有(you)更廣的(de)适用範(fan)圍和更(geng)高的可(ke)靠性。

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