電磁(ci)流量計 傳感器(qì)的空管狀态指(zhi)管道未被液體(tǐ)充滿，導緻電極(ji)🤩部分或全部裸(luǒ)露于空氣中，該(gāi)狀态下儀表示(shì)數不規則，無法(fǎ)正确顯示流♍量(liang)值［1］。
　　現階段電磁(cí)流量計實現對(dui)空管狀态的檢(jian)測，主要㊙️有增加(jiā)☁️電極、參數提取(qu)和附加激勵三(sān)種方法［2－3］。增加電(dian)極的方法需對(duì)管❌道進行改造(zào)，在實際使用中(zhōng)可行性不💃🏻高；參(cān)數提取通👅過測(ce)量疊加于流量(liàng)信号上的微分(fen)幹🈲擾和工頻幹(gàn)擾兩種信号，實(shi)現☔對管道的🚶‍♀️狀(zhuang)态判斷。由于幹(gan)擾信号幅值受(shòu)工況環境影響(xiǎng)大🏃🏻‍♂️，該方法适用(yong)範圍較小；附加(jia)激勵源的方法(fǎ)又分爲電壓源(yuán)和👨‍❤️‍👨電流源兩類(lèi)，電壓源輸出✏️阻(zǔ)抗小，并聯于🌈電(dian)🔴極回路，使儀表(biǎo)放大器輸入阻(zu)抗減小，影響流(liú)量信号。電流源(yuán)輸出阻抗高，對(dui)流量信号的影(yǐng)響可忽🔱略，但電(diàn)流源輸出電流(liu)值不應過大，且(qie)電流方向應㊙️可(ke)以改變以避免(mian)電極極化引起(qi)的零點漂移問(wèn)題［4］。
　　爲了實現對(dui)傳感器空管狀(zhuang)态更準确、可靠(kào)的報警功能，一(yī)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼種電流源激勵(lì)形式的電磁流(liú)量計空管檢測(cè)模塊。
1電流源附(fu)加激勵下傳感(gan)器電極回路模(mó)型
　　圖1爲電流源(yuan)附加激勵下的(de)傳感器電極回(huí)路模型圖，E爲磁(ci)場作🌍用下表征(zhēng)流速信号的感(gǎn)應電動勢，RL爲測(ce)量💚電極對地等(deng)效電阻，Ri爲儀表(biao)放大器的輸入(ru)電🌍阻，Ie爲電流源(yuán)。

　　電流源模(mó)塊與傳感器電(diàn)極回路并聯，由(yóu)電流源輸出阻(zu)抗無窮🏃🏻‍♂️大特性(xing)可知，電流源模(mo)塊不對流量信(xìn)号大小産生影(ying)⚽響。考慮實際使(shi)用情況下，不同(tóng)流體類型的流(liu)體阻抗大小不(bu)一，對于低電導(dao)率類型流體，其(qi)流體阻抗大，爲(wei)避免采樣電勢(shì)信号飽和，電流(liú)源輸出值應根(gen)據流體類型大(da)小可調，且輸出(chu)電流大小在微(wei)安❌級。另外，爲了(le)避免電極長時(shí)間受👨‍❤️‍👨同一方向(xiàng)電流影響而産(chan)生電🧑🏽‍🤝‍🧑🏻極極化反(fǎn)應，導緻儀表零(líng)點漂移影響儀(yi)表精度，電流源(yuán)流向需可控。
　　綜(zōng)上所述，爲實現(xiàn)電流源附加激(ji)勵形式的空管(guǎn)檢測模塊能🏃🏻夠(gou)準确實現空管(guǎn)報警功能，電流(liú)源需滿足如下(xià)三點約⛹🏻‍♀️束條件(jian)：微弱電流值恒(heng)流、電流方向可(ke)控、電流值可控(kong)。
2空管檢測模塊(kuài)系統框架

　　如圖2所示(shi)，空管檢測模塊(kuài)系統由精密電(dian)流源、電流控制(zhì)電🔱路、阻抗測量(liàng)模塊三部分組(zu)成。其中，精密電(dian)流源輸出恒定(ding)👨‍❤️‍👨電流；電流控制(zhì)電路實現對電(diàn)流源輸出電流(liu)大小🌈和方向控(kòng)制；阻🐉抗測量模(mo)塊對電極電勢(shi)進行采樣與電(dian)勢調整，後送入(rù)微處❌理器進行(háng)空管判斷。下面(mian)分别對三部分(fèn)電路設🔞計進行(háng)介紹❓。
2．1精密電流(liú)源電路設計
　　電(dian)流源并聯于傳(chuan)感器電極回路(lù)，爲了不影響流(liu)量信⛱️号采🏃‍♂️集，電(dian)流源内阻應爲(wèi)高阻抗。如圖3，Vi1、Vi2爲(wèi)輸入電🧑🏽‍🤝‍🧑🏻壓，VL爲負(fu)載端電壓，io爲✉️電(diàn)流🐇源輸出，A1、A2爲運(yun)算放大器。

　　令isc爲負(fù)載短路電流，Ro爲(wèi)恒流源等效内(nèi)阻大小。由諾頓(dun)定理🔴，求負載短(duǎn)路下電路的短(duan)路電流［5］：

　　由上述(shu)推導可知，電流(liu)源輸出阻抗無(wú)窮大，輸出電🌏流(liu)🚶大小🌈僅🚶由輸入(rù)電壓Vi1、Vi2和輸出電(dian)阻R決定，滿足空(kong)管🐪檢測模塊♊設(shè)計要求。電路的(de)不足在于，運算(suan)放大器輸入端(duan)易受外部信号(hào)幹擾，故采用三(san)運算放大器結(jie)構替代差分放(fàng)大結構。在實⭐際(jì)設計電路時，使(shǐ)用儀表放大器(qì)INA118替代圖3中運算(suàn)放大器A1，儀表放(fàng)大器INA118優點在于(yú)：
1）共模抑制比，輸(shu)入阻抗高達1010Ω；
2）低(dī)輸入偏置電流(liú)，最大值爲10nA；
3）内部(bù)精密電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較寬(kuan)的增益調節範(fàn)圍，爲1～10000。
　　反饋運放(fàng)A2使用低輸入偏(piān)置電流運算放(fang)大器，使流入運(yun)放A2的損失電流(liú)可忽略不計。根(gēn)據電路知識，使(shi)用儀✂️表放大器(qi)INA118和運放OPA602後電路(lu)輸出電流值：

　　RG爲(wei)增益電阻，改變(bian)RG大小即可設定(dìng)電流源輸出電(dian)流值。電流源🏃‍♂️輸(shū)出電流方向由(yóu)兩輸入端決定(ding)，當Vi1－Vi2＞0時，輸🐉出電♋流(liu)流入負載；當Vi1－Vi2＜0時(shí)，電流從負載流(liú)入儀表放大器(qi)。
2．2電流控制電路(lù)
　　電流控制電路(lù)主要用于設定(ding)電流源輸出電(diàn)流值大小以及(jí)電流方向切換(huan)頻率。爲匹配不(bú)同類型的👨‍❤️‍👨傳感(gǎn)器，電♋路應📧具有(you)電流值大小調(diào)整能力。該功能(néng)使用D/A轉換芯片(piàn)TLV5625實現，其💁特點如(ru)✊下：
1）雙通道、低功(gong)耗、8位電壓輸出(chū)型數模轉換器(qi)，軌對軌🔱輸出
2）可(ke)采用多種通訊(xùn)接口，如SPI、TMS320。在D/A芯片(pian)後增加模拟開(kāi)關以✊保證電流(liu)源能夠按微處(chù)理器設置頻率(lü)進行開關控制(zhi)，電流控制電路(lu)如圖4所示。

　　D/A轉換芯片TLV5625采用(yong)SPI通訊方式，MCU＿DIN爲數(shu)據信号，MCU＿SCLK爲時鍾(zhōng)信号，MCU＿CS爲片🐪選信(xìn)号👈。芯片輸出電(dian)壓：

　　其中，電壓基(ji)準Vref＝2．048V，由基準芯片(pian)提供，code爲微處理(lǐ)器控制💯的電🔴壓(yā)值大小，範圍爲(wei)0～255。此電路輸出電(diàn)壓範圍Vout：0～4．096V。
2．3阻抗測(cè)量模塊
　　最後介(jiè)紹阻抗測量模(mó)塊電路。由電流(liú)源将電流輸出(chū)至負載（傳♈感器(qi)兩電極）端，并對(dui)電極端電勢信(xìn)号進行采集。該(gai)電勢信㊙️号采🐆集(ji)由微處理器A/D轉(zhuan)換模塊實現，輸(shū)💰入電壓範圍爲(wèi)☀️0V～3．3V，因此需對電極(jí)端電勢信号做(zuo)電壓轉✔️換以滿(man)足微處理器⛱️A/D模(mó)塊的輸入電壓(yā)範圍，電壓轉換(huàn)電路如圖5所示(shi)。

　　如圖5所示(shi)，傳感器電極端(duan)電勢用Vin表示。在(zai)此信号被送♊至(zhì)微處理✨器A/D模塊(kuài)之前，對電壓值(zhí)進行調整。考慮(lǜ)傳感器空管時(shi)，電極端電🌍勢兩(liǎng)種飽和狀态，Vin變(bian)化範圍－6V～＋6V。爲了避(bì)免模塊輸出端(duan)電壓‼️值超過微(wēi)處理器最大輸(shū)入範圍，令此電(diàn)路滿足公式：

1）當(dang)電流爲流入電(dian)極方向，若管道(dào)飽和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當電流爲(wei)流出電極方向(xiàng)，若管道飽和，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按(àn)公式（15）進行電壓(ya)匹配⚽，可以确保(bao)無論電流方向(xiang)正負，管道空管(guǎn)時信号飽和的(de)情況🆚下，輸入微(wēi)處理器的電勢(shi)信号不超過其(qí)阈值。下面對📐電(diàn)路阻值進行🈚計(ji)算，電路總輸出(chu)電勢🍓爲：

　　由負載(zai)端電壓和負載(zai)電流值，可以得(de)電極對地等效(xiào)🐇阻抗值💯RL，将RL與保(bǎo)存于微處理器(qì)中空管報警判(pàn)斷🔅的阈值進行(háng)比較，即實現對(dui)傳感器管道情(qíng)況判斷。
3結束語(yǔ)
　　相比于現有方(fang)法，電磁流量計(ji)使用電流源形(xing)式的附加激🌈勵(li)模塊，受傳感器(qi)負載類型影響(xiang)小，有更廣的适(shì)用範圍和更高(gao)的可🌂靠性。

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