化工汙水流量計勵磁系統研製的實驗與測試

摘要▩☁：為了提高方波勵磁頻率◕✘，以便在漿液測量中克服漿液噪聲的影響◕✘，提出基於能量回饋和電流旁路的化工汙水流量計高低壓勵磁控制方案↟₪◕◕。透過採用高低壓切換的方式◕✘，加快方波勵磁過程中勵磁電流的恆流控制響應速度；引入電流旁路電路◕✘，實現勵磁電流的響應超調；採用能量回饋電路降低電路能耗↟₪◕◕。經實驗驗證◕✘，該勵磁系統能夠顯著加快勵磁電流的響應速度◕✘，恆流控制響應速度提升400%◕✘，勵磁電路工作穩定可靠◕✘，勵磁恆流控制精度高◕✘，系統的能量回饋電路效率達78.2%↟₪◕◕。
1▩│◕╃、引言
目前◕✘，化工汙水流量計大多采用低頻矩形波勵磁方式◕✘，以使感測器輸出訊號獲得較長時間的平穩段◕✘，保證其測量精度↟₪◕◕。當測量漿液流量時◕✘，由於漿液中的固體顆粒劃過電極表面◕✘，導致感測器輸出訊號跳變◕✘，該跳變即為漿液噪聲↟₪◕◕。研究發現◕✘，漿液噪聲的特性滿足1/f分佈↟₪◕◕。所以◕✘，為了減小漿液噪聲對輸出訊號的影響◕✘，要求提高勵磁頻率↟₪◕◕。然而◕✘，由於化工汙水流量計的勵磁線圈為感性負載◕✘，提高勵磁頻率將會造成勵磁電流在半勵磁週期內的穩定段變短◕✘，不利於流量的測量↟₪◕◕。特別是當勵磁線圈的電感值較大時◕✘，若提高勵磁頻率◕✘，就有可能使勵磁電流無法進入穩態◕✘，從而無法進行流量的測量↟₪◕◕。國外大多采用PWM反饋控制或在H橋低端設定恆流電晶體來進行恆流控制↟₪◕◕。前一種方法的電流響應速度較慢◕✘，且電流紋波較嚴重；後一種方法由於恆流控制電路會造成H橋低端電壓波動較大◕✘，不利於H橋的開關控制↟₪◕◕。國內生產企業大多采用國外較為落後勵磁技術◕✘，勵磁電流在51ms左右才進入穩態◕✘，因此勵磁頻率難以提高◕✘，頻率多為2.5～5Hz↟₪◕◕。為此◕✘，國內也進行了勵磁方法的相關改進研究◕✘，文獻提出了基於線性電源的勵磁控制方案◕✘，文獻提出了基於高低壓電源切換的勵磁控制方案↟₪◕◕。基於線性電源的勵磁控制方案僅適用於勵磁線圈電感值相對較小的感測器的高頻勵磁↟₪◕◕。高低壓電源切換勵磁控制方案則由於採用更高壓電源加速電流響應速度◕✘，能在一定程度上提高勵磁頻率↟₪◕◕。但是◕✘，文獻披露的高低壓電源切換的勵磁控制方案◕✘，對於勵磁線圈電感值較大的感測器◕✘，勵磁電流響應速度難以進一步提高◕✘，從而限制了勵磁頻率進一步提高的可能↟₪◕◕。並且勵磁方向切換時◕✘，勵磁線圈中儲存的電能全部由洩放電路消耗掉◕✘，能量利用率低◕✘，造成能量浪費和電路溫升↟₪◕◕。特別是勵磁線圈電感值較大時◕✘，電路能耗更大◕✘，不利於電路長期穩定工作↟₪◕◕。
為此◕✘，針對高低壓勵磁方式◕✘，提出具有能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案↟₪◕◕。為了加快勵磁電流的響應速度◕✘，採用旁路勵磁電路與恆流控制電路相結合的勵磁方式◕✘，進一步改善高壓段勵磁效果◕✘，加速勵磁電流進入穩態；為了提高能量利用率◕✘，減小系統發熱◕✘，引入能量回饋電路↟₪◕◕。
2▩│◕╃、實驗與測試
勵磁系統研製完成後◕✘，對其效能進行測試▩☁：1)對於高頻勵磁◕✘，要求勵磁電流進入穩態所需時間短▩│◕╃、響應速度快◕✘，考察勵磁電流進入穩態的響應時間↟₪◕◕。2)對於能量回饋電路◕✘，主要測試其對線圈中能量的吸收與回饋的效率↟₪◕◕。3)為了說明旁路電路對勵磁電路的勵磁效果的改善◕✘，則對比採用旁路電路勵磁前後◕✘，勵磁電流進入穩態的響應時間↟₪◕◕。4)為了考察恆流控制電路輸出的勵磁電流在一段時間內的波動情況◕✘，進行了勵磁電流長期穩定性測試↟₪◕◕。由於在實際測量時◕✘，流過感測器的被測流體的流速◕✘，與勵磁電流流過勵磁線圈建立的磁場場強度成正比◕✘，為了使感測器獲得平穩的訊號輸出◕✘，要求勵磁線圈中的勵磁電流在進入穩態後波動值較小↟₪◕◕。
2.1 勵磁電流響應時間效能測試
將1臺50mm口徑的化工汙水流量計一次儀表安裝在水流量標定裝置上進行方波勵磁實驗↟₪◕◕。該一次儀表勵磁線圈的直流電阻為45Ω◕✘，電感值約為1.14H↟₪◕◕。實驗中◕✘，採用DPO4054B示波器對勵磁系統的勵磁電流訊號進行監測↟₪◕◕。
首先◕✘，採用某公司生產的二次儀表匹配一次儀表進行勵磁↟₪◕◕。該二次儀表採用在H橋低端設定恆流電晶體進行恆流控制的方法◕✘，其勵磁曲線結果如圖6所示◕✘，勵磁頻率為3.125Hz◕✘，勵磁方式為三值波勵磁◕✘，勵磁電流大約在51.16ms左右進入穩態◕✘，勵磁電流穩態段波動較大↟₪◕◕。
其次◕✘，採用本文研製的二次儀表匹配一次儀表進行勵磁↟₪◕◕。勵磁電流穩態值設定為178mA◕✘，遲滯比較電路的閾值上限設定為205mA◕✘，閾值下限設定為165mA↟₪◕◕。方波勵磁頻率設為12.5Hz◕✘，低壓勵磁電源設定為17V↟₪◕◕。示波器採集繪製得到的勵磁結果曲線如圖7所示↟₪◕◕。其中圖(a)為勵磁電流曲線；圖(b)為恆流控制電路中◕✘，恆流源的輸入輸出端電壓幅值曲線；圖(c)為單路勵磁時序控制訊號↟₪◕◕。從曲線(b)可以看到◕✘，在勵磁系統切換至低壓供電時◕✘，由於三端穩壓晶片的負載感抗較大◕✘，其輸出調節需經歷過渡過程◕✘，待輸入輸出壓差穩定後◕✘，勵磁電流隨後進入穩態◕✘，進入穩態所需時間約為13ms↟₪◕◕。

經過對比上述實驗結果可知◕✘，相對於某公司採用的在H橋低端設定恆流電晶體進行恆流控制的方法◕✘，本文研製的勵磁系統◕✘，勵磁電流響應速度提升4倍◕✘，從而保證勵磁電流在勵磁週期內具有較長的穩定段◕✘，並保證感測器輸出訊號的零點穩定性↟₪◕◕。綜上◕✘，本系統可以顯著提高勵磁頻率↟₪◕◕。


2.2 能量回饋效率效能測試
由圖7曲線結合圖2可知◕✘，在勵磁方向切換後◕✘，檢流電路檢測到的圖7(a)中的勵磁電流瞬間為負◕✘，此時勵磁線圈處於電能洩放狀態並向能量反饋電路中的儲能電容充電↟₪◕◕。由於儲能電容充電◕✘，高▩│◕╃、低壓切換電路的輸出電壓從80V逐漸升高；待勵磁線圈能量洩放完即勵磁電流為零時◕✘，儲能電容兩端電壓達到最高86V並開始放電◕✘，勵磁電流開始上升；儲能電容電壓降低至80V時◕✘，高低壓切換電路趨於80V的穩定輸出狀態◕✘，此時勵磁電流繼續上升；待勵磁電流上升至設定的超調量205 mA後◕✘，遲滯比較電路控制高低壓切換電路切換至17V低壓源作為勵磁工作電源◕✘，恆流電路在17V低壓源輸入下進行恆流控制輸出↟₪◕◕。
根據測得的勵磁電流和儲能電容的電壓訊號◕✘，參考電感和電容的能量計算公式◕✘，可計算得到勵磁方向切換時勵磁線圈洩放的能量約為0.01972J◕✘，儲能電容儲存和回饋的能量約為0.01542J◕✘，能量回饋效率達到78.2%◕✘，相較於現有技術中勵磁線圈中能量直接由能量洩放回路消耗掉而言◕✘，大幅提高了能量的利用效率◕✘，並能避免電路溫升◕✘，從而保證系統可靠工作↟₪◕◕。
2.3 旁路電路效能測試實驗
為比較電流旁路電路對勵磁恆流控制的影響◕✘，將遲滯比較電路對電流旁路電路的控制斷開◕✘，即電流旁路電路始終處於斷開狀態↟₪◕◕。另外為保證勵磁電流達到穩態後高低壓切換電路能正常切換至低壓◕✘，遲滯比較電路的滯環閾值上限設定為172mA◕✘，低於勵磁電流穩態設定值；閾值下限為112mA↟₪◕◕。針對50mm口徑的化工汙水流量計一次儀表◕✘，採用25Hz方波勵磁的結果曲線如圖8所示↟₪◕◕。將圖7所示實驗結果曲線進行區域性放大如圖9所示↟₪◕◕。由圖8可知◕✘，在勵磁電流上升至遲滯比較電路滯環閾值上限後◕✘，高低壓切換電路立刻切換低壓源◕✘，作為勵磁工作電源給恆流控制電路↟₪◕◕。在輸入掉壓瞬間◕✘，由於恆流控制電路中的三端線性穩壓器自身的工作特性◕✘，導致輸出電流也出現瞬間波動↟₪◕◕。最後◕✘，恆流控制電路在低壓源供電的情況下◕✘，控制輸出勵磁電流增大至穩態設定值↟₪◕◕。

實驗結果表明◕✘，高壓源向低壓源切換後◕✘，三端穩壓器的工作特性致使的電流波動和低壓源供電情況下的恆流控制◕✘，會大幅延長勵磁電流的穩態響應時間↟₪◕◕。圖8所示勵磁電流約在17ms左右進入穩態◕✘，圖9所示勵磁電流的穩態響應時間約為12ms↟₪◕◕。這表明◕✘，在採用三端穩壓器搭建恆流控制電路的情況下◕✘，電流旁路電路能有效克服三端穩壓器工作特性的影響◕✘，並能方便的實現電流超調◕✘，加快勵磁電流的響應速度↟₪◕◕。


2.4 勵磁電流長期執行穩定性測試
為了評測所研製勵磁系統長期執行穩定性和電流精度◕✘，本文進行了長時間執行測試實驗◕✘，實驗時間為72h↟₪◕◕。實驗中仍採用50mm口徑的化工汙水流量計一次儀表◕✘，勵磁電流設為178mA◕✘，勵磁頻率設為12.5Hz↟₪◕◕。實驗時◕✘，勵磁電流幅值透過化工汙水流量計二次儀表的訊號調理採集模組◕✘，轉換成數字訊號送給DSP↟₪◕◕。DSP每隔18s將一個勵磁電流平穩段的取樣點資料儲存至外擴的64kW的SARAM中↟₪◕◕。72h的勵磁電流採集結果如圖10所示↟₪◕◕。

由圖可知◕✘，勵磁系統在上電工作後需要大約2,h進行預熱◕✘，隨後勵磁電流進入穩態◕✘，系統工作穩定↟₪◕◕。不考慮系統預熱過程◕✘，由採集得到的勵磁電流資料計算可得勵磁電流在72h內的波動率約為0.0156%◕✘，從而表明該勵磁系統在長時間執行下能夠可靠穩定工作↟₪◕◕。
2.5 水流量標定實驗
為了評測系統的實際應用效果◕✘，進行了水流量標定實驗↟₪◕◕。分別針對50mm口徑與100mm口徑的感測器進行標定↟₪◕◕。系統勵磁方式採用方波勵磁◕✘，勵磁頻率為12.5Hz◕✘，管道最大流速為7m/s左右◕✘，最小流速為0.3 m/s左右◕✘，標定結果如表1所示↟₪◕◕。

由標定結果可知◕✘，所研製的化工汙水流量計系統針對50mm口徑的水流量標定示值誤差小於0.41%◕✘，重複性誤差小於0.11%↟₪◕◕。針對100mm口徑的水流量標定示值誤差小於0.21%◕✘，重複性誤差小於0.12%↟₪◕◕。據此可知◕✘，所研製的化工汙水流量計系統針對50mm與100mm口徑的水流量標定精度均優於0.5級↟₪◕◕。
3▩│◕╃、結論
1) 由能量回饋效率效能測試實驗可知◕✘，採用能量回饋電路對勵磁方向切換後◕✘，線圈中剩餘的能量進行儲存並利用◕✘，該方法較於國內普遍透過轉化為熱量進行消耗的方法而言◕✘，能夠提高系統78.2%的能量利用效率◕✘，降低電路能量耗散◕✘，保證電路長期可靠工作↟₪◕◕。
2) 由勵磁電流響應時間效能測試以及旁路電路效能測試實驗可知◕✘，相較於PWM反饋控制的方法或是在H橋低端設定恆流電晶體進行恆流控制的方法◕✘，採用電流旁路電路的高低壓勵磁方式能夠使得勵磁電流產生響應超調◕✘，加快恆流控制的響應速度◕✘，使得勵磁電流響應時間從51ms縮短到12ms◕✘，恆流控制響應速度提升至400%◕✘，從而有利於進一步提高化工汙水流量計的勵磁頻率◕✘，減小漿液測量中的漿液干擾↟₪◕◕。
3) 由勵磁電流長期執行穩定性測試實驗可知◕✘，較於採用PWM反饋控制方法◕✘，勵磁電流穩態段紋波嚴重◕✘，研製的勵磁系統72h內勵磁電流波動率為0.0156%◕✘，從而表明長時間執行下◕✘，本系統能夠穩定可靠工作且勵磁電流波動率較小↟₪◕◕。
4)由水流量標定實驗可知◕✘，針對50mm與100mm口徑感測器◕✘，標定示值誤差小於0.41%◕✘，重複性誤差小於0.11%◕✘，表明研製的勵磁系統能夠為化工汙水流量計的高精度測量提供保證↟₪◕◕。

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