電磁流量計(jì)勵(lì)磁方式的種類分析
人們開始研究電磁流量計(jì)時(shí)，最先想到使用的勵(lì)磁磁場(chǎng)自然是直流磁場(chǎng)，后來又發(fā)明了正弦波交流磁場(chǎng)、低頻矩形波磁場(chǎng)、三值低頻矩形磁場(chǎng)以及雙頻矩形波磁場(chǎng)等。它們的磁場(chǎng)理想波形如圖7-3所示
直流勵(lì)磁技術(shù)是最初的電磁流量計(jì)采用的勵(lì)磁技術(shù)，它是利用永磁體或者直流電源給電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組供電，以形成恒定的直流磁場(chǎng)，磁場(chǎng)波形如圖7-3a所示。
直流勵(lì)磁技術(shù)具 有方法簡單可靠，受工頻干擾影響很小以及流體中的自感現(xiàn)象可以忽略不計(jì)等特點(diǎn)。但是， 直流勵(lì)磁技術(shù)的最大問題是直流感應(yīng)電勢(shì)在兩電極表面上形成固定的正負(fù)極性，引起被測(cè)流 體介質(zhì)點(diǎn)解而產(chǎn)生正負(fù)離子，導(dǎo)致電極表面極化現(xiàn)象，使感生的流量信號(hào)電勢(shì)減弱，電極間 等效電阻增大，同時(shí)出現(xiàn)電極極化電勢(shì)漂移，嚴(yán)重影響信號(hào)處理部分的工作。即使電極采用 極化電勢(shì)很小的鉑、金等貴重金屬或其合金材料，常常也存在微弱的極化電勢(shì)，同時(shí)儀表的 制造成本也較高。另外，直流勵(lì)磁在電極間產(chǎn)生不均衡的電化學(xué)干擾電勢(shì)疊加在直流流量信號(hào)中，無法消除，并隨著時(shí)間的變化、流體介質(zhì)特性以及流動(dòng)狀態(tài)而變化。第三，直流放大 器的零點(diǎn)漂移、噪聲和穩(wěn)定性問題難以獲得很好解決，特別是在小流量測(cè)量時(shí)，信號(hào)放大器 的直流穩(wěn)定度必須在幾分之一微伏之內(nèi)，這樣就限制了直流勵(lì)磁技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前直流 勵(lì)磁技術(shù)僅在原子能工業(yè)中用于電導(dǎo)率極高，而又不產(chǎn)生極化效應(yīng)的液態(tài)金屬流量測(cè)量中。
工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)
工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)是利用正弦波工頻（50Hz）電源給電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組供電，其主 要特點(diǎn)是產(chǎn)生的磁場(chǎng)為一正弦波交變磁場(chǎng)，如圖7-3b所示。這種勵(lì)磁方式能夠基本上消除電 極表面的極化現(xiàn)象，降低電極電化學(xué)電勢(shì)的影響和傳感器內(nèi)阻。另外，采用工頻正弦波勵(lì)磁 技術(shù)，其傳感器輸出的流量信號(hào)仍然是工頻正弦波信號(hào)，易于放大處理，能避免直流放大器 存在的實(shí)際困難。而且勵(lì)磁電源簡單方便。 在工頻正弦波勵(lì)磁方式中，交流磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bmsinωt在電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)為
被測(cè)體積流量為
式中 Bm是交變磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值；w是勵(lì)磁電流角頻率，w=2πf；f是勵(lì)磁電源頻率。 值得注意的是，工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)的采用會(huì)帶來一系列電磁干擾和噪聲。 首先是電磁感應(yīng)產(chǎn)生正交干擾（又稱90°干擾），一般認(rèn)為正交干擾是由“變壓器效應(yīng)”造 成的。在電磁流量傳感器中，由于電極、引線、被測(cè)介質(zhì)和電磁流量轉(zhuǎn)換器的輸入電路構(gòu)成 的閉合回路處在一交變的磁場(chǎng)中，所以，即使被測(cè)介質(zhì)不流動(dòng)，處于該交變磁場(chǎng)中的閉合回 路也會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)ρ1和感生電流，顯然，這是一干擾電勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，該干擾電動(dòng)勢(shì) 與磁場(chǎng)對(duì)時(shí)間的變化率的負(fù)值正正比。即
這就是正交干擾信號(hào)電勢(shì)，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。
1、與流量無關(guān)，即使流體靜止不動(dòng)，這樣的信號(hào)依然存在；
2、在相位上比流量信號(hào)滯后90°，故也稱90°干擾；
3、勵(lì)磁電流頻率越高，正交干擾也越嚴(yán)重，實(shí)際應(yīng)用中，正交干擾信號(hào)可以遠(yuǎn)大于流量信 號(hào)。 所以如何克服正交干擾電勢(shì)的影響是工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)的主要課題。 其次是同相干擾，是指同時(shí)出現(xiàn)在傳感器兩個(gè)電極上，頻率和相位都和流量信號(hào)一致的干擾 信號(hào)。一般認(rèn)為是靜電感應(yīng)，絕緣電阻分壓以及傳感器管道上的雜散電流所引起。如圖7-4 所示，傳感器的勵(lì)磁線圈對(duì)電極A和B不僅存在著絕緣電阻Rm，同時(shí)還存在著分布電容Cf。 設(shè)兩電極之間的內(nèi)阻為Rs，則勵(lì)磁電壓U通過絕緣電阻和分布電容與傳感器內(nèi)阻分壓，在兩電極上同時(shí)產(chǎn)生壓降。
設(shè)勵(lì)磁電壓為U=Umsinωt，則在Cf上產(chǎn)生的容抗為
Rc和Rm并聯(lián)，如果Rm》Rc，則得總阻抗R約為Rc。這樣，R和內(nèi)阻Rs/2對(duì)勵(lì)磁電壓U進(jìn)行 分壓，在電極上將得到由分布電容Cf串進(jìn)的干擾電壓e2為
由于同相干擾信號(hào)的頻率和相位與流量信號(hào)完全一致，疊加在流量信號(hào)中難以消除，以至電 磁流量計(jì)零點(diǎn)不穩(wěn)定。 第三是工頻正弦波供電電源存在電源電壓和頻率的波動(dòng)，由式（7-5）可知，電壓和頻率分 布影響B(tài)m和ω，從而造成對(duì)測(cè)量的影響。 實(shí)際應(yīng)用中，雖然已采取相敏整流、嚴(yán)格的電磁屏蔽和線路補(bǔ)償、電源補(bǔ)償、自動(dòng)正交抑制 系統(tǒng)等技術(shù)措施以消除與流量信號(hào)頻率一致的工頻干擾電壓，但由于正交干擾信號(hào)電勢(shì)往往 有較大幅值，自動(dòng)正交抑制系統(tǒng)等抗干擾措施不可能完全消除干擾信號(hào)，從而導(dǎo)致電磁流量 計(jì)零點(diǎn)的不穩(wěn)定，測(cè)量精度難以提高。這就是工頻正弦波勵(lì)磁方式對(duì)電磁流量計(jì)的限制，使 得電磁流量計(jì)的性能很難進(jìn)一步提高。
低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)
低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)是結(jié)合了直流勵(lì)磁和交流勵(lì)磁技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了它們?nèi)秉c(diǎn)的一種 勵(lì)磁技術(shù)。20世紀(jì)70年代以來，隨著集成電流技術(shù)和同步采樣技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化，低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在電磁流量計(jì)中得到廣泛實(shí)用。它的勵(lì)磁磁場(chǎng)波形如圖7-3c和d所示，其頻率通常為工頻的偶數(shù)分之一（一般為1/2-1/32）。70年代前期以單極性低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)為主，后期以雙極性低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)為主而開始其工業(yè)應(yīng)用。從圖7-3中可以看到，在半個(gè)周期內(nèi)，磁場(chǎng)是一恒穩(wěn)的直流磁場(chǎng)，它具有直流勵(lì)磁技術(shù)受電磁干擾影響小，不產(chǎn)生渦輪效應(yīng)、正交干擾和同相干擾小等特點(diǎn)；從整個(gè)時(shí)間過程看，矩形波信號(hào)又是一個(gè)交變信號(hào)，具有正弦波勵(lì)磁技術(shù)基本不產(chǎn)生極化現(xiàn)象，便于放大和處理信號(hào)，避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問題的優(yōu)點(diǎn)。所以低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)具有良好的抗干擾性能，在電磁流量計(jì)中已得到廣泛應(yīng)用。 低頻矩形波勵(lì)磁中，由于勵(lì)磁電流矩形波存在上升沿和下降沿，根據(jù)式7-6，在上升沿和下降沿處，必然也存在正交干擾（微分干擾）。其沿越陡，微分干擾電勢(shì)越大，但很快就會(huì)消失，形成一很窄的尖峰脈沖；上升沿和下降沿變化越緩慢，則微分干擾越小，但經(jīng)歷時(shí)間越長。如何消除上升沿和下降沿處的微分干擾，是低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)要解決的主要問題之一。由于一般電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組中電感和電阻的比值L/R往往較小。隨著勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，微分干擾也很快能自動(dòng)消失。所以，為了排除微分干擾對(duì)流量信號(hào)的影響，通常在勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的恒定階段（即矩形波的平頂部分）后，再對(duì)流量信號(hào)電壓進(jìn)行同步采樣，如圖7-5所示。
這樣，微分干擾信號(hào)不能進(jìn)入同步采樣，因此也不影響流量信號(hào)輸出。此外，同步采樣脈沖相對(duì)工頻來說是一寬脈沖，并選擇為工頻周期或工頻周期的整數(shù)倍，如圖7-5e所示，這樣，即使流量信號(hào)中混有工頻干擾信號(hào)，因其采樣時(shí)間為完整的工頻周期，其平均值為零，工頻干擾電壓不起作用。另一方面，由于勵(lì)磁頻率低，渦電流很小，靜電耦合分布電容的影響小，所以，由于靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的同相干擾也大大減小。綜上所示，低頻以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
1、 能避免正弦波交流磁場(chǎng)的正交干擾；
2、 基本消除由分布電容引起的工頻干擾；
3、 能抑制交流磁場(chǎng)在管壁和流體內(nèi)引起的渦電流；
4、 能消除直流磁場(chǎng)的極化現(xiàn)象。 低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)的采用，解決了長期困擾電磁流量計(jì)的電磁干擾問題，大大提高了電磁 流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量精度，縮小傳感器的體積，降低勵(lì)磁功率，使轉(zhuǎn)換器和傳感器一 體化，提高電磁流量計(jì)的整體性能，拓寬了電磁流量計(jì)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
勵(lì)磁技術(shù)的新發(fā)展
三值低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)
三值低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)是人們?cè)诳偨Y(jié)低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了使儀表零點(diǎn)更穩(wěn) 定而提出的一種勵(lì)磁技術(shù)，磁場(chǎng)波形如圖7-3e所示。其最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)在零態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)校正 零點(diǎn)，因而具有更優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性。 三值低頻矩形波勵(lì)磁方式的勵(lì)磁電流一般采用工頻的1/8頻率，以+B，0，-B三值進(jìn)行勵(lì) 磁，通過對(duì)正一零一負(fù)一零一正變化規(guī)律的三種狀態(tài)進(jìn)行采樣和處理，如圖7-6所示。
其首要的特點(diǎn)是能在零態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)校正零點(diǎn)，有效地消除了流量信號(hào)的零位噪聲，從而大大提 高了儀表零位的穩(wěn)定性；其次，它與低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)一樣，可以采用同步采樣技術(shù)來消 除上升沿和下降沿處的微分干擾；采用寬脈沖采樣以消除混在流量信號(hào)中的工頻干擾信號(hào)； 第三，它可以通過一個(gè)周期內(nèi)的四次采樣值，近似認(rèn)為極化電勢(shì)恒定，利用微處理機(jī)的數(shù)值 運(yùn)算功能得以消除極化電勢(shì)的影響。 所以，采用三值低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)的電磁流量計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定，抗工頻能力強(qiáng)，測(cè)量精度進(jìn)一 步提高，傳感器單位流速的流量信號(hào)電壓可降低到工頻勵(lì)磁方式時(shí)的1/4，從而可進(jìn)一步降 低勵(lì)磁功耗，實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)的小型輕量一體化，在電磁流量計(jì)中已得到廣泛應(yīng)用。
雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)
三值低頻矩形波勵(lì)磁方式具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性，但在測(cè)量泥漿(如泥漿流量計(jì))、紙漿等含 纖維和固體顆粒的流體介質(zhì)和低電導(dǎo)率流體流量時(shí)，出現(xiàn)固體顆粒擦過電極表面而產(chǎn)生低頻 尖峰噪聲和流體流動(dòng)噪聲，這樣往往導(dǎo)致勵(lì)磁頻率較低的三值勵(lì)磁電流流量計(jì)輸出擺動(dòng)不 穩(wěn)。 三值低頻矩形波勵(lì)磁零點(diǎn)穩(wěn)定，但無法抑制低頻噪聲；較高頻率的矩形波磁場(chǎng)能消除低頻噪 聲，但一般其零點(diǎn)穩(wěn)定性欠佳。人們?cè)诜治龈鞣N勵(lì)磁技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了雙頻矩形波勵(lì)磁 技術(shù)，其磁場(chǎng)波形如圖7-3f所示。高頻部分是75Hz的矩形波，外包絡(luò)線是1/8工頻的低頻矩 形波。采用這種勵(lì)磁方式，可用高頻波采樣來消除含纖維和固體顆粒流體介質(zhì)的低頻噪聲， 同時(shí)又保持了低頻矩形波勵(lì)磁零點(diǎn)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，取得了很好的應(yīng)用效果。
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