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一种能快速响应的电磁流量计高低压励磁系统
发布日期:2018-09-25 09:44
目前,电磁流量计大多采用低频矩形波励磁方式,以使传感器输出信号获得较长时间的平稳段,保证其测量精度 。当测量浆液流量时,由于浆液中的固体颗粒划过电极表面,导致传感器输出信号跳变,该跳变即为浆液噪声。研究发现,浆液噪声的特性满足 1 分布。所以,为了减小桨液噪声对输出信号的影响,要求提高励磁频率” 。然而, 由于电磁流量计的励磁线圈为感性负载,提高励磁频率将会造成励磁电流在半励磁周期内的稳定段变短, 不利于流量的测量。 特别是当励磁线圈的电感值较大时, 若提高励磁频率,就有可能使励磁电流无法进入稳态,从而无法进行流量的测量“”。国外大多采用 PWM 反馈控制或在也桥低端设置恒流晶体管来进行恒流控制。前一种方法的电流响应速度较慢,且电流纹波较严重; 后一种方法由于恒流控制电路会造成芋桥低端电压波动较大, 不利于 耳桥的开关控制。国内生产企业大多采用国外较为落后励磁技术, 励磁电流在 51ms 左右才进入稳态,因此励磁频率难以提高,频率多为2. 5 ~5 Hz。 为此, 国内也进行了励磁方法的相关改进研究, 文献 06]提出了基于线性电源的励磁控制方案, 文献 Q7]提出了基于高低压电源切换的励磁控制方案。基于线性电源的励磁控制方案仅适用于励磁线圈电感值相对较小的传感器的高频励磁。高低压电源切换励磁控制方案则由于采用更高压电源加速电流响应速度,能在一定程度上提高励磁频率。但是,文献披露的高低压电源切换的励磁控制方案, 对于励磁线圈电感值较大的传感器, 励磁电流响应速度难以进一步提高,从而限制了励磁频率进一步提高的可能。并且励磁方向切换时,励磁线图中储存的电能全部由泄放电路消耗掉,能量利用率低, 造成能量浪费和电路温升。特别是励磁线圈电感值较大时,电路能耗更大, 不利于电路长期稳定工作。
为此, 针对高低压励磁方式,提出具有能量回馈和电流旁路的高低压励磁控制方案。 为了加快励磁电流的响应速度,采用旁路励磁电路与恒流控制电路相结合的励磁方式,进一步改善高压段励磁效果, 加速励磁电流进入稳态; 为了提高能量利用率,减小系统发热, 引入能量回馈电路。

1. 励磁控制方案设计
基于能量回馈和电流旁路的高低压励磁控制方案框图如图 1 所示, 主要由高\低压电源、能量回馈电路、高\低压切换电路、便流控制电路、电流旁路电路、互桥开关电路、检流电路和励磁时序产生电路组成。
1.1 工作流程
在励磁平稳阶段,励磁线圈中的励磁电流为稳态设定值。迟滞比较电路控制高低压切换电路,切换至低压源作为励磁工作电源,并切断电流旁路电路。恒流控制电路在低压供电的情况下通过瑟桥向励磁线圈提供恒定电流。当励磁方向切换时,励磁线圈首先对能量回馈电路放电, 检流电路检测到的电流值瞬间为负,从而切换高压源作为励磁工作电源,同时接通电流旁路电路,以屏蔽恒流控制电路。励磁线圈中的能量通过泄放回路,由能量回锁电路中的储能电容储存起来。此时电容两端的电压幅值超过输入端的高压源。待励磁线圈能量泄放完成后,励磁线轿中的电流减小为零并改变方向,能量回馈电路开始放电, 将储存的能量通过电流旁路电路和 世桥直接回馈给励磁线圈。待能量回锁电路两端电压下降到高压源电平状态时,由高压源直接通过电流旁路电路和 开 桥对励磁线圈进行励磁控制。当线圈中励磁电流上升到设定的超调量时,退涝比较电路控制高低压切换电路,切换低压源作为励磁工作电源并切断电流旁路电路,然后由恒流控制电路开始对励磁电流进行恒流控制。
1.2 能量回馈
电磁流量计励磁线圈为一感性储能元件,在方波励磁时,励磁系统需要不断对其进行充放电。当励磁电流稳定时,励磁线圈中储存了一定的能量。当励磁方向切换时,励磁线圈需要先将所储存的能量泄放掉,然后改变电流方向,青重新充电。因此,需要为励磁线圈提供能量泄放回路。虽然,可以采用稳压限幅二极管搭建限幅电路构成能量泄放回路,,邯线圈中的电流流过限幅二极管, 将能量消耗在二极管上。 按照功的计算公式W = UIT可知, 在电流与功均为定值的情况下,电压的幅值与时间成反比。所以, 为了加快励磁线圈的能量泄放速度, 能量泄放电路需要处在一个较高的电压水平,以提高励磁线圈的能量泄放功率。但是,限幅二极管的限幅电压很低,即使线圈中的电压能够突变,仍被限制在限幅二极管的反向导通电压幅值水平。并且, 由于励磁线圈电流不能突变,所以能量泄放功率较小、能量泄放速度较慢, 使得励磁方向切换后的励磁电流响应速度较慢,不利于实现高频励磁,且系统发热较为严重。因此, 设计能量回馈电路来储存励磁线圈所泄放的能量,并在线圈中励磁电流方向改变时将能量重新回馈给励磁线圈,从而避免励磁线圈泄放的能量被消耗在电路中。
 
采用储能电容结合相应的保护电路来措建能量回馈电路。若将能量回馈电路设置在 耳 桥输入端, 对于恒流源而言, 相当于加入了一个容性负载, 这不仅会降低恒流控制性能, 还会影响能量泄放速度。这是因为,在励磁方向切换至高压供电前,也桥输入端是处于励磁平稳阶段的低压状态,这不利于线圈能量快速汇放。 为此, 将能量回馈电路设置在高压电源与高低压切换电路之间, 如图1所示。这样, 能量回针电路中的储能电容会被预充电到与高压电源相同的电压,且在励磁线圈的能量泄放过程中会逐渐升压,从而能够加快能量逃放速度。
在励磁线圈中的能量汽放完成后,由于励磁线圈中电流方向开始反向且幅值很小, 高低压切换电路仍选择高压源作为励磁工作电源,以加快电流响应速度。所以, 能量回馈电路中的储能电容将储存的能量重新回馈给励磁线圈。 这样,励磁线圈中的能量在一次方向切换过程中,,既与储能电容完成一次能量往返交换,又避免了在电路上的损耗。
 
1.3 恒流控制
目前已有的恒流电路采用反馈进行 PWM 调节来进行便流控制,或者通过在 耳桥低端设置唱体管进行恒流控制。采用 PWM 反馈控制原理构建的恒流源,响应速度较慢,不适用于高频励磁,并且电流波动较大。 在 了桥低端设置晶体管则会导致卫桥的低端电压波动较大, 不利于芋桥的开关控制。因此, 采用三段线性稳压电源芯片搭建恒流源电路,并且将便流电路放置于 了 桥的高段输入。在励磁电流尚未达到设定值时, 线性稳压电源为但和输出,输出电压跟随输入电压的变化; 而当励磁电流接近设定值时,线性稳压电源输出则为线性调节输出,以进行恒流控制。这样能够获得较快的励磁电流响应速度,电流波动较小。
1.4 电流旁路
电磁流量计励磁恒流控制中, 通过产生电流超调可以加速恒流控制。但由于本方案中采用高低压励磁的控制方式,高压与低压之间的切换条件为: 励磁电流到达设定的阔值。为了获得超调,要求该设定的阔值大于励磁电流的稳态设定值。又由于三端线性稳压电源芯片搭建的恒流源电路,其输出端的设定电阻决定了其输出电流的大小。所以, 如不采取措施,, 则会导致在励磁电流达到设定值后, 由于没有满足切换条件,系统仍以高压电源供电, 这将导致三端稳压电源芯片输入输出之间的电压超过ZUI大人允许值。
由于低压源供电时,恒流控制电路针对感性负载的控制响应速度较慢,从而会使励磁电流到达稳态的时间较长。另外, 励磁工作电源突然从高压源切换到低压源也会使三端稳压电源芯片的输出产生一个暂态响应过程,同样不利于励磁电流快速进入稳态。因此,在恒流控制电路两端并联电流旁路电路,以实现励磁电流响应超调, 加快响应速度。
在图1 中当电流旁路电路接通时,人恒流控制电路将被屏蔽,实现励磁工作电源与 联桥直通的目的; 该电路断开则使恒流控制电路重新起作用。电流旁路电路由迟滞比较电路控制是杏接通。励磁电流能否实现响应超调,依赖于迟滞比较电路参数的配置。比较电路迟滞环的阔值下限设为低于励磁电流的稳态设定值,在励磁电流在下降到一定值时, 才选通高压源作为励磁工作电源。阔值上限则根据电流超调量的要求,取略高于励磁电流的稳态设定值,在励磁电流上升到设定超调量后,切换低压源作为励磁工作电源并切断电流旁路电路。 这样, 迟带比较电路和电流旁路电路共同实现励磁电流的响应超调控制,从而加速励磁电流的恒流控制速度。
另外, 励磁系统中检流电路设置在 再桥外励磁线圈的充放电回路上。 励磁线圈充电时,检流电路所检测到的电流值为正值; 励磁线圈放电时,检流电路所检测到的电流值为负值

2. 励磁系统硬件研制
2.1 高\低压切换恒流控制电路
高\低压切换恒流控制电路是励磁控制系统中的关键部分,由高、低压电源、能量回饥电路、高低压切换电路、恒流控制电路、电流这路电路和迟涝比较电路组成,其电路原理如图2 所示。
2.2 再桥励磁开关电路与检流电路
开桥开关电路主要由 也 桥路及其驱动电路组成, 用于实现对励磁线圈进行方波励磁。 原理示意图如图3 所示。

2.3 励磁时序产生电路
励磁时序产生电路用于产生励磁控制信号CON1 和 CON2 以控制方波励磁时序,其电路原理结构图如图4 所示。
3. 实验与测试
励磁系统研制完成后, 对其性能进行测试:
1) 对于高频励磁,要求励磁电流进入稳态所需时间短、响应速度快, 考察励磁电流进入稳态的响应时间。
2)对于能量回馈电路,主要测试其对线圈中能量的吸收与回镶的效率。
3) 为了说明鹤路电路对励磁电路的励磁效果的改善, 则对比采用旁路电路励磁前后,励磁电流进入稳态的响应时间。
4) 为了考察恒流控制电路输出的励磁电流在一段时间内的波动情况,进行了励磁电流长期稳定性测试。由于在实际测量时, 流过传感器的被测流体的流速,与励磁电流流过励磁线圈建立的磁场场强度成正比, 为了使传感器获得平稳的信和号输出,要求励磁线圈中的励磁电流在进入稳态后波动值较小。
水流量标定实验
为了评测系统的实际应用效果,进行了水流量标定实验。分别针对50mm口径与100mm口径的传感器进行标定。系统励磁方式采用方波厉磁,励磁频率为12.5HZ,管道ZUI大流速为7m/s左右,ZUI小流速为0.3m/s左右,标定结果如表1所示
由标定结果可知,所研制的电磁流量计系统针对 50 mm 口径的水流量标定示值误差小于0.41% ,重复性误差小于 0.11% 。针对 100 mm 口径的水流量标定示值误差小于 0.21% ,重复性误差小于0.12% 。据此可知,所研制的电磁流量计系统针对 50 mm 与 100 mm 口径的水流量标定精度均优于0.5 级。
 
4. 结 论
1) 由能量回铭效率性能测试实验可知, 采用能量回馈电路对励磁方向切换后,线圈中炙余的能量进行存储并利用,该方法较于国内普遍通过转化为热量进行消耗的方法而言,能够提高系统78.2% 的能量利用效率,降低电路能量耗散, 保证电路长期可靠工作。
2) 由励磁电流响应时间性能测试以及旁路电路性能测试实验可知,相较于 PWM 反馈控制的广法或是在也桥低端设置恒流晶体管进行恒流控制的方法,采用电流旁路电路的高低压励磁方式能够使得励磁电流产生响应超调,加快恒流控制的响应速度,使得励磁电流响应时间从51 ms 缩短到12 ms, 恒流控制响应速度提升至400% ,从而有利于进一步提高电磁流量计的励磁频率,减小浆液测量中的浆液干扰。
3) 由励磁电流长期运行稳定性测试实验可知,, 较于采用 PWM 反馈控制方法,励磁电流稳态段纹波严重, 研制的励磁系统 72 h 内励磁电流波动率为0.0156 % ,从而表明长时间运行下,本系统能够稳定可靠工作且励磁电流波动率较小。
4) 由水流量标定实验可知, 针对 50 mm 与100 mm 口径传感器, 标定示值误差小于 0. 4196 ,重复性误差小于 0. 11% ,表明研制的电磁流量计励磁系统能为电磁流量计的精准测量提供保证。
 
 

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