一種能快速響應的電磁流量計高低壓勵磁系統
發布日期:2018-09-25 09:44
目前,電磁流量計大多采用低頻矩形波勵磁方式,以使傳感器輸出信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,由于漿液中的固體顆粒劃過電極表面,導致傳感器輸出信號跳變,該跳變即為漿液噪聲。研究發現,漿液噪聲的特性滿足 1 分布。所以,為了減小槳液噪聲對輸出信號的影響,要求提高勵磁頻率” 。然而, 由于電磁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周期內的穩定段變短, 不利于流量的測量。 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 反饋控制或在也橋低端設置恒流晶體管來進行恒流控制。前一種方法的電流響應速度較慢,且電流紋波較嚴重; 后一種方法由于恒流控制電路會造成芋橋低端電壓波動較大, 不利于 耳橋的開關控制。國內生產企業大多采用國外較為落后勵磁技術, 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 ~5 Hz。 為此, 國內也進行了勵磁方法的相關改進研究, 文獻 06]提出了基于線性電源的勵磁控制方案, 文獻 Q7]提出了基于高低壓電源切換的勵磁控制方案?;诰€性電源的勵磁控制方案僅適用于勵磁線圈電感值相對較小的傳感器的高頻勵磁。高低壓電源切換勵磁控制方案則由于采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, 對于勵磁線圈電感值較大的傳感器, 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。并且勵磁方向切換時,勵磁線圖中儲存的電能全部由泄放電路消耗掉,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, 不利于電路長期穩定工作。
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,采用旁路勵磁電路與恒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。

1. 勵磁控制方案設計
基于能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案框圖如圖 1 所示, 主要由高\低壓電源、能量回饋電路、高\低壓切換電路、便流控制電路、電流旁路電路、互橋開關電路、檢流電路和勵磁時序產生電路組成。
1.1 工作流程
在勵磁平穩階段,勵磁線圈中的勵磁電流為穩態設定值。遲滯比較電路控制高低壓切換電路,切換至低壓源作為勵磁工作電源,并切斷電流旁路電路。恒流控制電路在低壓供電的情況下通過瑟橋向勵磁線圈提供恒定電流。當勵磁方向切換時,勵磁線圈首先對能量回饋電路放電, 檢流電路檢測到的電流值瞬間為負,從而切換高壓源作為勵磁工作電源,同時接通電流旁路電路,以屏蔽恒流控制電路。勵磁線圈中的能量通過泄放回路,由能量回鎖電路中的儲能電容儲存起來。此時電容兩端的電壓幅值超過輸入端的高壓源。待勵磁線圈能量泄放完成后,勵磁線轎中的電流減小為零并改變方向,能量回饋電路開始放電, 將儲存的能量通過電流旁路電路和 世橋直接回饋給勵磁線圈。待能量回鎖電路兩端電壓下降到高壓源電平狀態時,由高壓源直接通過電流旁路電路和 開 橋對勵磁線圈進行勵磁控制。當線圈中勵磁電流上升到設定的超調量時,退澇比較電路控制高低壓切換電路,切換低壓源作為勵磁工作電源并切斷電流旁路電路,然后由恒流控制電路開始對勵磁電流進行恒流控制。
1.2 能量回饋
電磁流量計勵磁線圈為一感性儲能元件,在方波勵磁時,勵磁系統需要不斷對其進行充放電。當勵磁電流穩定時,勵磁線圈中儲存了一定的能量。當勵磁方向切換時,勵磁線圈需要先將所儲存的能量泄放掉,然后改變電流方向,青重新充電。因此,需要為勵磁線圈提供能量泄放回路。雖然,可以采用穩壓限幅二極管搭建限幅電路構成能量泄放回路,,邯線圈中的電流流過限幅二極管, 將能量消耗在二極管上。 按照功的計算公式W = UIT可知, 在電流與功均為定值的情況下,電壓的幅值與時間成反比。所以, 為了加快勵磁線圈的能量泄放速度, 能量泄放電路需要處在一個較高的電壓水平,以提高勵磁線圈的能量泄放功率。但是,限幅二極管的限幅電壓很低,即使線圈中的電壓能夠突變,仍被限制在限幅二極管的反向導通電壓幅值水平。并且, 由于勵磁線圈電流不能突變,所以能量泄放功率較小、能量泄放速度較慢, 使得勵磁方向切換后的勵磁電流響應速度較慢,不利于實現高頻勵磁,且系統發熱較為嚴重。因此, 設計能量回饋電路來儲存勵磁線圈所泄放的能量,并在線圈中勵磁電流方向改變時將能量重新回饋給勵磁線圈,從而避免勵磁線圈泄放的能量被消耗在電路中。
 
采用儲能電容結合相應的保護電路來措建能量回饋電路。若將能量回饋電路設置在 耳 橋輸入端, 對于恒流源而言, 相當于加入了一個容性負載, 這不僅會降低恒流控制性能, 還會影響能量泄放速度。這是因為,在勵磁方向切換至高壓供電前,也橋輸入端是處于勵磁平穩階段的低壓狀態,這不利于線圈能量快速匯放。 為此, 將能量回饋電路設置在高壓電源與高低壓切換電路之間, 如圖1所示。這樣, 能量回針電路中的儲能電容會被預充電到與高壓電源相同的電壓,且在勵磁線圈的能量泄放過程中會逐漸升壓,從而能夠加快能量逃放速度。
在勵磁線圈中的能量汽放完成后,由于勵磁線圈中電流方向開始反向且幅值很小, 高低壓切換電路仍選擇高壓源作為勵磁工作電源,以加快電流響應速度。所以, 能量回饋電路中的儲能電容將儲存的能量重新回饋給勵磁線圈。 這樣,勵磁線圈中的能量在一次方向切換過程中,,既與儲能電容完成一次能量往返交換,又避免了在電路上的損耗。
 
1.3 恒流控制
目前已有的恒流電路采用反饋進行 PWM 調節來進行便流控制,或者通過在 耳橋低端設置唱體管進行恒流控制。采用 PWM 反饋控制原理構建的恒流源,響應速度較慢,不適用于高頻勵磁,并且電流波動較大。 在 了橋低端設置晶體管則會導致衛橋的低端電壓波動較大, 不利于芋橋的開關控制。因此, 采用三段線性穩壓電源芯片搭建恒流源電路,并且將便流電路放置于 了 橋的高段輸入。在勵磁電流尚未達到設定值時, 線性穩壓電源為但和輸出,輸出電壓跟隨輸入電壓的變化; 而當勵磁電流接近設定值時,線性穩壓電源輸出則為線性調節輸出,以進行恒流控制。這樣能夠獲得較快的勵磁電流響應速度,電流波動較小。
1.4 電流旁路
電磁流量計勵磁恒流控制中, 通過產生電流超調可以加速恒流控制。但由于本方案中采用高低壓勵磁的控制方式,高壓與低壓之間的切換條件為: 勵磁電流到達設定的闊值。為了獲得超調,要求該設定的闊值大于勵磁電流的穩態設定值。又由于三端線性穩壓電源芯片搭建的恒流源電路,其輸出端的設定電阻決定了其輸出電流的大小。所以, 如不采取措施,, 則會導致在勵磁電流達到設定值后, 由于沒有滿足切換條件,系統仍以高壓電源供電, 這將導致三端穩壓電源芯片輸入輸出之間的電壓超過ZUI大人允許值。
由于低壓源供電時,恒流控制電路針對感性負載的控制響應速度較慢,從而會使勵磁電流到達穩態的時間較長。另外, 勵磁工作電源突然從高壓源切換到低壓源也會使三端穩壓電源芯片的輸出產生一個暫態響應過程,同樣不利于勵磁電流快速進入穩態。因此,在恒流控制電路兩端并聯電流旁路電路,以實現勵磁電流響應超調, 加快響應速度。
在圖1 中當電流旁路電路接通時,人恒流控制電路將被屏蔽,實現勵磁工作電源與 聯橋直通的目的; 該電路斷開則使恒流控制電路重新起作用。電流旁路電路由遲滯比較電路控制是杏接通。勵磁電流能否實現響應超調,依賴于遲滯比較電路參數的配置。比較電路遲滯環的闊值下限設為低于勵磁電流的穩態設定值,在勵磁電流在下降到一定值時, 才選通高壓源作為勵磁工作電源。闊值上限則根據電流超調量的要求,取略高于勵磁電流的穩態設定值,在勵磁電流上升到設定超調量后,切換低壓源作為勵磁工作電源并切斷電流旁路電路。 這樣, 遲帶比較電路和電流旁路電路共同實現勵磁電流的響應超調控制,從而加速勵磁電流的恒流控制速度。
另外, 勵磁系統中檢流電路設置在 再橋外勵磁線圈的充放電回路上。 勵磁線圈充電時,檢流電路所檢測到的電流值為正值; 勵磁線圈放電時,檢流電路所檢測到的電流值為負值

2. 勵磁系統硬件研制
2.1 高\低壓切換恒流控制電路
高\低壓切換恒流控制電路是勵磁控制系統中的關鍵部分,由高、低壓電源、能量回饑電路、高低壓切換電路、恒流控制電路、電流這路電路和遲澇比較電路組成,其電路原理如圖2 所示。
2.2 再橋勵磁開關電路與檢流電路
開橋開關電路主要由 也 橋路及其驅動電路組成, 用于實現對勵磁線圈進行方波勵磁。 原理示意圖如圖3 所示。

2.3 勵磁時序產生電路
勵磁時序產生電路用于產生勵磁控制信號CON1 和 CON2 以控制方波勵磁時序,其電路原理結構圖如圖4 所示。
3. 實驗與測試
勵磁系統研制完成后, 對其性能進行測試:
1) 對于高頻勵磁,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)對于能量回饋電路,主要測試其對線圈中能量的吸收與回鑲的效率。
3) 為了說明鶴路電路對勵磁電路的勵磁效果的改善, 則對比采用旁路電路勵磁前后,勵磁電流進入穩態的響應時間。
4) 為了考察恒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。由于在實際測量時, 流過傳感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, 為了使傳感器獲得平穩的信和號輸出,要求勵磁線圈中的勵磁電流在進入穩態后波動值較小。
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口徑的傳感器進行標定。系統勵磁方式采用方波厲磁,勵磁頻率為12.5HZ,管道ZUI大流速為7m/s左右,ZUI小流速為0.3m/s左右,標定結果如表1所示
由標定結果可知,所研制的電磁流量計系統針對 50 mm 口徑的水流量標定示值誤差小于0.41% ,重復性誤差小于 0.11% 。針對 100 mm 口徑的水流量標定示值誤差小于 0.21% ,重復性誤差小于0.12% 。據此可知,所研制的電磁流量計系統針對 50 mm 與 100 mm 口徑的水流量標定精度均優于0.5 級。
 
4. 結 論
1) 由能量回銘效率性能測試實驗可知, 采用能量回饋電路對勵磁方向切換后,線圈中炙余的能量進行存儲并利用,該方法較于國內普遍通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性能測試以及旁路電路性能測試實驗可知,相較于 PWM 反饋控制的廣法或是在也橋低端設置恒流晶體管進行恒流控制的方法,采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,加快恒流控制的響應速度,使得勵磁電流響應時間從51 ms 縮短到12 ms, 恒流控制響應速度提升至400% ,從而有利于進一步提高電磁流量計的勵磁頻率,減小漿液測量中的漿液干擾。
3) 由勵磁電流長期運行穩定性測試實驗可知,, 較于采用 PWM 反饋控制方法,勵磁電流穩態段紋波嚴重, 研制的勵磁系統 72 h 內勵磁電流波動率為0.0156 % ,從而表明長時間運行下,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 50 mm 與100 mm 口徑傳感器, 標定示值誤差小于 0. 4196 ,重復性誤差小于 0. 11% ,表明研制的電磁流量計勵磁系統能為電磁流量計的精準測量提供保證。
 
 

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