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        基于電磁流量計的空管檢測模塊設計

        來源:作者:發表時間:2017-07-21 09:19:39

         摘要:設計了一種用于電磁流量計傳感器空管檢測的模塊,該模塊采用電流源附加激勵形式,包括精密電流源、電流控制電路、電阻匹配模塊三部分。分析了采用電流源方法相比于參數提取和電壓源方法的優勢,推導了精密電流源模塊的輸出阻抗大小。相比于現有空管檢測方法,所設計的空管檢測模塊可靠性更高、適用范圍更廣。

         
                電磁流量計傳感器的空管狀態指管道未被液體充滿,導致電極部分或全部裸露于空氣中,該狀態下儀表示數不規則,無法正確顯示流量值。
         
                現階段實現對空管狀態的檢測,主要有增加電極、參數提取和附加激勵三種方法。增加電極的方法需對管道進行改造,在實際使用中可行性不高;參數提取通過測量疊加于流量信號上的微分干擾和工頻干擾兩種信號,實現對管道的狀態判斷。由于干擾信號幅值受工況環境影響大,該方法適用范圍較小;附加激勵源的方法又分為電壓源和電流源兩類,電壓源輸出阻抗小,并聯于電極回路,使儀表放大器輸入阻抗減小,影響流量信號。電流源輸出阻抗高,對流量信號的影響可忽略,但電流源輸出電流值不應過大,且電流方向應可以改變以避免電極極化引起的零點漂移問題。
         
                為了實現對傳感器空管狀態更準確、可靠的報警功能,本文提出并設計了一種電流源激勵形式的電磁流量計空管檢測模塊。
         
        1     電流源附加激勵下傳感器電極回路模型
                圖1為電流源附加激勵下的傳感器電極回路模型圖,E為磁場作用下表征流速信號的感應電動勢,RL為測量電極對地等效電阻,Ri為儀表放大器的輸入電阻,Ie為電流源。
        電流源附加激勵下傳感器電極回路模型
                電流源模塊與傳感器電極回路并聯,由電流源輸出阻抗無窮大特性可知,電流源模塊不對流量信號大小產生影響。考慮實際使用情況下,不同流體類型的流體阻抗大小不一,對于低電導率類型流體,其流體阻抗大,為避免采樣電勢信號飽和,電流源輸出值應根據流體類型大小可調,且輸出電流大小在微安級。另外,為了避免電極長時間受同一方向電流影響而產生電極極化反應,導致儀表零點漂移影響儀表精度,電流源流向需可控。
         
                綜上所述,為實現電流源附加激勵形式的空管檢測模塊能夠準確實現空管報警功能,電流源需滿足如下三點約束條件:微弱電流值恒流、電流方向可控、電流值可控。
         
        2      空管檢測模塊系統框架
        空管檢測模塊系統框架
                如圖2所示,空管檢測模塊系統由精密電流源、電流控制電路、阻抗測量模塊三部分組成。其中,精密電流源輸出恒定電流;電流控制電路實現對電流源輸出電流大小和方向控制;阻抗測量模塊對電極電勢進行采樣與電勢調整,后送入微處理器進行空管判斷。下面分別對三部分電路設計進行介紹。
         
        2.1精密電流源電路設計
                電流源并聯于傳感器電極回路,為了不影響流量信號采集,電流源內阻應為高阻抗。
         
                如圖3,Vi1、Vi2為輸入電壓,VL為負載端電壓,io為電流源輸出,A1、A2為運算放大器。
        恒流源電路
                令isc為負載短路電流,Ro為恒流源等效內阻大小。由諾頓定理,求負載短路下電路的短路電流:
                

                 

                 

                

                顯然,若取R1=R2=R3=R4,則恒流源等效內阻Ro無窮大。恒流源輸出電流可簡化為:
                QQ截圖20170721093144.jpg
                由上述推導可知,電流源輸出阻抗無窮大,輸出電流大小僅由輸入電壓Vi1、Vi2和輸出電阻R決定,滿足空管檢測模塊設計要求。電路的不足在于,運算放大器輸入端易受外部信號干擾,故采用三運算放大器結構替代差分放大結構。在實際設計電路時,使用儀表放大器INA118替代圖3中運算放大器A1,儀表放大器INA118優點在于:
                1)高共模抑制比,輸入阻抗高達1010Ω;
                2)低輸入偏置電流,**大值為10nA;
                3)內部高精密電阻R1=R2=R3=R4=60kΩ;
                4)較寬的增益調節范圍,為1~10000。
         
                反饋運放A2使用低輸入偏置電流運算放大器,使流入運放A2的損失電流可忽略不計。根據電路知識,使用儀表放大器INA118和運放OPA602后電路輸出電流值:QQ截圖20170721093221.jpg
                其中,G為儀表放大器放大倍數:QQ截圖20170721093227.jpg
         
                RG為增益電阻,改變RG大小即可設定電流源輸出電流值。電流源輸出電流方向由兩輸入端決定,當Vi1-Vi2>0時,輸出電流流入負載;當Vi1-Vi2<0時,電流從負載流入儀表放大器。
        2.2電流控制電路
                電流控制電路主要用于設定電流源輸出電流值大小以及電流方向切換頻率。為匹配不同類型的傳感器,電路應具有電流值大小調整能力。該功能使用D/A轉換芯片TLV5625實現,其特點如下:
         
                1)雙通道、低功耗、8位電壓輸出型數模轉換器,軌對軌輸出;
                2)可采用多種通訊接口,如SPI、TMS320。
                在D/A芯片后增加模擬開關以保證電流源能夠按微處理器設置頻率進行開關控制,電流控制電路如圖4所示。
        電流控制電路硬件圖
                D/A轉換芯片TLV5625采用SPI通訊方式,MCU_DIN為數據信號,MCU_SCLK為時鐘信號,MCU_CS為片選信號。芯片輸出電壓:
        QQ截圖20170721093745.jpg 
                其中,電壓基準Vref=2.048V,由基準芯片提供,code為微處理器控制的電壓值大小,范圍為0~255。此電路輸出電壓范圍Vout:0~4.096V。
         
        2.3阻抗測量模塊
                **后介紹阻抗測量模塊電路。由電流源將電流輸出至負載(傳感器兩電極)端,并對電極端電勢信號進行采集。該電勢信號采集由微處理器A/D轉換模塊實現,輸入電壓范圍為0V~3.3V,因此需對電極端電勢信號做電壓轉換以滿足微處理器A/D模塊的輸入電壓范圍,電壓轉換電路如圖5所示。
         阻抗測量模塊電路圖
                如圖 5 所示,傳感器電極端電勢用 V in 表示。 在此信號被送至微處理器 A/D 模塊之前,對電壓值進行調整。 考慮傳感器空管時,電極端電勢兩種飽和狀態, V in 變化范圍 -6V~+6V 。 為了避免模塊輸出端電壓值超過微處理器**大輸入范圍, 令此電路滿足公式:
         QQ截圖20170721093840.jpg
                1 )當電流為流入電極方向,若管道飽和, V in ≈6V , V MCU_AD ≈0V 。
                2 )當電流為流出電極方向,若管道飽和, V in ≈-6V , V MCU_AD ≈3V 。
                按公式( 15 )進行電壓匹配,可以確保無論電流方向正負,管道空管時信號飽和的情況下, 輸入微處理器的電勢信號不超過其閾值。 下面對電路阻值進行計算,電路總輸出電勢為:
         QQ截圖20170721093855.jpg
                將電路中電阻的選擇按公式( 15 )比例,且按標稱值進行選擇,則阻抗測量模塊輸出電壓:
         QQ截圖20170721093859.jpg
                由負載端電壓和負載電流值, 可以得電極對地等效阻抗值RL ,將 RL 與保存于微處理器中空管報警判斷的閾值進行比較,即實現對傳感器管道情況判斷。
         
        3、結束語
                相比于現有方法,使用電流源形式的附加激勵模塊,受傳感器負載類型影響小,有更廣的適用范圍和更高的可靠性。

         

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