一种时分双频励磁电磁流量计设计*

刘铁军，宫通胜

(中国计量学院计量测试工程学院，杭州310018)

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律来测量管道内导电流体体积流量的，具有耐腐蚀性强、能耗低、可靠性好、测量范围大、测量原理为线性等突出优点［1－3］。传统电磁流量计通常采用低频方波励磁方案，具有零点稳定、在被测介质流动状态稳定时测量精度较高。但由于励磁频率低，并且每个励磁周期内仅能得到一个有效的流速测量结果，低频方波励磁的电磁流量计对被测流体流动状态的变化灵敏度低，从原理上仅仅适用于对流速稳定的导电流体进行测量。另外，影响电磁流量计测量精度的各种干扰成分(化学原电池效应、电涡流影响、流动噪声干扰等)主要分布在低频段，限制了测量精度的进一步提高，特别是流动噪声的影响使低频励磁电磁流量计对浆液类介质无法测量。为解决上述问题，国外学者较早提出了结合高低频励磁技术的双频励磁方案，但并未披露相关技术细节［4－6］，国内研究人员相继做了一些有益的尝试，也还没有完善的实现方案发表［8－12］。

针对低频方波励磁电磁流量计的局限性，分析了双频励磁电磁流量计的不同技术方案的优缺点，提出了一种时分双频方波励磁电磁流量计设计方案。所提方案充分借鉴了低频方波励磁电磁流量计中的成熟技术，降低了双频励磁电磁流量计励磁电路和信号调理电路的设计难度。根据所提出的时分双频励磁方案设计制作了新型电磁流量计原型样机，相关试验表明，该测量方案对被测导电流体流动状态变化具有较好的适应性，在较宽的流速测量范围内能实现较高精度的流量测量。

1 两种双频励磁方案的比较

电磁流量计的双频励磁方案从励磁控制波形上可以区分为复合双频方波励磁和时分双频方波励磁两种。其设计思想均是通过高频励磁得到响应速度快、受低频干扰影响小的流量信号，并通过低频励磁得到具有零点稳定特性的流量信号来改善高频励磁测量结果的零点稳定性［10，12］。由于两种励磁方案从励磁控制到传感器信号调理电路的设计各有不同特点，实现难度也有差异，下面对两种方案的特点略作分析。

(1)复合双频方波励磁方案

复合双频方波励磁方案的励磁波形如图1(c)所示，它是由图1(a)所示的高频方波和图1(b)所示的低频方波叠加在一起实现的。从图1可知，该励磁方案中高频励磁方波是嵌套在低频励磁周期内的，所以低频励磁周期必须是高频励磁周期的整倍数，同时为降低工频干扰的影响低频励磁周期需要是工频周期的倍数。通常高频方波频率为75 Hz，低频方波频率为6.25 Hz。

图1 复合双频方波励磁波形

复合双频方波励磁作用下电磁流量计传感器输出的流量信号是与励磁波形类似的复合波形，如图1(d)所示。对传感器输出信号的处理不但要去除各种干扰成分，还要把高频励磁作用下的流量信号分量(高频分量)与低频励磁作用下的流量信号分量(低频分量)分离开，估算高频分量因励磁回路未进入稳态造成的误差(零点误差)，对高频分量进行修正得到流量测量结果。这种励磁方案的优点是可同步得到流量信号的高频分量和低频分量，计算高频励磁带来的零点偏移的实时性好。但是尽管可以通过提高桥路电压来改善励磁电流波形，在高频励磁部分作用下励磁电路始终处于趋向恒流工作点的过渡状态，对低频分量测量精度有一定影响。而且高低频分量的提取需要复杂而精巧的电路设计才能实现。

(2)时分双频方波励磁方案

时分双频方波电磁流量计的励磁波形如图2(a)所示，一个完整的励磁周期由若干高频方波周期和一个低频方波周期构成，高频励磁和低频励磁在时间上交替出现、互不重叠。由于高频励磁周期与低频励磁周期不需要在时间上匹配，励磁频率的选择相比于复合双频要灵活。为尽可能减小工频干扰的影响，低频方波频率一般为6.25 Hz，高频励磁频率可选择为25 Hz到75 Hz，一般选择为低频励磁频率的倍数。

图2 时分双频方波励磁波形

时分双频方波励磁时传感器输出信号波形如图2(b)所示。由于低频励磁周期与高频励磁周期在时间上不重叠，低频励磁周期内仍可沿用传统流量信号测量电路得到励磁磁场稳定时的流量测量值，具有零点稳定的优点。在低频励磁周期内，通过对传感器输出信号多次采样获取从励磁方向切换到励磁电流达到稳态过程中传感器输出的变化数据，并以此为据来修正高频励磁下由于励磁回路未达到稳定状态带来的误差，从而改善了高频励磁下零点的稳定性。

通过比较可知，复合双频励磁方案高低频频励磁同步性好，在保证高低频信号分离质量的前提下利用低频分量来改善高频分量零点稳定性更具优越性，但信号调理电路复杂、不易实现。而时分双频方波励磁方案，高低频信号分量从原理上就是独立的，所以信号调理电路相对简单、与传统低频方波励磁流量计在技术上继承性好，缺点是高低频分量不是严格同步，利用低频信号分量来改善高频信号零点稳定性的能力受到限制。鉴于双频励磁电磁流量计信号调理电路的设计详情迄今尚无公开文献，本文从实际应用出发选择了时分双频方波励磁模式并设计了信号调理电路。

2 时分双频方波励磁电磁流量信号处理

图3 时分双频励磁模式下信号处理流程

时分双频方波励磁模式下电磁流量计信号处理流程如图3所示。图4为S1至S5等采样保持器的动作与励磁时序的对应关系，S1至S5的控制时序分别对应图4 中的(d)、(e)、(f)、(g)和(h)等。

图4 信号采样控制时序

从电磁流量传感器测量电极上取出的感应电动势信号E1和E2经前置放大器A1差分放大，由C1和R1构成的高通滤波器消除零点飘移误差得到信号Vs。Vs的波形与图4(b)中波形类似。采样保持器S1和S2分别在高频励磁方波的正半周和负半周对Vs取样，正负半周的采样值相减并滤除高频干扰得到信号VH，VH就是高频励磁对应的流量信号。采样保持器S3和S4分别在低频励磁方波的正半周和负半周对Vs取样，正负半周的采样值相减并滤除高频干扰得到与低频励磁对应的流量信号VL。在流速一定时，VL为饱和励磁状态的流量信号输出，VH为未达到饱和励磁状态的流量信号输出，VL与VH的差即VH所包含的零点误差。因为流速变化及低频干扰的存在，只有VL与VH采样时刻足够接近时才能认为VL与VH的差值与VH的零点误差近似，采样保持器S5的作用是在与S3、S4控制脉冲最接近的高频采样时刻把高频信号分量取出与低频信号分量进行计算并得到零点误差。VH与零点误差修正值相加，即对VH进行零点修正后得到代表流量测量值的信号VO。

从上述信号处理流程可知，通过在高频方波励磁时序中插入低频方波励磁周期，用低频方波励磁状态下测量信号零点稳定的优点来改善高频方波励磁下流量信号的零点稳定性，而高频方波励磁响应速度快、输出信号对低频干扰相对来说不敏感等优点也被保留下来。在具体实现时，高频方波励磁周期与低频方波励磁周期的间隔是可调的，对于导电性好、流速稳定的介质(如工业用水)进行测量时低频励磁周期可以多些，对浆液类介质或流速波动较大的流体进行流量测量时则应以高频励磁为主，低频励磁仅用于零点修正。

3 样机实验结果

基于时分双频励磁技术设计的电磁流量计原型样机原理方框图如图5所示，其高频方波励磁频率为25 Hz，低频方波励磁频率为5 Hz。样机核心部件是32 bit单片机LPC2136。LPC2136控制励磁波形发生器产生所需的励磁波形，经电压电流转换、功率放大后输出励磁电流驱动电磁流量传感器的励磁线圈产生励磁磁场。电磁流量传感器的输出信号经前置放大、高低频分量采样、低通滤波、流量信号合成等部分处理得到稳定的流量测量信号。LPC2136驱动A/D转换器对流量信号进行模数转换得到代表流量测量结果的数字量。

图5 样机原理方框

对样机的标定和测试采用称重法，标定装置精度为0.1%。电磁流量传感器选用通径50 mm的点电极式电磁流量传感器。测试环境温度为常温，约20℃。受实验条件所限，仅以普通自来水为测量对象对原型样机进行了测试。首先在流速稳定的情况下对样机进行了初步测试，表1为作为参比样机的单频方波励磁电磁流量计的测量数据。表2为双频励磁电磁流量计样机的测量数据。为便于比较，在流量脉动的情况对参比样机和双频励磁样机做了进一步测试，实验过程中通过无规则地开闭处于被测仪表上游的阀门产生脉动流，实验数据如表3、表4所示。

表1 低频方波励磁电磁流量计测量数据(平稳流动状态)

表2 双频励磁电磁流量计测量数据(平稳流动状态)

表3 低频方波励磁电磁流量计测量数据(脉动流测量)

表4 双频励磁电磁流量计测量数据(脉动流测量)

工程应用中一般认为仪表精度可按照示值重复性的3倍计算，可知单频方波励磁电磁流量计样机在流速平稳时精度为0.42%;在流量脉动时精度为0.75%。时分双频励磁电磁流量计样机在流速平稳时精度为 0.33%;在流量脉动时测量精度为0.48%。，可知双频励磁电磁流量计样机测量精度较高，且对流量脉动的适应性较好。

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