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基于电磁流量计的空管检测模块设计

来源:作者:发表时间:2017-07-21 09:19:39

 摘要:设计了一种用于电磁流量计传感器空管检测的模块,该模块采用电流源附加激励形式,包括精密电流源、电流控制电路、电阻匹配模块三部分。分析了采用电流源方法相比于参数提取和电压源方法的优势,推导了精密电流源模块的输出阻抗大小。相比于现有空管检测方法,所设计的空管检测模块可靠性更高、适用范围更广。

 
        电磁流量计传感器的空管状态指管道未被液体充满,导致电极部分或全部裸露于空气中,该状态下仪表示数不规则,无法正确显示流量值。
 
        现阶段实现对空管状态的检测,主要有增加电极、参数提取和附加激励三种方法。增加电极的方法需对管道进行改造,在实际使用中可行性不高;参数提取通过测量叠加于流量信号上的微分干扰和工频干扰两种信号,实现对管道的状态判断。由于干扰信号幅值受工况环境影响大,该方法适用范围较小;附加激励源的方法又分为电压源和电流源两类,电压源输出阻抗小,并联于电极回路,使仪表放大器输入阻抗减小,影响流量信号。电流源输出阻抗高,对流量信号的影响可忽略,但电流源输出电流值不应过大,且电流方向应可以改变以避免电极极化引起的零点漂移问题。
 
        为了实现对传感器空管状态更准确、可靠的报警功能,本文提出并设计了一种电流源激励形式的电磁流量计空管检测模块。
 
1     电流源附加激励下传感器电极回路模型
        图1为电流源附加激励下的传感器电极回路模型图,E为磁场作用下表征流速信号的感应电动势,RL为测量电极对地等效电阻,Ri为仪表放大器的输入电阻,Ie为电流源。
电流源附加激励下传感器电极回路模型
        电流源模块与传感器电极回路并联,由电流源输出阻抗无穷大特性可知,电流源模块不对流量信号大小产生影响。考虑实际使用情况下,不同流体类型的流体阻抗大小不一,对于低电导率类型流体,其流体阻抗大,为避免采样电势信号饱和,电流源输出值应根据流体类型大小可调,且输出电流大小在微安级。另外,为了避免电极长时间受同一方向电流影响而产生电极极化反应,导致仪表零点漂移影响仪表精度,电流源流向需可控。
 
        综上所述,为实现电流源附加激励形式的空管检测模块能够准确实现空管报警功能,电流源需满足如下三点约束条件:微弱电流值恒流、电流方向可控、电流值可控。
 
2      空管检测模块系统框架
空管检测模块系统框架
        如图2所示,空管检测模块系统由精密电流源、电流控制电路、阻抗测量模块三部分组成。其中,精密电流源输出恒定电流;电流控制电路实现对电流源输出电流大小和方向控制;阻抗测量模块对电极电势进行采样与电势调整,后送入微处理器进行空管判断。下面分别对三部分电路设计进行介绍。
 
2.1精密电流源电路设计
        电流源并联于传感器电极回路,为了不影响流量信号采集,电流源内阻应为高阻抗。
 
        如图3,Vi1、Vi2为输入电压,VL为负载端电压,io为电流源输出,A1、A2为运算放大器。
恒流源电路
        令isc为负载短路电流,Ro为恒流源等效内阻大小。由诺顿定理,求负载短路下电路的短路电流:
        

         

         

        

        显然,若取R1=R2=R3=R4,则恒流源等效内阻Ro无穷大。恒流源输出电流可简化为:
        QQ截图20170721093144.jpg
        由上述推导可知,电流源输出阻抗无穷大,输出电流大小仅由输入电压Vi1、Vi2和输出电阻R决定,满足空管检测模块设计要求。电路的不足在于,运算放大器输入端易受外部信号干扰,故采用三运算放大器结构替代差分放大结构。在实际设计电路时,使用仪表放大器INA118替代图3中运算放大器A1,仪表放大器INA118优点在于:
        1)高共模抑制比,输入阻抗高达1010Ω;
        2)低输入偏置电流,最大值为10nA;
        3)内部高精密电阻R1=R2=R3=R4=60kΩ;
        4)较宽的增益调节范围,为1~10000。
 
        反馈运放A2使用低输入偏置电流运算放大器,使流入运放A2的损失电流可忽略不计。根据电路知识,使用仪表放大器INA118和运放OPA602后电路输出电流值:QQ截图20170721093221.jpg
        其中,G为仪表放大器放大倍数:QQ截图20170721093227.jpg
 
        RG为增益电阻,改变RG大小即可设定电流源输出电流值。电流源输出电流方向由两输入端决定,当Vi1-Vi2>0时,输出电流流入负载;当Vi1-Vi2<0时,电流从负载流入仪表放大器。
2.2电流控制电路
        电流控制电路主要用于设定电流源输出电流值大小以及电流方向切换频率。为匹配不同类型的传感器,电路应具有电流值大小调整能力。该功能使用D/A转换芯片TLV5625实现,其特点如下:
 
        1)双通道、低功耗、8位电压输出型数模转换器,轨对轨输出;
        2)可采用多种通讯接口,如SPI、TMS320。
        在D/A芯片后增加模拟开关以保证电流源能够按微处理器设置频率进行开关控制,电流控制电路如图4所示。
电流控制电路硬件图
        D/A转换芯片TLV5625采用SPI通讯方式,MCU_DIN为数据信号,MCU_SCLK为时钟信号,MCU_CS为片选信号。芯片输出电压:
QQ截图20170721093745.jpg 
        其中,电压基准Vref=2.048V,由基准芯片提供,code为微处理器控制的电压值大小,范围为0~255。此电路输出电压范围Vout:0~4.096V。
 
2.3阻抗测量模块
        最后介绍阻抗测量模块电路。由电流源将电流输出至负载(传感器两电极)端,并对电极端电势信号进行采集。该电势信号采集由微处理器A/D转换模块实现,输入电压范围为0V~3.3V,因此需对电极端电势信号做电压转换以满足微处理器A/D模块的输入电压范围,电压转换电路如图5所示。
 阻抗测量模块电路图
        如图 5 所示,传感器电极端电势用 V in 表示。 在此信号被送至微处理器 A/D 模块之前,对电压值进行调整。 考虑传感器空管时,电极端电势两种饱和状态, V in 变化范围 -6V~+6V 。 为了避免模块输出端电压值超过微处理器最大输入范围, 令此电路满足公式:
 QQ截图20170721093840.jpg
        1 )当电流为流入电极方向,若管道饱和, V in ≈6V , V MCU_AD ≈0V 。
        2 )当电流为流出电极方向,若管道饱和, V in ≈-6V , V MCU_AD ≈3V 。
        按公式( 15 )进行电压匹配,可以确保无论电流方向正负,管道空管时信号饱和的情况下, 输入微处理器的电势信号不超过其阈值。 下面对电路阻值进行计算,电路总输出电势为:
 QQ截图20170721093855.jpg
        将电路中电阻的选择按公式( 15 )比例,且按标称值进行选择,则阻抗测量模块输出电压:
 QQ截图20170721093859.jpg
        由负载端电压和负载电流值, 可以得电极对地等效阻抗值RL ,将 RL 与保存于微处理器中空管报警判断的阈值进行比较,即实现对传感器管道情况判断。
 
3、结束语
        相比于现有方法,使用电流源形式的附加激励模块,受传感器负载类型影响小,有更广的适用范围和更高的可靠性。

 

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