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电磁流量计

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基于PWM控制的电磁流量计脉冲励磁系统分析与研制

来源:www.sancdc.com作者:发表时间:2018-08-07

 摘要:为了提高励磁频率和减少发热,使电磁流量计能够更好地用于浆液流量测量和灌装流量测量,并长期稳定、可靠地工作,研究了基于PWM控制的脉冲励磁方案,分析其工作原理,计算各种参数,研制实际系统,进行测试和实验。结果表明,该系统能实现更高的励磁频率,产生稳定的励磁电流,极大地减小了励磁系统的功耗,能去除微分干扰对流量信号测量的影响,水流量检定准确度优于0.5级。

 
1 引 言
电磁流量计是基于电磁感应原理工作的仪表,其中的励磁系统为一次仪表中的励磁线圈提供所需的励磁电流,以形成磁场 [1] 。励磁系统是该类流量计的重要组成部分,也是功耗最大的部分 [2] 。当测量通常的导电液体时,电磁流量计往往采用低频方波励磁的方式产生磁场,例如,采用2. 5 Hz 或者 5 Hz 的励磁频率 [3] ,以便输出信号有足够长、稳定的时间段 [4] ,保证较高的测量精度;当测量浆液流量或者进行灌装测量时,必须采用高频励磁,例如,12. 5 Hz 和 25 Hz 或者更高频率,以克服具有 1 /f 特性的浆液噪声影响和加快仪表的响应速度。为此,人们研究了 2 种高频励磁系统:一种是基于线性电源工作原理的,即高低压电源切换的励磁系统 [5 ~7] ;另外一种是基于开关电源工作原理的,即脉冲励磁系统 [8 ~10] 。前一种励磁系统的特点是在励磁电流稳态阶段励磁电流值不变,这样磁场就非常稳定,保证了测量精度 [11] ,但是,恒流控制电路的功耗较大,容易导致励磁系统发热,影响使用寿命。后一种励磁系统根据开关管的开关频率是否受励磁线圈电抗的影响,分为基于电流幅值控制的励磁系统和基于电流误差控制的励磁系统(又称基于 PWM 控制的脉冲励磁系统)。基于电流幅值控制的励磁系统采用迟滞比较器来控制励磁电流 [8,9] 。该励磁系统依靠迟滞比较器的上下门限将励磁电流维持在一个小范围内波动,既保持励磁电流在稳态过程相对稳定,又使能量主要消耗在励磁线圈上,避免电路发热。但是,这种励磁系统没有考虑:当励磁线圈的电抗不同时,励磁电流上升的曲线是不同的,这样励磁电流上升至上门限值或者下降至下门限值的时间就不同,即当励磁线圈不同时,励磁电流波动的频率就不同;励磁电流的波动会引入远大于流量信号的微分干扰,影响流量的测量,而波动的频率因励磁线圈不同而存在差异,需要逐台对电磁流量计进行处理,才能有效地抑制励磁电流波动的影响,这在实际生产中很难实现。基于 PWM(pulsewidth modulation)控制的励磁系统的开关频率是固定的 [9,10] 。励磁电流在稳态阶段以固定的频率波动,不会随励磁线圈的不同而变化,使我们可以采用相应的处理方法来消除励磁电流波动的影响。但是,文献[9,10]没有披露关键的技术细节,也没有给出深入的分析和具体的计算。
 
为此,本文研究了基于 PWM 控制的脉冲磁系统的工作原理和稳流控制方案,定量计算其励磁频率、开关管的开关频率、励磁系统功耗和励磁线圈阻抗,并给出具体的设计参数;研制了基于PWM 控制的脉冲励磁系统的电磁流量计,进行了实验验证。
 
2 基于 PWM 控制的脉冲励磁系统
2. 1 工作原理
针对励磁线圈是感性负载、流过其电流不能突变的特点,PWM 控制电路控制开关管将励磁电源间断地施加在励磁线圈上,实现励磁电流的变化和稳定,其工作原理如图 1 所示。
基于 PWM 控制的脉冲励磁原理示意图
取样电阻与励磁线圈串联,其上的压降反映流过励磁线圈的电流值。PWM 控制电路根据励磁电流值输出控制信号,由驱动电路完成电平转换后导通和关断开关管,以控制励磁电流。在励磁电流上升时,始终导通开关管,将励磁电压一直加在励磁线圈上,以加速励磁电流的上升;在励磁电流达到稳态值时,控制开关管频繁通断,将励磁电源电压以固定的频率加在励磁线圈上,维持励磁电流的基本稳定,即以固定的频率进行很小幅度的波动。在励磁电流上升到稳态阶段的过程中,加在励磁线圈上的电压E 和励磁电流 i 随时间 t 变化的波形如图 2 所示,其中,实线为加在励磁线圈上的电压变化情况,虚线为励磁电流变化情况,E max 表示最大励磁电压,I s 表示励磁电流的稳态平均值。
励磁电压和励磁电流波形示意图
该励磁方式的特点是:在励磁电流稳态阶段,开关管不停地通断,使励磁电流做小幅度的稳定波动,将励磁电压尽可能降在励磁线圈上,避免励磁系统发热,同时,励磁电流固定的波动频率便于消除其引入的干扰。
 
2. 2 励磁频率
基于 PWM 控制的脉冲励磁系统可以实现更高的励磁频率,以满足浆液流量测量和灌装流量测量。在励磁的开始阶段,励磁电流在励磁电源的作用下快速上升至稳态阶段。励磁电流 i 与励磁线圈上所加电压 E 之间的关系为:
20180807111918.jpg
 
式中:L 为励磁线圈的电感值;R 为励磁线圈的直流电阻值。对式(1)进行求导,可以得到:
20180807111935.jpg
可见,励磁电流值变化量相同,其所需的时间与励磁线圈两端施加的电压成反比。所以,基于 PWM控制的脉冲励磁系统可通过提供更高的励磁电压来减小励磁电流上升到稳态值的时间,实现更高的励磁频率。励磁电流的稳态平均值 I s 在稳态阶段的时间需至少保持 t s ,以保证电磁流量计的测量。励磁电流上升的时间为:
20180807111942.jpg
当采用方波励磁时,可实现最高励磁频率 f约为:20180807111946.jpg
式中 t d 为励磁时序的死区时间。以 DN40 电磁流量计为例,基于 PWM 控制的脉冲励磁系统中励磁电压为 80 V,励磁电流为 240 mA,励磁线圈电感值为200 mH、电阻值为 56 Ω,则励磁电流上升时间 t g 为650 μs。若电磁流量计实现准确测量需要励磁电流保持 2 ms 的稳态时间,其励磁时序的死区时间为150 μs,则该励磁系统能实现的最高励磁频率可以达到约 178 Hz。如果进一步提高励磁电源的电压,则可以实现更高的励磁频率,而普通励磁系统的励磁频率仅为 5 Hz 和 6. 25 Hz。
 
2. 3 开关管的开关频率
基于 PWM 控制的脉冲励磁系统会在电磁流量计测量时引入微分干扰,而微分干扰是由励磁电流波动而造成的周期信号,其频率与开关管的开关频率相等,便于采用相应的方法来抑制甚至消除;电磁流量计输出的流量信号也是周期信号,其频率与励磁频率相等。因此,可以把开关管的开关频率控制在远远高于流量信号频率的频段,并采用硬件低通滤波器对微分干扰进行衰减。
 
电磁流量计输出流量信号频段主要在 200 Hz以下。为此:设置硬件低通滤波器的截止频率为流量信号频率的 5 ~ 10 倍,即大约为几千 Hz;设置开关管的开关频率为硬件低通滤波器截止频率的10 倍左右,即大约为几十 kHz。这样硬件低通滤波器不仅可以消除输出信号中噪声的干扰,还可以极大地抑制电流波动所带来的微分干扰。
 
2. 4 励磁功耗分析
在基于 PWM 控制的脉冲励磁系统中,开关管位于励磁电源和励磁线圈之间,以维持励磁电流的稳定,为励磁系统中功耗最大的电路单元。开关管的损耗主要表现为导通损耗和开关损耗。导通损耗是开关管在导通状态下,开关管的导通电阻的功率。由于励磁电流为数百 mA,开关管的导通电阻为数十 mΩ,所以,开关管的导通损耗非常小。开关损耗为开关管从导通(关断)转换为关断(导通)时的所有损耗。开关频率越高,开关损耗就越大,所以,开关管的开关损耗反映了励磁系统的功耗。当开关管接励磁线圈时,开关损耗为[12] :
20180807112230.jpg
式中:I dmax 为流过开关管的最大电流;t c为开关管由关断(导通)到导通(关断)的转换时间; f sw 为开关管的开关频率。
 
以 DN40 电磁流量计为例,基于 PWM 控制的脉冲励 磁 系 统 的 励 磁 电 压 为 80 V,励 磁 电 流 为240 mA,开关管的开关频率为 20 kHz,开关管开关的转换时间为 100 ns,则开关管的开关损耗约为38. 4 mW。
 
2. 5 励磁线圈阻抗
合理地设计励磁线圈的直流电阻值和电感值,有助于减小励磁电流的波动幅值,使基于 PWM 控制的脉冲励磁系统工作在最佳状态。
 
由式(1)和式(2)可知,当励磁电压固定时,励磁电流的变化过程取决于励磁线圈的电感值和直流电阻值。电感值由励磁线圈的匝数决定。当励磁线圈通入一定的电流时,测量管内的磁场与励磁线圈的匝数成正比。为了保证电磁流量计正常测量所需要的磁场强度,励磁线圈的匝数一般不宜变化,此时,可以通过改变励磁线圈的线径来调整直流电阻。
 
忽略开关管上的压降,那么,励磁线圈两端的电压就等于励磁电压:20180807112253.jpg
励磁电流增加时,QQ截图20180807112258.jpg,所以,励磁线圈的直流电阻值要小于励磁电压 E 与励磁电流稳态值 I s之比:
 
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