電磁流量計廣泛應用于各種導電液體的流量檢測,勵磁技術是電磁流量計中最關鍵的技術,經歷了直流勵磁、工頻正弦勵磁、低頻矩形波勵磁和低頻三值矩形波勵磁等幾個階段。本文將從電磁流量計的工作原理出發,進行勵磁關鍵部分設計的闡述,并詳細設計勵磁控制電路的軟硬件結構。
1.1電磁流量計工作原理
電磁流量計是用來測量管內導電介質體積流量的感應式儀表,它根據法拉第電磁感應定律工作,能夠把流速流量信號變換成感應電動勢信號。法拉第電磁感應定律在電磁流量計中應用的公式如下：
其中U為產生的感應電動勢的大小，B為瞥道所在區域的勻強磁場大小，l為導電液體切割磁感線的長度(等效為管道內徑D), V為液休流過的速度大小，可見在磁感應強度B和管道內徑D確定的情況下，感應電動勢L和流速V為線性關系，原理如圖1所示。
1.2勵磁方式的選擇
電磁流量計的低頻知形波勵磁和低頻二值知形波勵磁叫以克服H.流勵磁產生的電極極化效應等，而}}一也叫以克服止弦波勵磁產生的止交十擾影}}向。低頻二值知形波勵磁方式叫以進行零點動態補償，進步提iy電磁流量計的零點穩定性，此外，低頻頻二值知形波勵磁方式與知形波方式相比有更低的勵磁功率，所以，本文選擇低頻二值知形波作為電磁流量計的勵磁信號。
2勵磁系統的硬件設計
2.1系統設計分析
般來說，電磁流量計的流速測量范圍為0.01 m/s一15m/s,管徑大小從15mm到400mm，這里選取管徑大小D=80mm的電磁流量計進行模刑建立。同時，為了保持電磁流量計的感應電動勢小能太小，以免造成后續信號處理，信號放大電路難以匹配，設定感應電動勢數量級范圍為:10-'-10-SV。因此，由公式(1) 可以求得，所需要的磁感應強度I3的范圍為8.3 * 10-4——125*10-4，單位為T(1T=10'G s) 。
通過上述分析，計算出在管徑D=80mm，流速范圍為0.01-15m/s時，所需要的磁感應強度大小為8.3-125Gs，同時，考慮到所需的I3小能太小，小然會造成小流速信號的無法測量，所以選定I3=80G、作為電磁流量計勵磁電路的磁感應強度大小。
2.2勵磁線圈的設計
理論計算證明:線圈間距等于線圈半徑R時，兩個線圈的介磁場在軸附近較大范圍內是均勻的，這時線倦}稱為Hchnholt:線圈，如圖2所示。
圖3為COMSOL中，對Hchnholt線倦進行建模之后的磁場仿真，從圖中也可以肴出其磁場分布的特點也是均勻的。根據利用霍爾效應法測量Helmh0ltz線圈空間磁場均勻區、實際測量中得到的大量數據，可以得出相對的經驗公式，中間的均勻矩形區的范圍為軸向0.7R.徑向D.67R.
2.3線圈參數的確定
這樣設計的線圈為一共32層,每層32根導線。這里,選擇SWG22號線作為勵磁線圈的原材料,外經D=0.776mm,銅芯橫截面積S=0.4072mm2,直流電阻k=43.0Ω/Km。所以,線圈截面的長寬為:32*0.776=24.832mm。本文設計的線圈的尺寸參數如圖4所示,為了匹配其它電路器件。可以計算出單個線圈長度、線圈的電阻值以及線圈兩端的電壓等物理參數分別為738.832m、31.77Ω和31.77V。
2.4勵磁電路的設計
運用BP4610雙極性直流電源的可編程功能能夠輸出三值矩形波的電壓波形。程序輸入方式采用分步界面式輸入,根據產生一個三值矩形波的需要,設置相關參數后產生如5所示的三值方波。但是,BP4610 雙極性直流電源價格昂貴,所以,本文采用Labjack -U12單片機與固態繼電器構成開關系統,用以控制勵磁電路中線圈電流的反相。
利用四個固態繼電器構成一個電流換向的開關組合系統,其中每兩個繼電器一組構成一路開關,每路開關的兩個繼電器的控制端采用并聯,用Labjack -U12上的模擬輸出口A0、A1以達到同時控制,開關端采用串聯構成組合開關,如圖6所示。
A1、A2兩個繼電器為一組,控制端由LABJACK模擬輸出口A0控制,A3、A4為一組,由模擬輸出口A1控制。工作時,A0口輸出合適的電壓和電流驅動繼電器A1、A2控制端,使開關A1、A2吸合,使線圈有右方向的電流導通,持續0.3秒以后,A0口停止輸出0.5秒,此期間開關斷開,線圈中無電流;然后控制A1口輸出0.3秒,控制開關A3、A4閉合,這樣線圈中就有了左方向的電路導通,0.3秒以后,停止輸出0.5秒,然后重復上面步驟進行。這樣我們就能得到一個正—零—負—零的電路狀態,即是設計的勵磁電路能夠產生一個三值矩形波的勵磁信號。
Labjack U12有兩個模擬電壓輸出端———AO0 和 AO1。其電壓輸出在0和電源電壓(一般為+5伏)之間,具有10位分辨率。輸出電壓是線性的,精度一般為±5%。在 Labjack 中可以采用EAnalogOut或AOUpdate來輸出電壓,它們的執行時間為20ms。固態繼電器(簡稱SSR)是采用固體半導體元件組裝而成的一種新穎的無觸點開關,由于它的接通和斷開沒有機械接觸部件,因而其具有開關速度快,工作頻率高,使用壽命長,噪聲低和動作可靠等一系列優點,尤其適用于動作頻繁的特殊場
在前面對電磁流量計勵磁電路的一些參數進行了確定,直流穩壓電源采用32V,總干路電流2A,Labjack輸出電壓0~5V,輸出的電流30mA。根據這些數據,選擇合適的固態繼電器來進行匹配。選型要求:開關電壓大于 32V,開關電流大于2A,控制電壓范圍包括5V,控制電流范圍小于30mA,并且考慮到需要輸入的控制電流較低,需要采用雙極性固態繼電器。根據上述要求選用了Celduc公司生產的固態繼電器,參數如表1所示
3勵磁系統的軟件設計
在軟件設計中,分別用LABJACK -U12的EAnalogOut函數控制周期內的各個步驟,具體程序如下。
本文選用Labjack作為控制器,其模擬輸出端口的輸出電壓和驅動電流分別是5V和30mA,Celduc公司的固態繼電器需要的控制電壓和驅動電流分別是3~16V和1~30mA,因此利用Labjack作為控制器,可以很好的驅動固態繼電器,再選擇合適的直流電源,就可以為電磁流量的線圈提供1A的電流,從而產生80高斯左右的磁場,可以很好地滿足電磁流量計的試驗需要,為電磁流量計的性能測試提供了一種性價比較高的途徑。
本文作者的創新點在于,使用Labjack分辨率為10位的模擬量輸出端口控制固態繼電器的通斷實現電磁流量計所需要的低頻三值方波勵磁信號,并在實際的實驗中進行了應用。作者對本文版權全權負責,無抄襲。
