在電磁流量計(jì)中，傳感器的工作磁場(chǎng)是由勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的。勵(lì)磁方式?jīng)Q定了電磁流量計(jì)的抗干擾能力大小和零點(diǎn)穩(wěn)定性的好壞。勵(lì)磁技術(shù)也經(jīng)歷了直流勵(lì)磁、工頻正弦波勵(lì)磁、低頻矩形波勵(lì)磁、低頻三值矩形波勵(lì)磁、雙頻矩形波勵(lì)磁五個(gè)階段。
(1)直流勵(lì)磁
直流勵(lì)磁技術(shù)是利用永磁體或者直流電源給電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組供電，以形成恒定的勵(lì)磁磁場(chǎng)，這種流量計(jì)感應(yīng)的流量信號(hào)是直流電壓信號(hào)，如圖2.1所示。具有方法簡(jiǎn)單可靠、受工頻干擾影響小以及流體中的自感現(xiàn)象可以忽略不計(jì)等特點(diǎn)。但是，直流勵(lì)磁技術(shù)的最大問(wèn)題是直流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在兩電極表面上形成固定的正負(fù)極性，引起被測(cè)流體介質(zhì)電解，導(dǎo)致電極表面極化現(xiàn)象，使感生的流量信號(hào)電勢(shì)減弱，電極間等效電阻增大，同時(shí)出現(xiàn)電極極化電勢(shì)漂移，嚴(yán)重影響信號(hào)處理部分的工作。即使電極采用極化電勢(shì)很小的鉑、金等貴金屬及其合金材料，常常也存在微弱的極化電勢(shì)，同時(shí)儀表的制造成本較高。另外，直流勵(lì)磁在電極間產(chǎn)生不均衡的電化學(xué)干擾電勢(shì)，疊加在直流流量信號(hào)中無(wú)法消除，并隨著時(shí)間的變化、流體介質(zhì)特性以及流體流動(dòng)狀態(tài)而變化。第三，直流放大器的零點(diǎn)漂移、噪聲和穩(wěn)定性問(wèn)題難以獲得很好的解決。特別是在小流量測(cè)量時(shí)，信號(hào)放大器的直流穩(wěn)定度必須在幾分之一微伏之內(nèi)，這樣就限制了直流勵(lì)磁技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前直流勵(lì)磁技術(shù)僅在原子能工業(yè)中用于導(dǎo)電率極高，而又不產(chǎn)生極化效應(yīng)的液態(tài)金屬流量測(cè)量中。
(2)工頻正弦波勵(lì)磁
工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)是利用工頻50Hz 正弦波電源給電磁流量計(jì)傳感器勵(lì)磁繞組供電。其主要特點(diǎn)是能夠基本消除電極表面的極化現(xiàn)象，降低電極電化學(xué)電勢(shì)的影響和傳感器的內(nèi)阻。另外采用工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)，其傳感器輸出流量信號(hào)仍然是工頻正弦波信號(hào)，易于信號(hào)放大處理，而且能夠避免直流放大器存在的實(shí)際困難，勵(lì)磁電源簡(jiǎn)單方便。
但是，工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)的采用會(huì)帶來(lái)一系列電磁感應(yīng)干擾和噪聲。首先，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的正交干擾(又稱為變壓器效應(yīng))，其干擾幅值與頻率成正比，相位比流量信號(hào)滯后90°，而且實(shí)際中一般又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量信號(hào)，因此如何克服正交干擾電勢(shì)的影響是正弦波勵(lì)磁技術(shù)的主要難題。其次，工頻正弦波供電電源存在電源電壓幅值和頻率波動(dòng)的影響，產(chǎn)生供電電源性干擾。第三，存在電磁感應(yīng)的渦流效應(yīng)、靜電感應(yīng)的分布電容、雜散電流產(chǎn)生同相干擾，且此干擾電勢(shì)的頻率和工頻完全一致，并疊加在流量信號(hào)之中難以消除，以致電磁流量計(jì)零點(diǎn)不穩(wěn)定。雖然采用相敏整流、嚴(yán)格的電磁屏蔽和線路補(bǔ)償、電源補(bǔ)償、自動(dòng)正交抑制系統(tǒng)等技術(shù)措施以消除與流量信號(hào)頻率一致的工頻干擾電壓，但由于正交電勢(shì)的幅值比流量信號(hào)電勢(shì)幅值大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，正交抑制系統(tǒng)等抗干擾技術(shù)措施的任何不完善，都可能引起一部分正交電勢(shì)轉(zhuǎn)化為同相干擾電勢(shì)，導(dǎo)致電磁流量計(jì)零點(diǎn)不穩(wěn)定，精度難以提高。
(3)低頻矩形波勵(lì)磁
矩形波勵(lì)磁技術(shù)既具有直流勵(lì)磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、變壓器效應(yīng)(正交干擾)和同相干擾等優(yōu)點(diǎn)，又具有工頻正弦波勵(lì)磁基本不產(chǎn)生極化效應(yīng)，便于信號(hào)放大處理，而能避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的抗干擾性能，得以在電磁流量計(jì)中廣泛應(yīng)用。
(4)低頻三值矩形波勵(lì)磁
低頻三值矩形波勵(lì)磁技術(shù)采用工頻頻率的八分之一為周期，采用正→零→負(fù)→零→正的規(guī)律變化的勵(lì)磁波形，如圖2.4 所示。此項(xiàng)勵(lì)磁技術(shù)的最大特點(diǎn)是能夠通過(guò)零值勵(lì)磁時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)零點(diǎn)校正，進(jìn)一步提高了零點(diǎn)穩(wěn)定性。另外，通過(guò)一個(gè)周期內(nèi)的四次采樣值，近似認(rèn)為極化電勢(shì)恒定，利用微處理器數(shù)值運(yùn)算得以消除極化電勢(shì)的影響。
(5)雙頻矩形波勵(lì)磁
低頻三值矩形波勵(lì)磁雖然具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性，但在測(cè)量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)，固體顆粒擦過(guò)電極表面導(dǎo)致電極的接觸電勢(shì)突然變化，電磁流量計(jì)傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)尖峰狀脈沖；在測(cè)量低導(dǎo)電率流體流量時(shí)，電極的電化學(xué)電勢(shì)定期變動(dòng)，產(chǎn)生幅值隨頻率成反比的噪聲(即1/f 噪聲)，導(dǎo)致低頻矩形波勵(lì)磁電磁流量計(jì)輸出搖擺，前者稱為泥漿干擾，后者稱為流動(dòng)噪聲。提高勵(lì)磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動(dòng)噪聲，提高傳感器輸出信號(hào)的信噪比。由上面分析可知，傳統(tǒng)正弦波勵(lì)磁最大的難題是無(wú)法徹底解決工頻干擾問(wèn)題，同時(shí)其正交干擾與勵(lì)磁頻率成正比，經(jīng)常會(huì)淹沒(méi)流量信號(hào)；低頻方波勵(lì)磁很大程度解決了工頻干擾和正交干擾，但又存在微分干擾的問(wèn)題，同時(shí)仍然存在渦電流的影響；在低頻勵(lì)磁方式上改進(jìn)的三值低頻矩形波勵(lì)磁改善了微分干擾狀況，但不能解決其它一些干擾問(wèn)題。基于上述情況，充分考慮到各個(gè)勵(lì)磁方式的優(yōu)缺點(diǎn)，利用單片機(jī)對(duì)勵(lì)磁方式可調(diào)的原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)電磁流量計(jì)勵(lì)磁方式可選的方案，根據(jù)不同的測(cè)量介質(zhì)，可以選擇不同的勵(lì)磁方式，最大可能的減少各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。在這里，我們選擇低頻三值矩形波勵(lì)磁作為本項(xiàng)目的默認(rèn)勵(lì)磁方式，并對(duì)此勵(lì)磁方式進(jìn)行了單片機(jī)編程。
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