1.前言
在众多的流量测量仪表中,电磁欧宝官方(中国)官方网站具有高精度、无阻流件、无压损等特点,在很多行业有着广泛的应用。然而传统的电磁欧宝官方(中国)官方网站的功耗都很大,在仪表的低功耗技术方面比较落后,一般都采用220V交流或24V直流电源供电。随着微电子技术的快速发展,特别是一些稳定可靠、高集成度芯片的问世使得低功耗设计成为仪表的发展趋势。采用电池供电的低功耗电磁欧宝官方(中国)官方网站,不但拥有传统电磁欧宝官方(中国)官方网站的优点,而且无需外接电源,可以应用在没有外接电源的现场环境中,还可以削弱由外电源引入的一系列干扰,也可以防止雷击引起的损害,从而提高了欧宝官方(中国)官方网站的抗干扰能力,保证测量的长期稳定性。
在近年来,国外一些企业成功研发了电池供电的电磁欧宝官方(中国)官方网站,然而国内的各电磁欧宝官方(中国)官方网站生产企业仍然相对落后,几乎没有这方面产品。究其原因,是因为电磁欧宝官方(中国)官方网站的励磁功耗太大,小电流的励磁技术难以突破。
本文从转换器的传感器的结构、励磁信号以及抗干扰措施三方面分析,介绍了一种新的电池供电励磁技术,在电池供电电磁欧宝官方(中国)官方网站设计上实现了关键技术的突破。
2.电池励磁的理论基础
电磁欧宝官方(中国)官方网站的工作原理基于法拉第电磁感应定律。当被测导电液体通过包围在磁场中的测量管时,在与液体流向和磁场方向二者都垂直的第三个方向上就会产生与平均流速V成正比的感应电动势E；可表示为：
E=BDV
式中B一一感应电磁强度(T)
D一一电极间距(m)
V一一流体平均流速(m/s)
由上式可以看出,对于相同口径的欧宝官方(中国)官方网站来说,当在平均流速V相同时,感应电动势E与管道中的磁感应强度B成正比。电磁欧宝官方(中国)官方网站的高精度测量,需要在管道中导电液体流动时有足够强度的感应电动势E产生,这就要求欧宝官方(中国)官方网站的磁感应强度B足够大。由磁学可知,流过线圈的激励电流越大,则磁感应强度B越大。可是在电池供电的电磁欧宝官方(中国)官方网站中,磁场激励电流必须要很小,所以为了保证欧宝官方(中国)官方网站的高精度测量,必须从各个方面都要进行低功耗设计。
3.励磁铁芯线圈设计
电磁欧宝官方(中国)官方网站的磁场是由励磁电流通过线圈绕组而产生,磁场的面积不能改变,线的圏数与磁感应强度B成正比,同时能量又损耗在线圈发热和导磁介质上。因此要增强磁场,就要从增加线圏圈数、改变传感器结构和采用高磁导率的材料几方面进行设计。
本节介绍一种带有叠层铁芯的线圈结构设计传统传感器的励磁铁芯结构主要是:一对圆形励磁线圈中各有一个软铁制成的圆形铁芯,另有2~4层由硅钢片绕成的闭合磁轭,把一对线圏和一对铁芯完全包裹在内部,而且硅钢片与圆形铁芯相接触,形成一个磁路。这种传统结构有四点不足:(1)用一条硅钢片包裹线圈形成的磁路过于简单,在低功耗供电的条件下,不能形成匀强磁场。(2)硅钢片磁轭与软铁制成的铁芯之间有较大间隙,且相对面积不够大,致使磁场能量被减少20%~33%。(3)电池供电条件下的励磁电流小于传统欧宝官方(中国)官方网站的10%,必须提高励磁效率,以满足低功耗供电。(4)传统的圆形线圈结构简单,但未考虑到匀强磁场特性,造成传感器的总体非线性误差。
本节介绍的这种叠层铁芯的线圈结构是使用硅钢片或砂钢片制成的、带有磁轭的一体化铁芯,图3.1给出了一片砂钢片的外形,不再使用软铁制成的独立铁芯,这就改变了独立铁芯与磁轭之间的较大空隙和较小相对面积的缺点,提高了空间磁场强度:同时配合如图3.2示出的一对马鞍形线圏,保证了空间匀强磁场特性,为电池供电励磁提供足够磁场强度。
具体结构是由数片带磁轭的铁芯用铆钉穿过铁芯上的圆孔铆接在一起,形成叠层式铁芯;将马鞍形线圈绝缘后,内孔插套在叠层式铁芯的铁芯上:再将两个相同的带有线圈的叠层式铁芯的两边磁轭部分别对接在起,并用卡子夹紧形成简状,如图3.3所示。
总之,这种结构克服了独立铁心与磁轭之间的较大间隙和较小接触面的缺点,提高了空间磁场强度,保证了空间匀强磁场特性,减少了电池供电条件下的励磁功耗。
4.励磁信号设计
在电磁欧宝官方(中国)官方网站的励磁周期的选择方面,一般都选用50Hz的倍数或分数,这样的频率可以有效地抑制工频干扰。励磁频率的选择,从降低传感器零点、保持稳定的角度出发,通常采用6.25~3.125Hz,甚至低到1Hz的励磁频率;从降低流体极化电压引起输出摆动的角度出发,励磁频率要选择10Hz至100Hz范围:为降低低电导率时流动噪声的影响,励磁频率可能达到300Hz。在电池供电的电磁欧宝官方(中国)官方网站中,采用太低频率的励磁会增加测量工作时间,增大欧宝官方(中国)官方网站的功耗;若用太高的频率励磁,则由于传感器线圈的电感量的影响,会使得信号的平滑采样段不够,无法测量。所以频率的选择要根据实际情况来确定,一般小于50Hz。
5.抗干扰措施
由于传感器产生的电动势E很小,只有μV量级,电磁欧宝官方(中国)官方网站需要对该电动势进行放大,再将模拟信号转换为数字信号,最终转化为流量显示。普通电磁欧宝官方(中国)官方网站需要将信号放大上千倍,并采取有效的抗干扰措施,才能对感应电动势有效的测量。而在电池供电的电磁欧宝官方(中国)官方网站中,传感器产生的信号更小,这就需要放大倍数更大的高抗干扰放大电路设计。一般需要几千倍增益的放大电路才能达到要求。
电磁欧宝官方(中国)官方网站的干扰主要有正交干扰、同相干扰、微分干扰、串模干扰、共模干扰和直流干扰等等。针对上述干扰可采取的措施主要有:(1)改善传感器制作工艺,使电极的引线、转换器输入阻抗体和被测流体三者形成的闭合回路空间,尽量平行于磁力线。(2)A/D采样周期避开微分干扰部分。(3)通过使用双绞线使串模干扰抵消,使用低通滤波器抑制高频干扰,加强转换器放大电路板的屏蔽措施和利用选择工频周期倍数的励磁周期软件滤波等措施消除工频干扰。(4)通过良好的接地和放大器的高共模抑制比来消除共模干扰。
(5)采用低频双值或三值矩形波励磁可以避免直流干扰。
6.实验数据
本电池供电电磁欧宝官方(中国)官方网站采用图2.3所示的叠层式励磁铁芯线圈圏,对于DN50的传感器,采用12.5Hz和10mA交流励磁,73dB增益放大器。实验数据如表6.1所示。
7.结论
本设计中电磁欧宝官方(中国)官方网站的电池供电励磁技术,采用了新的传感器线圈结构,提高了电磁场的转化效率,降低了激励磁场的损失;同时采用了高抗干扰、高增益的放大电路设计及间歇休眠式工作的低功耗模式。经过实验验证,当流体流速在0.1~0.3ms所对应的流量范围内,可以满足士1%的精度,在0.3~10m/s范围内可以达到土0.3%的精度。这与目前工业应用中的220V交流供电电磁欧宝官方(中国)官方网站相差无几。若采用3.6V电池供电,可以持续工作五年以上,实现了电池供电的低功耗设计。