電磁流(liu)量計 傳感(gan)器的空管(guan)狀态指管(guan)道未被液(ye)體充滿，導(dao)緻電極部(bu)分或全部(bu)裸露于空(kong)氣中，該狀(zhuang)态下儀表(biao)示數不規(gui)則，無法正(zheng)✍️确顯示流(liu)量值［1］。
　　現階(jie)段電磁流(liu)量計實現(xian)對空管狀(zhuang)态的檢測(ce)，主要有增(zeng)加電極、參(can)數提取和(he)附加激勵(li)三種方法(fa)［2－3］。增加電極(ji)的方法需(xu)對管道進(jin)行改造，在(zai)實際使用(yong)中可行性(xing)不高；參數(shu)提取通過(guo)測量疊加(jia)于流量信(xin)号上的微(wei)分幹🔴擾和(he)工頻幹擾(rao)兩種信号(hao)，實現對管(guan)道的狀态(tai)判斷。由于(yu)幹擾信号(hao)幅值受工(gong)況環境影(ying)響大，該方(fang)法适用範(fan)圍較小；附(fu)加激勵源(yuan)的方法又(you)💃分爲📐電壓(ya)源和電流(liu)源兩類，電(dian)壓源輸出(chu)阻抗小，并(bing)聯于電極(ji)回路，使儀(yi)表放大器(qi)輸入阻抗(kang)減小，影響(xiang)流量信号(hao)。電流源輸(shu)出阻抗高(gao)，對流量信(xin)号的影響(xiang)⛱️可忽🈲略，但(dan)電流源輸(shu)出電流值(zhi)不應過大(da)，且電流方(fang)向應可以(yi)改變以避(bi)免電極極(ji)📧化引起的(de)零點漂移(yi)問題［4］。
　　爲了(le)實現對傳(chuan)感器空管(guan)狀态更準(zhun)确、可靠的(de)報警🔞功能(neng)，一種電流(liu)源激勵形(xing)式的電磁(ci)流量計空(kong)管檢測模(mo)⛱️塊。
1電流源(yuan)附加激勵(li)下傳感器(qi)電極回路(lu)模型
　　圖1爲(wei)電流源附(fu)加激勵下(xia)的傳感器(qi)電極回路(lu)模型圖，E爲(wei)磁場作🔅用(yong)下表征流(liu)速信号的(de)感應電動(dong)勢，RL爲🈲測量(liang)電極對地(di)等效❤️電阻(zu)，Ri爲儀表放(fang)大器的輸(shu)入電阻，Ie爲(wei)電流源。

　　電(dian)流源模塊(kuai)與傳感器(qi)電極回路(lu)并聯，由電(dian)流源輸出(chu)阻抗無🛀窮(qiong)🍓大特性可(ke)知，電流源(yuan)模塊不對(dui)流量信😍号(hao)大小産生(sheng)影🌈響。考慮(lü)實際使用(yong)情況下，不(bu)同流體類(lei)型的流體(ti)阻抗大小(xiao)不一，對于(yu)低電導率(lü)類型流體(ti)，其流體阻(zu)抗大，爲避(bi)免采樣電(dian)勢信号飽(bao)和，電流🔴源(yuan)輸出值應(ying)根據流體(ti)類型大小(xiao)可調，且輸(shu)出電流大(da)小在微安(an)級👨‍❤️‍👨。另外，爲(wei)了避免電(dian)極長時間(jian)受同一方(fang)向電流影(ying)響而産生(sheng)電🔞極極化(hua)反應，導緻(zhi)儀表零點(dian)漂移影響(xiang)儀表精度(du)，電流源流(liu)向需可控(kong)。
　　綜上所述(shu)，爲實現電(dian)流源附加(jia)激勵形式(shi)的空管檢(jian)測模塊能(neng)夠準确實(shi)現空管報(bao)警功能，電(dian)流源需滿(man)足如❓下三(san)點約束條(tiao)🔞件：微弱電(dian)流值恒流(liu)、電流方向(xiang)可控、電流(liu)值可💜控。
2空(kong)管檢測模(mo)塊系統框(kuang)架

　　如圖2所(suo)示，空管檢(jian)測模塊系(xi)統由精密(mi)電流源、電(dian)流控制電(dian)🚩路🚶‍♀️、阻抗測(ce)量模塊三(san)部分組成(cheng)。其中，精密(mi)電流源輸(shu)出恒定電(dian)流；電流控(kong)制電路實(shi)現對電流(liu)源輸出電(dian)流大小和(he)方向控制(zhi)；阻📱抗測量(liang)模塊對電(dian)極電勢進(jin)行采樣與(yu)電勢調整(zheng)，後送入微(wei)處理器進(jin)行空管判(pan)斷。下🈚面分(fen)别對三部(bu)分電路設(she)🛀🏻計進行介(jie)紹。
2．1精密電(dian)流源電路(lu)設計
　　電流(liu)源并聯于(yu)傳感器電(dian)極回路，爲(wei)了不影響(xiang)流量信号(hao)采集，電👈流(liu)源内阻應(ying)爲高阻抗(kang)。如圖3，Vi1、Vi2爲輸(shu)入電壓，VL爲(wei)負載端電(dian)壓，io爲電流(liu)源輸出，A1、A2爲(wei)運算放大(da)器。

　　令isc爲負載(zai)短路電流(liu)，Ro爲恒流源(yuan)等效内阻(zu)大小。由諾(nuo)頓定⭕理㊙️，求(qiu)負載短路(lu)下電路的(de)短路電流(liu)［5］：

　　由上述推(tui)導可知，電(dian)流源輸出(chu)阻抗無窮(qiong)大，輸出電(dian)流大小僅(jin)由輸入電(dian)壓Vi1、Vi2和輸出(chu)電阻R決定(ding)，滿足空管(guan)檢測模塊(kuai)設計🌏要求(qiu)。電路的不(bu)足在于，運(yun)算放大器(qi)💔輸入端📞易(yi)受外🎯部信(xin)号⛹🏻‍♀️幹擾，故(gu)采用三運(yun)算放大器(qi)結構替代(dai)差分放大(da)結構。在實(shi)際設計電(dian)路時，使用(yong)儀表放大(da)器INA118替代圖(tu)3中運算放(fang)大器A1，儀表(biao)放大器INA118優(you)🐆點在于：
1）共(gong)模抑制比(bi)，輸入阻抗(kang)高達1010Ω；
2）低輸(shu)入偏置電(dian)流，最大值(zhi)爲10nA；
3）内部精(jing)密電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較(jiao)寬的增益(yi)調節範圍(wei)，爲1～10000。
　　反饋運(yun)放A2使用低(di)輸入偏置(zhi)電流運算(suan)放大器，使(shi)流入🧑🏾‍🤝‍🧑🏼運放(fang)A2的損🏃失電(dian)流可忽略(lue)不計。根據(ju)電路知識(shi)，使用儀💁表(biao)放大器INA118和(he)運放OPA602後電(dian)路輸出電(dian)流值：

　　RG爲增(zeng)益電阻，改(gai)變RG大小即(ji)可設定電(dian)流源輸出(chu)電流❤️值。電(dian)流源🤩輸出(chu)電流方向(xiang)由兩輸入(ru)端決定，當(dang)Vi1－Vi2＞0時，輸出電(dian)流流入負(fu)載；當Vi1－Vi2＜0時，電(dian)流從負載(zai)流入儀表(biao)放大器。
2．2電(dian)流控制電(dian)路
　　電流控(kong)制電路主(zhu)要用于設(she)定電流源(yuan)輸出電流(liu)值🏃‍♂️大小🈲以(yi)及電流方(fang)向切換頻(pin)率。爲匹配(pei)不同類型(xing)的傳感器(qi)，電路應具(ju)有電流值(zhi)大小調整(zheng)能力。該功(gong)能使用D/A轉(zhuan)換芯片TLV5625實(shi)現，其特點(dian)如下：
1）雙通(tong)道、低功耗(hao)、8位電壓輸(shu)出型數模(mo)轉換器，軌(gui)對軌輸出(chu)
2）可采用多(duo)種通訊接(jie)口，如SPI、TMS320。在D/A芯(xin)片後增加(jia)模拟開關(guan)以保證🔞電(dian)流🙇‍♀️源能夠(gou)按微處理(li)器設置頻(pin)率進行開(kai)關控制，電(dian)👈流控制電(dian)路如圖4所(suo)示。

　　D/A轉(zhuan)換芯片TLV5625采(cai)用SPI通訊方(fang)式，MCU＿DIN爲數據(ju)信号，MCU＿SCLK爲時(shi)鍾信号，MCU＿CS爲(wei)片選信⛷️号(hao)。芯片輸出(chu)電壓：

　　其中(zhong)，電壓基準(zhun)Vref＝2．048V，由基準芯(xin)片提供，code爲(wei)微處理器(qi)控制的🏃🏻電(dian)壓值大小(xiao)，範圍爲0～255。此(ci)電路輸出(chu)電壓範圍(wei)Vout：0～4．096V。
2．3阻抗測量(liang)模塊
　　最後(hou)介紹阻抗(kang)測量模塊(kuai)電路。由電(dian)流源将電(dian)流輸出🔞至(zhi)負載💯（傳感(gan)器兩電極(ji)）端，并對電(dian)極端電勢(shi)信号💚進行(hang)采集❗。該電(dian)🍉勢信🙇🏻号采(cai)集由微處(chu)理器A/D轉換(huan)模塊實現(xian)，輸📞入電壓(ya)範圍爲0V～3．3V，因(yin)此需對電(dian)極端電勢(shi)信号做電(dian)壓轉換以(yi)滿足微處(chu)理器A/D模塊(kuai)的輸入電(dian)壓範👉圍，電(dian)壓轉換電(dian)路如圖5所(suo)示。

　　如(ru)圖5所示，傳(chuan)感器電極(ji)端電勢用(yong)Vin表示。在此(ci)信号被🔴送(song)至微處理(li)器A/D模塊之(zhi)前，對電壓(ya)值進行調(diao)整。考慮傳(chuan)感器空管(guan)時，電極端(duan)電✔️勢兩種(zhong)飽和狀态(tai)，Vin變化範圍(wei)－6V～＋6V。爲了避免(mian)模塊輸出(chu)端電壓值(zhi)超過微處(chu)理器最☔大(da)輸入範圍(wei)，令此電路(lu)滿足公式(shi)：

1）當電流爲(wei)流入電極(ji)方向，若管(guan)道飽和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當(dang)電流爲流(liu)出電極方(fang)向，若管道(dao)飽和，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按公(gong)式（15）進行☔電(dian)壓匹配🍉，可(ke)以确保無(wu)論電流方(fang)向正負，管(guan)道空管時(shi)信号飽和(he)的情況下(xia)，輸入微處(chu)理器的電(dian)勢信号不(bu)超過其阈(yu)值。下面對(dui)電路阻值(zhi)進行計算(suan)，電路總輸(shu)出電勢爲(wei)：

　　由負載端(duan)電壓和負(fu)載電流值(zhi)，可以得電(dian)極對地等(deng)🔞效阻抗值(zhi)RL，将RL與保存(cun)于微處理(li)器中空管(guan)報警判斷(duan)☁️的阈值進(jin)行比較，即(ji)實現🔞對傳(chuan)感器管道(dao)情況判斷(duan)。
3結束語
　　相(xiang)比于現有(you)方法，電磁(ci)流量計使(shi)用電流源(yuan)形式的♌附(fu)加激勵🛀🏻模(mo)塊，受傳感(gan)器負載類(lei)型影響小(xiao)，有更廣🈲的(de)适🙇‍♀️用範圍(wei)和更高的(de)可📞靠性。

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