電磁流(liú)量計 傳感器(qì)的空管狀态(tai)指管道未被(bei)液體充滿，導(dao)緻電👨‍❤️‍👨極部分(fen)🏃🏻‍♂️或🍓全部裸露(lù)于空氣中，該(gāi)狀态下儀表(biǎo)示數不規則(ze)，無法正确顯(xian)示流量值［1］。
　　現(xiàn)階段電磁流(liú)量計實現對(duì)空管狀态的(de)檢測，主要❌有(yǒu)增加電極、參(can)數提取和附(fù)加激勵三種(zhong)方法［2－3］。增加電(dian)極的方法需(xū)對管道進💘行(háng)改造，在實際(jì)使用中可行(háng)性不👣高；參數(shù)📧提取通過測(cè)量疊加于🈲流(liú)量信号上的(de)微分幹🔱擾和(he)工頻幹擾兩(liang)種信号，實現(xian)對管道的狀(zhuàng)态判斷。由于(yu)幹擾信号✌️幅(fú)值受工況環(huán)境影響大，該(gāi)方法适用範(fàn)圍較小；附加(jia)激勵源的方(fang)法又分爲電(dian)壓源和電流(liú)源兩類，電壓(yā)源輸出阻抗(kang)小，并聯于電(dian)極回路，使儀(yi)表放大器輸(shū)入阻抗減小(xiao)，影響流量信(xìn)号。電流源輸(shū)出阻抗高，對(dui)流量信号的(de)影響可忽略(lue)，但電流源輸(shu)出電流值😘不(bú)應過大，且電(diàn)流方向應可(kě)以改變以㊙️避(bì)免電極極化(huà)引起的零點(diǎn)漂移問題［4］。
　　爲(wei)了實現對傳(chuan)感器空管狀(zhuàng)态更準确、可(kě)靠的報警功(gōng)💯能，一種❤️電流(liu)源激勵形式(shi)的電磁流量(liàng)計空管檢測(ce)模塊。
1電流源(yuán)附加激勵下(xià)傳感器電極(ji)回路模型
　　圖(tu)1爲電流源附(fu)加激勵下的(de)傳感器電極(ji)回路模型🥵圖(tu)，E爲磁場作用(yong)下表征流速(sù)信号的感應(yīng)電動勢，RL爲測(cè)量電極對地(di)等效🔱電阻，Ri爲(wèi)儀表放大器(qì)的輸入電🌈阻(zǔ)，Ie爲電流源。

　　電(dian)流源模塊與(yǔ)傳感器電極(jí)回路并聯，由(yóu)電流源輸出(chū)阻抗♍無窮大(dà)特性可知，電(dian)流源模塊不(bu)對流量信号(hao)大🌍小産生影(yǐng)響。考慮實際(ji)使用情況下(xia)，不同流體類(lèi)型的流體阻(zǔ)抗大小不一(yi)，對于低電導(dǎo)率類型流體(ti)，其流體阻抗(kang)大，爲避免采(cǎi)樣電勢信号(hao)飽和，電流❓源(yuan)輸出值應根(gen)據流體類型(xing)大小可調，且(qie)輸出電流大(da)小在微安級(jí)。另外，爲了避(bi)免電極長時(shi)間受同一方(fang)向電流影響(xiǎng)而産生電極(ji)極化反應，導(dao)緻儀表零🔞點(diǎn)漂移影響儀(yí)表精度，電流(liú)源流向需♋可(ke)控。
　　綜上所述(shù)，爲實現電流(liú)源附加激勵(lì)形式的空管(guan)檢測模塊能(neng)💃夠🚶準确實現(xian)空管報警功(gōng)能，電流源需(xū)滿足如🏃‍♀️下三(sān)點約束條件(jian)：微弱電流值(zhí)恒流、電流方(fāng)向🈚可控、電流(liú)值可控。
2空管(guan)檢測模塊系(xi)統框架

　　如(ru)圖2所示，空管(guan)檢測模塊系(xì)統由精密電(diàn)流源、電流控(kòng)制電路🤟、阻抗(kàng)測量模塊三(san)部分組成。其(qí)中，精密電流(liú)源輸出恒定(ding)電流💰；電流控(kòng)制電路實現(xiàn)對電流源輸(shū)出電流大小(xiǎo)和方向☂️控制(zhì)；阻抗測量🌐模(mo)塊對電極電(dian)勢進行采樣(yàng)與電🌈勢調整(zhěng)，後送入微處(chu)理器進行🔞空(kong)管判斷。下面(miàn)分别對三部(bù)分電路設計(ji)進行介紹。
2．1精(jing)密電流源電(diàn)路設計
　　電流(liú)源并聯于傳(chuan)感器電極回(huí)路，爲了不影(ying)響流量信号(hào)㊙️采集，電流源(yuán)内阻應爲高(gāo)阻抗。如圖3，Vi1、Vi2爲(wèi)輸入電壓，VL爲(wèi)負載端電壓(ya)，io爲電流源輸(shu)出，A1、A2爲運算放(fang)大器。

　　令isc爲(wei)負載短路電(diàn)流，Ro爲恒流源(yuan)等效内阻大(da)小。由諾頓定(dìng)理，求負載短(duan)路下電路的(de)短路電流［5］：

　　由(you)上述推導可(ke)知，電流源輸(shū)出阻抗無窮(qiong)大，輸出電流(liú)大小僅由💔輸(shu)入電壓Vi1、Vi2和輸(shu)出電阻R決定(ding)，滿足空管檢(jiǎn)測模塊設計(jì)要求。電路的(de)不足在于，運(yun)算放大器輸(shu)入端易受外(wài)部信号✏️幹擾(rǎo)，故🆚采用三運(yùn)算放大器🍉結(jie)構替代差分(fèn)放大結構。在(zài)實際設計電(diàn)♍路時，使用❓儀(yí)表放大器INA118替(tì)代圖3中運算(suan)放大器A1，儀表(biǎo)放大器INA118優☁️點(dian)在于：
1）共模抑(yi)制比，輸入阻(zu)抗高達1010Ω；
2）低輸(shū)入偏置電流(liú)，最大值爲10nA；
3）内(nèi)部精密電阻(zu)R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較寬的增益(yi)調節範圍，爲(wei)1～10000。
　　反饋運放A2使(shi)用低輸入偏(piān)置電流運算(suàn)放大器，使流(liu)入運放A2的損(sun)失電流可忽(hu)略不計。根據(jù)電路知識，使(shi)用儀表放☁️大(dà)器INA118和運放OPA602後(hou)🌈電路輸出電(diàn)流值：

　　RG爲增益(yì)電阻，改變RG大(da)小即可設定(dìng)電流源輸出(chū)電流值。電🎯流(liu)源輸出電流(liú)方向由兩輸(shū)入端決定，當(dang)Vi1－Vi2＞0時，輸✔️出電流(liu)流入負🚶載；當(dang)💃Vi1－Vi2＜0時，電流從負(fù)載流入儀表(biao)放大器。
2．2電流(liu)控制電路
　　電(dian)流控制電路(lù)主要用于設(shè)定電流源輸(shū)出電流值🙇🏻大(dà)💃小以及電流(liú)方向切換頻(pin)率。爲匹配不(bu)同類型的傳(chuan)感🌈器，電路應(ying)具有電流值(zhí)大小調整能(neng)力。該功能🔴使(shǐ)用D/A轉換芯片(piàn)TLV5625實現，其特點(dian)如下：
1）雙通道(dao)、低功耗、8位電(dian)壓輸出型數(shù)模轉換器，軌(guǐ)對軌輸出
2）可(ke)采用多種通(tōng)訊接口，如SPI、TMS320。在(zài)D/A芯片後增加(jia)模拟開關以(yi)🙇‍♀️保證電流源(yuán)能夠按微處(chu)理器設置頻(pin)率進行開關(guan)控🎯制，電流控(kong)制電路如圖(tu)4所示。

　　D/A轉換芯片(piàn)TLV5625采用SPI通訊方(fāng)式，MCU＿DIN爲數據信(xìn)号，MCU＿SCLK爲時鍾信(xìn)号，MCU＿CS爲片選信(xin)号🌈。芯片輸出(chū)電壓：

　　其中，電(dian)壓基準Vref＝2．048V，由基(ji)準芯片提供(gòng)，code爲微處理器(qì)控制的電壓(yā)值大💛小，範圍(wei)爲0～255。此電路輸(shū)出電壓範圍(wéi)Vout：0～4．096V。
2．3阻抗測量模(mó)塊
　　最後介紹(shào)阻抗測量模(mo)塊電路。由電(diàn)流源将電流(liu)輸🤟出至負載(zai)（傳🌈感器兩電(dian)極）端，并對電(dian)極端電勢信(xin)号🈲進行采集(jí)。該電勢信号(hào)采集由微處(chu)理器A/D轉換模(mó)塊實現，輸入(rù)電壓🧡範圍爲(wei)0V～3．3V，因此需對電(dian)極端電勢信(xìn)号⛱️做電壓轉(zhuan)👅換以滿足微(wei)處理器A/D模塊(kuai)的輸♌入電壓(yā)範圍，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖(tu)5所示。

　　如圖5所示(shì)，傳感器電極(ji)端電勢用Vin表(biao)示。在此信号(hao)被送至微處(chù)理器A/D模塊之(zhi)前，對電壓值(zhí)進行調整。考(kao)慮🌐傳感器空(kōng)管時，電極端(duan)電勢兩種飽(bao)和狀态，Vin變化(huà)範圍－6V～＋6V。爲了避(bì)免模塊輸出(chū)端電壓💁值超(chao)過微處理器(qi)最大輸入範(fan)圍，令此電路(lù)滿足公式：

1）當(dāng)電流爲流入(ru)電極方向，若(ruo)管道飽和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當(dāng)電流爲流出(chū)電極方向，若(ruo)管道飽和，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按(an)公式（15）進行電(diàn)壓匹配，可以(yi)确保無論電(diàn)流方向正負(fu)，管道空管時(shí)信号飽♊和的(de)情況下，輸入(ru)微處理器的(de)電勢信号不(bú)超過其阈值(zhi)。下面對電路(lù)阻值進行計(jì)算，電路總輸(shū)出電勢爲：

　　由(you)負載端電壓(ya)和負載電流(liú)值，可以得電(dian)極對地等效(xiào)阻抗值😍RL，将RL與(yǔ)保存于微處(chu)理器中空管(guan)報警判斷的(de)阈值進行比(bi)較，即實現對(dui)傳感器管道(dao)情況判斷🌏。
3結(jié)束語
　　相比于(yu)現有方法，電(diàn)磁流量計使(shǐ)用電流源形(xíng)式的附加激(jī)勵模塊，受傳(chuan)感器負載類(lei)型影響小，有(you)更廣的适用(yong)範圍和🥵更高(gao)的可靠性。

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