電磁流(liú)量計 傳感器(qi)的空管狀态(tài)指管道未被(bèi)液體充滿，導(dao)緻電極🔞部分(fen)或全部裸露(lù)于空氣中，該(gai)狀态下儀表(biao)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(cān)數提取和附(fù)加激勵三種(zhong)方法［2－3］。增加電(diàn)極❌的方法需(xū)對管道進行(hang)改造，在實際(jì)使用中可行(hang)性不高；參數(shu)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(xiàn)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(gai)方法适用範(fàn)圍較小；附加(jia)激🔞勵源的方(fāng)法又☁️分爲電(dian)壓源和電流(liu)源兩類，電壓(ya)源輸出阻抗(kàng)小，并聯于電(dian)極回路，使儀(yí)表放大器輸(shū)入阻抗減小(xiao)，影響流量信(xìn)号。電流源輸(shu)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(dian)流方向應可(kě)以改變以避(bi)免電極極化(huà)引起的零點(diǎn)漂移問題🏃🏻‍♂️［4］。
　　爲(wei)了實現對傳(chuán)感器空管狀(zhuàng)态更準确、可(kě)靠的報警功(gōng)能，一🙇🏻種電流(liú)源激勵形式(shi)的電磁流量(liang)計空管檢測(ce)模塊。
1電流源(yuan)附加激勵下(xià)傳感器電極(jí)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(ying)電動勢，RL爲測(ce)量電極對地(di)等效電阻，Ri爲(wei)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(chu)阻抗無窮大(dà)特性可知，電(diàn)流源模塊不(bu)對流量信☀️号(hào)大小産生影(ying)響。考慮實際(ji)使用情況下(xia)，不同流體類(lèi)型的流體阻(zu)🐆抗大小不一(yi)，對于低電導(dǎo)率類型流體(tǐ)，其流體阻抗(kang)大，爲避免采(cai)樣電勢信号(hào)🔞飽和，電流源(yuán)輸出值應根(gen)據流體類型(xíng)大小可調，且(qiě)輸出電流✏️大(dà)小在微安級(ji)。另外，爲了避(bì)免♋電極長時(shí)間受同一方(fāng)向電流影響(xiang)而産生電極(jí)極化反應，導(dao)緻儀表零點(dian)漂移影響儀(yí)表精度，電流(liú)源流向需💘可(kě)控。
　　綜上所述(shù)，爲實現電流(liu)源附加激勵(lì)形式的空管(guan)檢測模🥵塊能(néng)夠準确實現(xian)空管報警功(gong)能，電流源需(xū)滿足如下三(sān)點約束條件(jiàn)：微📐弱電流值(zhí)恒流、電流方(fāng)向可控、電流(liu)值可控。
2空管(guan)檢測模塊系(xì)統框架

　　如(ru)圖2所示，空管(guǎn)檢測模塊系(xi)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(liu)源輸出恒定(dìng)電流；電流控(kong)制電路實現(xiàn)對電流源⭐輸(shu)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(yang)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(bu)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(liu)源并聯于傳(chuán)感器電極回(huí)路，爲了不影(yǐng)響流量信号(hao)采✌️集，電流源(yuán)内阻應爲高(gao)阻抗。如圖3，Vi1、Vi2爲(wei)輸入電壓，VL爲(wei)負載端電壓(ya)，io爲電流源輸(shū)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(yuán)等效内阻大(da)小。由諾頓定(dìng)理，求負載短(duǎn)路下電路的(de)短路電流［5］：

　　由(yóu)上述推導可(kě)知，電流源輸(shu)出阻抗無窮(qióng)大，輸出電✊流(liu)大小🌈僅由輸(shū)入電壓Vi1、Vi2和輸(shū)出電阻R決定(dìng)，滿足空管檢(jiǎn)測模塊👌設計(jì)要求。電路的(de)不足在于，運(yùn)算放大器輸(shū)入端易受外(wài)部信号幹擾(rao)，故采用三運(yun)算放大器結(jie)構替代差分(fen)放大結構。在(zai)實際設計電(dian)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(shǐ)用低輸入偏(pian)置電流運算(suàn)放大器，使流(liú)入運㊙️放A2的損(sun)🌈失電流可忽(hū)略不計。根據(ju)電路知識，使(shi)🤟用儀表放大(dà)器INA118和運放OPA602後(hòu)電路輸出電(dian)流值：

　　RG爲增益(yì)電阻，改變RG大(da)小即可設定(ding)電流源輸出(chū)電流值。電流(liu)☎️源輸出電流(liú)方向由兩輸(shu)入端決定，當(dāng)Vi1－Vi2＞0時，輸出電流(liu)流入負載；當(dāng)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(lu)主要用于設(she)定電流源輸(shu)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(chuán)感器，電路應(yīng)具有電流值(zhí)大小調整能(néng)力。該功能使(shǐ)用D/A轉換芯片(pian)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(shu)模轉換器，軌(gui)對軌輸出
2）可(ke)采用多種通(tong)訊接口，如SPI、TMS320。在(zài)D/A芯片後增加(jiā)模拟開關以(yi)💚保證☁️電流😍源(yuán)能夠按微處(chù)理器設置頻(pín)率進行開關(guan)控🈚制，電流控(kong)制電路如圖(tú)4所示。

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

　　其中，電(diàn)壓基準Vref＝2．048V，由基(ji)準芯片提供(gòng)，code爲微處理器(qi)控制的電壓(yā)值🔞大小，範圍(wei)爲0～255。此電路輸(shu)出電壓範圍(wei)Vout：0～4．096V。
2．3阻抗測量模(mó)塊
　　最後介紹(shao)阻抗測量模(mó)塊電路。由電(dian)流源将電流(liú)輸出至負載(zai)✏️（傳感器兩電(diàn)極）端，并對電(dian)極端電勢信(xìn)号進行㊙️采集(ji)🐅。該電勢信号(hao)采集由微處(chù)理器A/D轉換模(mo)塊實現，輸入(rù)電壓範圍爲(wèi)0V～3．3V，因此需對電(diàn)極端電勢信(xin)号做電壓轉(zhuan)換以滿足微(wēi)處理器A/D模塊(kuai)的輸入電壓(ya)範圍，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖(tu)5所示。

　　如圖5所示(shi)，傳感器電極(ji)端電勢用Vin表(biao)示。在此信号(hào)被送至微處(chu)理器A/D模塊之(zhī)前，對電壓值(zhi)進行調整。考(kǎo)慮傳感器空(kōng)管時，電極🐕端(duān)電勢兩種飽(bǎo)和狀态，Vin變化(huà)範圍－6V～＋6V。爲了🐅避(bi)免模塊輸出(chū)端電壓㊙️值超(chāo)過微處理器(qì)最大輸入範(fan)圍，令此電路(lù)滿足公式：

1）當(dang)電流爲流入(rù)電極方向，若(ruo)管道飽和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當(dāng)電流爲流出(chu)電極方向，若(ruò)管道飽和，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按(àn)公式（15）進行㊙️電(dian)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(rù)微處理器的(de)電勢信号不(bu)超過其阈值(zhí)。下面對電路(lù)阻值進行🐉計(ji)算，電路總♋輸(shu)出電勢☁️爲：

　　由(yóu)負載端電壓(ya)和負載電流(liu)值，可以得電(diàn)極對地等效(xiao)☂️阻抗值RL，将RL與(yǔ)保存于微處(chù)理器中空管(guan)報警判斷的(de)阈值進✂️行比(bǐ)較，即實現對(dui)傳感器管道(dào)情況判斷。
3結(jié)束語
　　相比于(yú)現有方法，電(dian)磁流量計使(shǐ)用電流源形(xing)式的附加📞激(ji)勵模塊，受傳(chuan)感器負載類(lèi)型影響小，有(yǒu)更廣💜的适用(yong)範圍和更高(gāo)的可靠性。

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