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            電磁流量計

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            基于PWM控制的電磁流量計脈沖勵磁系統分析與研制

            來源:www.rivuli-development.com作者:發表時間:2018-08-07

             摘要:為了提高勵磁頻率和減少發熱,使電磁流量計能夠更好地用于漿液流量測量和灌裝流量測量,并長期穩定、可靠地工作,研究了基于PWM控制的脈沖勵磁方案,分析其工作原理,計算各種參數,研制實際系統,進行測試和實驗。結果表明,該系統能實現更高的勵磁頻率,產生穩定的勵磁電流,極大地減小了勵磁系統的功耗,能去除微分干擾對流量信號測量的影響,水流量檢定準確度優于0.5級。

             
            1 引 言
            電磁流量計是基于電磁感應原理工作的儀表,其中的勵磁系統為一次儀表中的勵磁線圈提供所需的勵磁電流,以形成磁場 [1] 。勵磁系統是該類流量計的重要組成部分,也是功耗**大的部分 [2] 。當測量通常的導電液體時,電磁流量計往往采用低頻方波勵磁的方式產生磁場,例如,采用2. 5 Hz 或者 5 Hz 的勵磁頻率 [3] ,以便輸出信號有足夠長、穩定的時間段 [4] ,保證較高的測量精度;當測量漿液流量或者進行灌裝測量時,必須采用高頻勵磁,例如,12. 5 Hz 和 25 Hz 或者更高頻率,以克服具有 1 /f 特性的漿液噪聲影響和加快儀表的響應速度。為此,人們研究了 2 種高頻勵磁系統:一種是基于線性電源工作原理的,即高低壓電源切換的勵磁系統 [5 ~7] ;另外一種是基于開關電源工作原理的,即脈沖勵磁系統 [8 ~10] 。前一種勵磁系統的特點是在勵磁電流穩態階段勵磁電流值不變,這樣磁場就非常穩定,保證了測量精度 [11] ,但是,恒流控制電路的功耗較大,容易導致勵磁系統發熱,影響使用壽命。后一種勵磁系統根據開關管的開關頻率是否受勵磁線圈電抗的影響,分為基于電流幅值控制的勵磁系統和基于電流誤差控制的勵磁系統(又稱基于 PWM 控制的脈沖勵磁系統)?;陔娏鞣悼刂频膭畲畔到y采用遲滯比較器來控制勵磁電流 [8,9] 。該勵磁系統依靠遲滯比較器的上下門限將勵磁電流維持在一個小范圍內波動,既保持勵磁電流在穩態過程相對穩定,又使能量主要消耗在勵磁線圈上,避免電路發熱。但是,這種勵磁系統沒有考慮:當勵磁線圈的電抗不同時,勵磁電流上升的曲線是不同的,這樣勵磁電流上升至上門限值或者下降至下門限值的時間就不同,即當勵磁線圈不同時,勵磁電流波動的頻率就不同;勵磁電流的波動會引入遠大于流量信號的微分干擾,影響流量的測量,而波動的頻率因勵磁線圈不同而存在差異,需要逐臺對電磁流量計進行處理,才能有效地抑制勵磁電流波動的影響,這在實際生產中很難實現?;?PWM(pulsewidth modulation)控制的勵磁系統的開關頻率是固定的 [9,10] 。勵磁電流在穩態階段以固定的頻率波動,不會隨勵磁線圈的不同而變化,使我們可以采用相應的處理方法來消除勵磁電流波動的影響。但是,文獻[9,10]沒有披露關鍵的技術細節,也沒有給出深入的分析和具體的計算。
             
            為此,本文研究了基于 PWM 控制的脈沖磁系統的工作原理和穩流控制方案,定量計算其勵磁頻率、開關管的開關頻率、勵磁系統功耗和勵磁線圈阻抗,并給出具體的設計參數;研制了基于PWM 控制的脈沖勵磁系統的電磁流量計,進行了實驗驗證。
             
            2 基于 PWM 控制的脈沖勵磁系統
            2. 1 工作原理
            針對勵磁線圈是感性負載、流過其電流不能突變的特點,PWM 控制電路控制開關管將勵磁電源間斷地施加在勵磁線圈上,實現勵磁電流的變化和穩定,其工作原理如圖 1 所示。
            基于 PWM 控制的脈沖勵磁原理示意圖
            取樣電阻與勵磁線圈串聯,其上的壓降反映流過勵磁線圈的電流值。PWM 控制電路根據勵磁電流值輸出控制信號,由驅動電路完成電平轉換后導通和關斷開關管,以控制勵磁電流。在勵磁電流上升時,始終導通開關管,將勵磁電壓一直加在勵磁線圈上,以加速勵磁電流的上升;在勵磁電流達到穩態值時,控制開關管頻繁通斷,將勵磁電源電壓以固定的頻率加在勵磁線圈上,維持勵磁電流的基本穩定,即以固定的頻率進行很小幅度的波動。在勵磁電流上升到穩態階段的過程中,加在勵磁線圈上的電壓E 和勵磁電流 i 隨時間 t 變化的波形如圖 2 所示,其中,實線為加在勵磁線圈上的電壓變化情況,虛線為勵磁電流變化情況,E max 表示**大勵磁電壓,I s 表示勵磁電流的穩態平均值。
            勵磁電壓和勵磁電流波形示意圖
            該勵磁方式的特點是:在勵磁電流穩態階段,開關管不停地通斷,使勵磁電流做小幅度的穩定波動,將勵磁電壓盡可能降在勵磁線圈上,避免勵磁系統發熱,同時,勵磁電流固定的波動頻率便于消除其引入的干擾。
             
            2. 2 勵磁頻率
            基于 PWM 控制的脈沖勵磁系統可以實現更高的勵磁頻率,以滿足漿液流量測量和灌裝流量測量。在勵磁的開始階段,勵磁電流在勵磁電源的作用下快速上升至穩態階段。勵磁電流 i 與勵磁線圈上所加電壓 E 之間的關系為:
            20180807111918.jpg
             
            式中:L 為勵磁線圈的電感值;R 為勵磁線圈的直流電阻值。對式(1)進行求導,可以得到:
            20180807111935.jpg
            可見,勵磁電流值變化量相同,其所需的時間與勵磁線圈兩端施加的電壓成反比。所以,基于 PWM控制的脈沖勵磁系統可通過提供更高的勵磁電壓來減小勵磁電流上升到穩態值的時間,實現更高的勵磁頻率。勵磁電流的穩態平均值 I s 在穩態階段的時間需至少保持 t s ,以保證電磁流量計的測量。勵磁電流上升的時間為:
            20180807111942.jpg
            當采用方波勵磁時,可實現**高勵磁頻率 f約為:20180807111946.jpg
            式中 t d 為勵磁時序的死區時間。以 DN40 電磁流量計為例,基于 PWM 控制的脈沖勵磁系統中勵磁電壓為 80 V,勵磁電流為 240 mA,勵磁線圈電感值為200 mH、電阻值為 56 Ω,則勵磁電流上升時間 t g 為650 μs。若電磁流量計實現準確測量需要勵磁電流保持 2 ms 的穩態時間,其勵磁時序的死區時間為150 μs,則該勵磁系統能實現的**高勵磁頻率可以達到約 178 Hz。如果進一步提高勵磁電源的電壓,則可以實現更高的勵磁頻率,而普通勵磁系統的勵磁頻率僅為 5 Hz 和 6. 25 Hz。
             
            2. 3 開關管的開關頻率
            基于 PWM 控制的脈沖勵磁系統會在電磁流量計測量時引入微分干擾,而微分干擾是由勵磁電流波動而造成的周期信號,其頻率與開關管的開關頻率相等,便于采用相應的方法來抑制甚至消除;電磁流量計輸出的流量信號也是周期信號,其頻率與勵磁頻率相等。因此,可以把開關管的開關頻率控制在遠遠高于流量信號頻率的頻段,并采用硬件低通濾波器對微分干擾進行衰減。
             
            電磁流量計輸出流量信號頻段主要在 200 Hz以下。為此:設置硬件低通濾波器的截止頻率為流量信號頻率的 5 ~ 10 倍,即大約為幾千 Hz;設置開關管的開關頻率為硬件低通濾波器截止頻率的10 倍左右,即大約為幾十 kHz。這樣硬件低通濾波器不僅可以消除輸出信號中噪聲的干擾,還可以極大地抑制電流波動所帶來的微分干擾。
             
            2. 4 勵磁功耗分析
            在基于 PWM 控制的脈沖勵磁系統中,開關管位于勵磁電源和勵磁線圈之間,以維持勵磁電流的穩定,為勵磁系統中功耗**大的電路單元。開關管的損耗主要表現為導通損耗和開關損耗。導通損耗是開關管在導通狀態下,開關管的導通電阻的功率。由于勵磁電流為數百 mA,開關管的導通電阻為數十 mΩ,所以,開關管的導通損耗非常小。開關損耗為開關管從導通(關斷)轉換為關斷(導通)時的所有損耗。開關頻率越高,開關損耗就越大,所以,開關管的開關損耗反映了勵磁系統的功耗。當開關管接勵磁線圈時,開關損耗為[12] :
            20180807112230.jpg
            式中:I dmax 為流過開關管的**大電流;t c為開關管由關斷(導通)到導通(關斷)的轉換時間; f sw 為開關管的開關頻率。
             
            以 DN40 電磁流量計為例,基于 PWM 控制的脈沖勵 磁 系 統 的 勵 磁 電 壓 為 80 V,勵 磁 電 流 為240 mA,開關管的開關頻率為 20 kHz,開關管開關的轉換時間為 100 ns,則開關管的開關損耗約為38. 4 mW。
             
            2. 5 勵磁線圈阻抗
            合理地設計勵磁線圈的直流電阻值和電感值,有助于減小勵磁電流的波動幅值,使基于 PWM 控制的脈沖勵磁系統工作在**佳狀態。
             
            由式(1)和式(2)可知,當勵磁電壓固定時,勵磁電流的變化過程取決于勵磁線圈的電感值和直流電阻值。電感值由勵磁線圈的匝數決定。當勵磁線圈通入一定的電流時,測量管內的磁場與勵磁線圈的匝數成正比。為了保證電磁流量計正常測量所需要的磁場強度,勵磁線圈的匝數一般不宜變化,此時,可以通過改變勵磁線圈的線徑來調整直流電阻。
             
            忽略開關管上的壓降,那么,勵磁線圈兩端的電壓就等于勵磁電壓:20180807112253.jpg
            勵磁電流增加時,QQ截圖20180807112258.jpg,所以,勵磁線圈的直流電阻值要小于勵磁電壓 E 與勵磁電流穩態值 I s之比:
             
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