消防水池補水流量計勵磁系統研制的實驗與測試
點擊次數：2621 發布時間：2021-09-04 02:50:31
摘要：為了提高方波勵磁頻率，以便在漿液測量中克服漿液噪聲的影響，提出基于能量回饋和電流旁路的消防水池補水流量計高低壓勵磁控制方案。通過采用高低壓切換的方式，加快方波勵磁過程中勵磁電流的恒流控制響應速度；引入電流旁路電路，實現勵磁電流的響應超調；采用能量回饋電路降低電路能耗。經實驗驗證，該勵磁系統能夠顯著加快勵磁電流的響應速度，恒流控制響應速度提升400%，勵磁電路工作穩定可靠，勵磁恒流控制精度高，系統的能量回饋電路效率達78.2%。
1、引言
目前，消防水池補水流量計大多采用低頻矩形波勵磁方式，以使傳感器輸出信號獲得較長時間的平穩段，保證其測量精度。當測量漿液流量時，由于漿液中的固體顆粒劃過電極表面，導致傳感器輸出信號跳變，該跳變即為漿液噪聲。研究發現，漿液噪聲的特性滿足1/f分布。所以，為了減小漿液噪聲對輸出信號的影響，要求提高勵磁頻率。然而，由于消防水池補水流量計的勵磁線圈為感性負載，提高勵磁頻率將會造成勵磁電流在半勵磁周期內的穩定段變短，不利于流量的測量。特別是當勵磁線圈的電感值較大時，若提高勵磁頻率，就有可能使勵磁電流無法進入穩態，從而無法進行流量的測量。國外大多采用PWM反饋控制或在H橋低端設置恒流晶體管來進行恒流控制。前一種方法的電流響應速度較慢，且電流紋波較嚴重；后一種方法由于恒流控制電路會造成H橋低端電壓波動較大，不利于H橋的開關控制。國內生產企業大多采用國外較為落后勵磁技術，勵磁電流在51ms左右才進入穩態，因此勵磁頻率難以提高，頻率多為2.5～5Hz。為此，國內也進行了勵磁方法的相關改進研究，文獻提出了基于線性電源的勵磁控制方案，文獻提出了基于高低壓電源切換的勵磁控制方案。基于線性電源的勵磁控制方案僅適用于勵磁線圈電感值相對較小的傳感器的高頻勵磁。高低壓電源切換勵磁控制方案則由于采用更高壓電源加速電流響應速度，能在一定程度上提高勵磁頻率。但是，文獻披露的高低壓電源切換的勵磁控制方案，對于勵磁線圈電感值較大的傳感器，勵磁電流響應速度難以進一步提高，從而限制了勵磁頻率進一步提高的可能。并且勵磁方向切換時，勵磁線圈中儲存的電能全部由泄放電路消耗掉，能量利用率低，造成能量浪費和電路溫升。特別是勵磁線圈電感值較大時，電路能耗更大，不利于電路長期穩定工作。
為此，針對高低壓勵磁方式，提出具有能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案。為了加快勵磁電流的響應速度，采用旁路勵磁電路與恒流控制電路相結合的勵磁方式，進一步改善高壓段勵磁效果，加速勵磁電流進入穩態；為了提高能量利用率，減小系統發熱，引入能量回饋電路。
2、實驗與測試
勵磁系統研制完成后，對其性能進行測試：1)對于高頻勵磁，要求勵磁電流進入穩態所需時間短、響應速度快，考察勵磁電流進入穩態的響應時間。2)對于能量回饋電路，主要測試其對線圈中能量的吸收與回饋的效率。3)為了說明旁路電路對勵磁電路的勵磁效果的改善，則對比采用旁路電路勵磁前后，勵磁電流進入穩態的響應時間。4)為了考察恒流控制電路輸出的勵磁電流在一段時間內的波動情況，進行了勵磁電流長期穩定性測試。由于在實際測量時，流過傳感器的被測流體的流速，與勵磁電流流過勵磁線圈建立的磁場場強度成正比，為了使傳感器獲得平穩的信號輸出，要求勵磁線圈中的勵磁電流在進入穩態后波動值較小。
2.1 勵磁電流響應時間性能測試
將1臺50mm口徑的消防水池補水流量計一次儀表安裝在水流量標定裝置上進行方波勵磁實驗。該一次儀表勵磁線圈的直流電阻為45Ω，電感值約為1.14H。實驗中，采用DPO4054B示波器對勵磁系統的勵磁電流信號進行監測。
*先，采用某公司生產的二次儀表匹配一次儀表進行勵磁。該二次儀表采用在H橋低端設置恒流晶體管進行恒流控制的方法，其勵磁曲線結果如圖6所示，勵磁頻率為3.125Hz，勵磁方式為三值波勵磁，勵磁電流大約在51.16ms左右進入穩態，勵磁電流穩態段波動較大。
其次，采用本文研制的二次儀表匹配一次儀表進行勵磁。勵磁電流穩態值設定為178mA，遲滯比較電路的閾值上限設定為205mA，閾值下限設定為165mA。方波勵磁頻率設為12.5Hz，低壓勵磁電源設定為17V。示波器采集繪制得到的勵磁結果曲線如圖7所示。其中圖(a)為勵磁電流曲線；圖(b)為恒流控制電路中，恒流源的輸入輸出端電壓幅值曲線；圖(c)為單路勵磁時序控制信號。從曲線(b)可以看到，在勵磁系統切換至低壓供電時，由于三端穩壓芯片的負載感抗較大，其輸出調節需經歷過渡過程，待輸入輸出壓差穩定后，勵磁電流隨后進入穩態，進入穩態所需時間約為13ms。
經過對比上述實驗結果可知，相對于某公司采用的在H橋低端設置恒流晶體管進行恒流控制的方法，本文研制的勵磁系統，勵磁電流響應速度提升4倍，從而保證勵磁電流在勵磁周期內具有較長的穩定段，并保證傳感器輸出信號的零點穩定性。綜上，本系統可以顯著提高勵磁頻率。
2.2 能量回饋效率性能測試
由圖7曲線結合圖2可知，在勵磁方向切換后，檢流電路檢測到的圖7(a)中的勵磁電流瞬間為負，此時勵磁線圈處于電能泄放狀態并向能量反饋電路中的儲能電容充電。由于儲能電容充電，高、低壓切換電路的輸出電壓從80V逐漸升高；待勵磁線圈能量泄放完即勵磁電流為零時，儲能電容兩端電壓達到*高86V并開始放電，勵磁電流開始上升；儲能電容電壓降低至80V時，高低壓切換電路趨于80V的穩定輸出狀態，此時勵磁電流繼續上升；待勵磁電流上升至設定的超調量205 mA后，遲滯比較電路控制高低壓切換電路切換至17V低壓源作為勵磁工作電源，恒流電路在17V低壓源輸入下進行恒流控制輸出。
根據測得的勵磁電流和儲能電容的電壓信號，參考電感和電容的能量計算公式，可計算得到勵磁方向切換時勵磁線圈泄放的能量約為0.01972J，儲能電容儲存和回饋的能量約為0.01542J，能量回饋效率達到78.2%，相較于現有技術中勵磁線圈中能量直接由能量泄放回路消耗掉而言，大幅提高了能量的利用效率，并能避免電路溫升，從而保證系統可靠工作。
2.3 旁路電路性能測試實驗
為比較電流旁路電路對勵磁恒流控制的影響，將遲滯比較電路對電流旁路電路的控制斷開，即電流旁路電路始終處于斷開狀態。另外為保證勵磁電流達到穩態后高低壓切換電路能正常切換至低壓，遲滯比較電路的滯環閾值上限設置為172mA，低于勵磁電流穩態設定值；閾值下限為112mA。針對50mm口徑的消防水池補水流量計一次儀表，采用25Hz方波勵磁的結果曲線如圖8所示。將圖7所示實驗結果曲線進行局部放大如圖9所示。由圖8可知，在勵磁電流上升至遲滯比較電路滯環閾值上限后，高低壓切換電路立刻切換低壓源，作為勵磁工作電源給恒流控制電路。在輸入掉壓瞬間，由于恒流控制電路中的三端線性穩壓器自身的工作特性，導致輸出電流也出現瞬間波動。*后，恒流控制電路在低壓源供電的情況下，控制輸出勵磁電流增大至穩態設定值。
實驗結果表明，高壓源向低壓源切換后，三端穩壓器的工作特性致使的電流波動和低壓源供電情況下的恒流控制，會大幅延長勵磁電流的穩態響應時間。圖8所示勵磁電流約在17ms左右進入穩態，圖9所示勵磁電流的穩態響應時間約為12ms。這表明，在采用三端穩壓器搭建恒流控制電路的情況下，電流旁路電路能有效克服三端穩壓器工作特性的影響，并能方便的實現電流超調，加快勵磁電流的響應速度。
2.4 勵磁電流長期運行穩定性測試
為了評測所研制勵磁系統長期運行穩定性和電流精度，本文進行了長時間運行測試實驗，實驗時間為72h。實驗中仍采用50mm口徑的消防水池補水流量計一次儀表，勵磁電流設為178mA，勵磁頻率設為12.5Hz。實驗時，勵磁電流幅值通過消防水池補水流量計二次儀表的信號調理采集模塊，轉換成數字信號送給DSP。DSP每隔18s將一個勵磁電流平穩段的采樣點數據保存至外擴的64kW的SARAM中。72h的勵磁電流采集結果如圖10所示。
由圖可知，勵磁系統在上電工作后需要大約2,h進行預熱，隨后勵磁電流進入穩態，系統工作穩定。不考慮系統預熱過程，由采集得到的勵磁電流數據計算可得勵磁電流在72h內的波動率約為0.0156%，從而表明該勵磁系統在長時間運行下能夠可靠穩定工作。
2.5 水流量標定實驗
為了評測系統的實際應用效果，進行了水流量標定實驗。分別針對50mm口徑與100mm口徑的傳感器進行標定。系統勵磁方式采用方波勵磁，勵磁頻率為12.5Hz，管道*大流速為7m/s左右，*小流速為0.3 m/s左右，標定結果如表1所示。
由標定結果可知，所研制的消防水池補水流量計系統針對50mm口徑的水流量標定示值誤差小于0.41%，重復性誤差小于0.11%。針對100mm口徑的水流量標定示值誤差小于0.21%，重復性誤差小于0.12%。據此可知，所研制的消防水池補水流量計系統針對50mm與100mm口徑的水流量標定精度均優于0.5級。
3、結論
1) 由能量回饋效率性能測試實驗可知，采用能量回饋電路對勵磁方向切換后，線圈中剩余的能量進行存儲并利用，該方法較于國內普遍通過轉化為熱量進行消耗的方法而言，能夠提高系統78.2%的能量利用效率，降低電路能量耗散，保證電路長期可靠工作。
2) 由勵磁電流響應時間性能測試以及旁路電路性能測試實驗可知，相較于PWM反饋控制的方法或是在H橋低端設置恒流晶體管進行恒流控制的方法，采用電流旁路電路的高低壓勵磁方式能夠使得勵磁電流產生響應超調，加快恒流控制的響應速度，使得勵磁電流響應時間從51ms縮短到12ms，恒流控制響應速度提升至400%，從而有利于進一步提高消防水池補水流量計的勵磁頻率，減小漿液測量中的漿液干擾。
3) 由勵磁電流長期運行穩定性測試實驗可知，較于采用PWM反饋控制方法，勵磁電流穩態段紋波嚴重，研制的勵磁系統72h內勵磁電流波動率為0.0156%，從而表明長時間運行下，本系統能夠穩定可靠工作且勵磁電流波動率較小。
4)由水流量標定實驗可知，針對50mm與100mm口徑傳感器，標定示值誤差小于0.41%，重復性誤差小于0.11%，表明研制的勵磁系統能夠為消防水池補水流量計的高精度測量提供保證。
1、引言
目前，消防水池補水流量計大多采用低頻矩形波勵磁方式，以使傳感器輸出信號獲得較長時間的平穩段，保證其測量精度。當測量漿液流量時，由于漿液中的固體顆粒劃過電極表面，導致傳感器輸出信號跳變，該跳變即為漿液噪聲。研究發現，漿液噪聲的特性滿足1/f分布。所以，為了減小漿液噪聲對輸出信號的影響，要求提高勵磁頻率。然而，由于消防水池補水流量計的勵磁線圈為感性負載，提高勵磁頻率將會造成勵磁電流在半勵磁周期內的穩定段變短，不利于流量的測量。特別是當勵磁線圈的電感值較大時，若提高勵磁頻率，就有可能使勵磁電流無法進入穩態，從而無法進行流量的測量。國外大多采用PWM反饋控制或在H橋低端設置恒流晶體管來進行恒流控制。前一種方法的電流響應速度較慢，且電流紋波較嚴重；后一種方法由于恒流控制電路會造成H橋低端電壓波動較大，不利于H橋的開關控制。國內生產企業大多采用國外較為落后勵磁技術，勵磁電流在51ms左右才進入穩態，因此勵磁頻率難以提高，頻率多為2.5～5Hz。為此，國內也進行了勵磁方法的相關改進研究，文獻提出了基于線性電源的勵磁控制方案，文獻提出了基于高低壓電源切換的勵磁控制方案。基于線性電源的勵磁控制方案僅適用于勵磁線圈電感值相對較小的傳感器的高頻勵磁。高低壓電源切換勵磁控制方案則由于采用更高壓電源加速電流響應速度，能在一定程度上提高勵磁頻率。但是，文獻披露的高低壓電源切換的勵磁控制方案，對于勵磁線圈電感值較大的傳感器，勵磁電流響應速度難以進一步提高，從而限制了勵磁頻率進一步提高的可能。并且勵磁方向切換時，勵磁線圈中儲存的電能全部由泄放電路消耗掉，能量利用率低，造成能量浪費和電路溫升。特別是勵磁線圈電感值較大時，電路能耗更大，不利于電路長期穩定工作。
為此，針對高低壓勵磁方式，提出具有能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案。為了加快勵磁電流的響應速度，采用旁路勵磁電路與恒流控制電路相結合的勵磁方式，進一步改善高壓段勵磁效果，加速勵磁電流進入穩態；為了提高能量利用率，減小系統發熱，引入能量回饋電路。
2、實驗與測試
勵磁系統研制完成后，對其性能進行測試：1)對于高頻勵磁，要求勵磁電流進入穩態所需時間短、響應速度快，考察勵磁電流進入穩態的響應時間。2)對于能量回饋電路，主要測試其對線圈中能量的吸收與回饋的效率。3)為了說明旁路電路對勵磁電路的勵磁效果的改善，則對比采用旁路電路勵磁前后，勵磁電流進入穩態的響應時間。4)為了考察恒流控制電路輸出的勵磁電流在一段時間內的波動情況，進行了勵磁電流長期穩定性測試。由于在實際測量時，流過傳感器的被測流體的流速，與勵磁電流流過勵磁線圈建立的磁場場強度成正比，為了使傳感器獲得平穩的信號輸出，要求勵磁線圈中的勵磁電流在進入穩態后波動值較小。
2.1 勵磁電流響應時間性能測試
將1臺50mm口徑的消防水池補水流量計一次儀表安裝在水流量標定裝置上進行方波勵磁實驗。該一次儀表勵磁線圈的直流電阻為45Ω，電感值約為1.14H。實驗中，采用DPO4054B示波器對勵磁系統的勵磁電流信號進行監測。
*先，采用某公司生產的二次儀表匹配一次儀表進行勵磁。該二次儀表采用在H橋低端設置恒流晶體管進行恒流控制的方法，其勵磁曲線結果如圖6所示，勵磁頻率為3.125Hz，勵磁方式為三值波勵磁，勵磁電流大約在51.16ms左右進入穩態，勵磁電流穩態段波動較大。
其次，采用本文研制的二次儀表匹配一次儀表進行勵磁。勵磁電流穩態值設定為178mA，遲滯比較電路的閾值上限設定為205mA，閾值下限設定為165mA。方波勵磁頻率設為12.5Hz，低壓勵磁電源設定為17V。示波器采集繪制得到的勵磁結果曲線如圖7所示。其中圖(a)為勵磁電流曲線；圖(b)為恒流控制電路中，恒流源的輸入輸出端電壓幅值曲線；圖(c)為單路勵磁時序控制信號。從曲線(b)可以看到，在勵磁系統切換至低壓供電時，由于三端穩壓芯片的負載感抗較大，其輸出調節需經歷過渡過程，待輸入輸出壓差穩定后，勵磁電流隨后進入穩態，進入穩態所需時間約為13ms。
經過對比上述實驗結果可知，相對于某公司采用的在H橋低端設置恒流晶體管進行恒流控制的方法，本文研制的勵磁系統，勵磁電流響應速度提升4倍，從而保證勵磁電流在勵磁周期內具有較長的穩定段，并保證傳感器輸出信號的零點穩定性。綜上，本系統可以顯著提高勵磁頻率。
2.2 能量回饋效率性能測試
由圖7曲線結合圖2可知，在勵磁方向切換后，檢流電路檢測到的圖7(a)中的勵磁電流瞬間為負，此時勵磁線圈處于電能泄放狀態并向能量反饋電路中的儲能電容充電。由于儲能電容充電，高、低壓切換電路的輸出電壓從80V逐漸升高；待勵磁線圈能量泄放完即勵磁電流為零時，儲能電容兩端電壓達到*高86V并開始放電，勵磁電流開始上升；儲能電容電壓降低至80V時，高低壓切換電路趨于80V的穩定輸出狀態，此時勵磁電流繼續上升；待勵磁電流上升至設定的超調量205 mA后，遲滯比較電路控制高低壓切換電路切換至17V低壓源作為勵磁工作電源，恒流電路在17V低壓源輸入下進行恒流控制輸出。
根據測得的勵磁電流和儲能電容的電壓信號，參考電感和電容的能量計算公式，可計算得到勵磁方向切換時勵磁線圈泄放的能量約為0.01972J，儲能電容儲存和回饋的能量約為0.01542J，能量回饋效率達到78.2%，相較于現有技術中勵磁線圈中能量直接由能量泄放回路消耗掉而言，大幅提高了能量的利用效率，并能避免電路溫升，從而保證系統可靠工作。
2.3 旁路電路性能測試實驗
為比較電流旁路電路對勵磁恒流控制的影響，將遲滯比較電路對電流旁路電路的控制斷開，即電流旁路電路始終處于斷開狀態。另外為保證勵磁電流達到穩態后高低壓切換電路能正常切換至低壓，遲滯比較電路的滯環閾值上限設置為172mA，低于勵磁電流穩態設定值；閾值下限為112mA。針對50mm口徑的消防水池補水流量計一次儀表，采用25Hz方波勵磁的結果曲線如圖8所示。將圖7所示實驗結果曲線進行局部放大如圖9所示。由圖8可知，在勵磁電流上升至遲滯比較電路滯環閾值上限后，高低壓切換電路立刻切換低壓源，作為勵磁工作電源給恒流控制電路。在輸入掉壓瞬間，由于恒流控制電路中的三端線性穩壓器自身的工作特性，導致輸出電流也出現瞬間波動。*后，恒流控制電路在低壓源供電的情況下，控制輸出勵磁電流增大至穩態設定值。
實驗結果表明，高壓源向低壓源切換后，三端穩壓器的工作特性致使的電流波動和低壓源供電情況下的恒流控制，會大幅延長勵磁電流的穩態響應時間。圖8所示勵磁電流約在17ms左右進入穩態，圖9所示勵磁電流的穩態響應時間約為12ms。這表明，在采用三端穩壓器搭建恒流控制電路的情況下，電流旁路電路能有效克服三端穩壓器工作特性的影響，并能方便的實現電流超調，加快勵磁電流的響應速度。
2.4 勵磁電流長期運行穩定性測試
為了評測所研制勵磁系統長期運行穩定性和電流精度，本文進行了長時間運行測試實驗，實驗時間為72h。實驗中仍采用50mm口徑的消防水池補水流量計一次儀表，勵磁電流設為178mA，勵磁頻率設為12.5Hz。實驗時，勵磁電流幅值通過消防水池補水流量計二次儀表的信號調理采集模塊，轉換成數字信號送給DSP。DSP每隔18s將一個勵磁電流平穩段的采樣點數據保存至外擴的64kW的SARAM中。72h的勵磁電流采集結果如圖10所示。
由圖可知，勵磁系統在上電工作后需要大約2,h進行預熱，隨后勵磁電流進入穩態，系統工作穩定。不考慮系統預熱過程，由采集得到的勵磁電流數據計算可得勵磁電流在72h內的波動率約為0.0156%，從而表明該勵磁系統在長時間運行下能夠可靠穩定工作。
2.5 水流量標定實驗
為了評測系統的實際應用效果，進行了水流量標定實驗。分別針對50mm口徑與100mm口徑的傳感器進行標定。系統勵磁方式采用方波勵磁，勵磁頻率為12.5Hz，管道*大流速為7m/s左右，*小流速為0.3 m/s左右，標定結果如表1所示。
由標定結果可知，所研制的消防水池補水流量計系統針對50mm口徑的水流量標定示值誤差小于0.41%，重復性誤差小于0.11%。針對100mm口徑的水流量標定示值誤差小于0.21%，重復性誤差小于0.12%。據此可知，所研制的消防水池補水流量計系統針對50mm與100mm口徑的水流量標定精度均優于0.5級。
3、結論
1) 由能量回饋效率性能測試實驗可知，采用能量回饋電路對勵磁方向切換后，線圈中剩余的能量進行存儲并利用，該方法較于國內普遍通過轉化為熱量進行消耗的方法而言，能夠提高系統78.2%的能量利用效率，降低電路能量耗散，保證電路長期可靠工作。
2) 由勵磁電流響應時間性能測試以及旁路電路性能測試實驗可知，相較于PWM反饋控制的方法或是在H橋低端設置恒流晶體管進行恒流控制的方法，采用電流旁路電路的高低壓勵磁方式能夠使得勵磁電流產生響應超調，加快恒流控制的響應速度，使得勵磁電流響應時間從51ms縮短到12ms，恒流控制響應速度提升至400%，從而有利于進一步提高消防水池補水流量計的勵磁頻率，減小漿液測量中的漿液干擾。
3) 由勵磁電流長期運行穩定性測試實驗可知，較于采用PWM反饋控制方法，勵磁電流穩態段紋波嚴重，研制的勵磁系統72h內勵磁電流波動率為0.0156%，從而表明長時間運行下，本系統能夠穩定可靠工作且勵磁電流波動率較小。
4)由水流量標定實驗可知，針對50mm與100mm口徑傳感器，標定示值誤差小于0.41%，重復性誤差小于0.11%，表明研制的勵磁系統能夠為消防水池補水流量計的高精度測量提供保證。
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