1、第 1 页 共 34 页低功耗流量测量技术研究摘要：随着微电子技术的快速发展，特别是一些性能稳定可靠的模块化、高集成度芯片及器件的问世，使得设计低功耗、便携式的现场检测仪表成为可能，也成为今后检测仪表及装置的发展趋势。而在流量测量应用中，电磁流量计作为无能量损耗的流量测量仪表，以其独特的性能特征，已广泛的应用于工业过程中的各种导电液体的流量测量，形成了独特的应用领域，成为应用越来越广泛的流量测量仪表。目前国内的电磁流量计，普遍为工频交流供电或 24V 直流供电方式，功耗较大，在仪表便携式和低功耗的要求上没有得到实现。本文对电池供电的电磁流量计进行了研究。对主要组成部分进行了低功耗设计，使电磁流
2、量计实现低功耗的工作要求。本文的测量电路主要是应用于由电池供电的电磁流量计中，从励磁方式和测量电路方面进行了低功耗设计，同时满足测量的精度要求，使得电磁流量计的电池供电成为可能，可以更好的适应野外现场作业等环境，满足仪表便携式、低功耗的要求。关键词：电磁流量计，运算放大器，双积分 A/D 转换，低功耗第 2 页 共 34 页Low power loss flow measurement engineering researchAbstract：Along with microelectronic technologys fast development, specially some stab
3、le property reliable modulation, the high integration rate chip and components being published, causes to design the low power loss, the portable scene examination measuring appliance to become possibly, also will become examines the measuring appliance and equipments trend of development from now o
4、n。But in the flow measurement application, the electromagnetic flow meter takes the non-energy loss the flow measurement measuring appliance, by its unique performance characteristic, the widespread application in commercial runs each kind of electric conduction liquids flow measurement, has formed
5、the unique application domain, becomes the application more and more widespread flow measurement measuring appliance. At present the domestic electromagnetic flow meter, generally for the power frequency exchange power supply or the 24V current power supply way, the power loss is big, portable and i
6、n the low power losss request has not obtained in the measuring appliance realizes. This article has conducted the research to battery power supplys electromagnetic flow meter. Has carried on the low power loss design to the key component, causes the electromagnetic flow meter to realize the low pow
7、er loss work requirement. This article metering circuit is mainly applies in by in the battery power supply electromagnetic flow meter, has carried on the low power loss design from the excitation way and the metering circuit aspect, simultaneously satisfies the survey the accuracy requirement, enab
8、les electromagnetic flow meters battery power supply to become possibly, may environment and so on better adaptation open country field operation, satisfy the measuring appliance portable, the low power loss request.Key Words： Electromagnetic flow meter ,Operational amplifier ,Double-integrating A/D
9、 converter, Low power第 3 页 共 34 页1绪论1.1研究背景用于测量流量的计量器具称为流量计。流量计可以分为专门测量瞬时流量的瞬时流量计和专门测量积累流量的积累流量计。随着流量测量仪表及技术的发展,大多数的流量计都同时具备测量流量瞬时流量和积算流量总量的功能。因此，习惯上，把瞬时流量计和积累流量计统称为流量计。流量是流经管道横截面的流体数量与该量通过该截面所花时间之商。当流体量以体积表示的时候称为体积流量；当流体量以质量表示的时候称为质量流量。流量计量的标准单位是立方米/秒，实际常见的流量单位还有升/分钟，它们的转换关系是 1 立方米/秒60000 升/ 分钟。流量是
10、一个动态量，只有在封闭管道内流动时，它才有意义。在实际的工农业生产中，瞬时流量是涉及流体介质的工艺流程中需要控制和调节的重要参量，用以保持均衡稳定的生产和保证产品质量。累积流量则是有关流体介质的贸易、分配、交换、供应等商业性活动中必知的参数之一，它是计价、结算、收费的基础。流量计量是计量科学的重要组成部分，做好流量计的研究和开发工作，对于保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的意义。流速测量在流体力学、工程热力学、动力机械、空气动力学、水力学等各相关领域的应用都很广泛，流量测量也广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究以及人民生活各个领域之中。首先，流量计量几乎涉及到工农业生
11、产的方方面面。在石油工业生产中，从石油的开采、运输、冶炼、加工到贸易销售，流量计量贯穿于全过程之中，任何一个环节都离不开流量计量，否则将无法保证石油工业的正常生产和贸易交往。在化工行业，流量计量不准确会造成化学成分比例失调，无法保证产品质量，严重的还会发生生产事故。在电力工业生产中，对液体、气体、蒸汽等介质流量的测量和调节具有重要的地位，因为流量计量的准确与否不仅对保证发电厂在最佳参数下运行具有重要的经济意义，而且随着高温、高压、大容量机组的发展，流量计量已成为保证发电厂安全运行的重要环节。在钢铁工业生产中，炼钢过程中循环水和氧气的流量计是保证产品质量的重要参数之一。在农业上，像气象风速和农田
12、水利甚至一些农业机械，如机动喷第 4 页 共 34 页雾机、水泵的特性测试等方面，同样需要流量计量。其次，在国防建设上，随着空间技术的飞速发展，对流量计量提出了很高的要求。例如，宇宙飞船、核潜艇的核动力控制，都很难离开流量计量；火箭发动机试车一次就要消耗大量的液化燃料；一些军事工程所配用的流量计可达上千台。最后，在人民日常生活中提倡的节能制度，更需要有流量计量去衡量节能的效果。当前能源问题已经成为我国国民经济发展的一个突出问题，特别是在今年，还没有到使用能源最多的夏季，许多部门的能源问题已经显露。节约能源，已经被中央确定为一项重要的方针。为了搞好节能工作，首先必须对能源进行科学的管理，能源的计
13、量工作就是为能源进行科学管理的一项重要基础技术工作。在生产生活中的水、油、气以及其它流体介质，均属流量计量范畴。做好这一工作对于节能工作具有重要意义。我国不仅是一个巨大的能源消耗国，而且能源利用率也很低，比发达国家低 20左右，所以节能的潜力很大。如果能源利用率提高了 1，其经济效益将是非常可观的。所以，在节能工作中，计量仪表是基础，流量计量将起到极为重要的作用。1.2流量计的发展现状流量测量的手段是用流量计，流量计是现代工业测量中重要的仪表之一，为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世，投入使用的类型有上百种。根据其结构原理大致分为以下几种：(1).差压式流量计差压式流量计是由一次装置（即
14、差压发生器）和二次装置等组成。差压式流量计广泛应用于工业领域，占整个工业界流量计总数的 70以上。一次装置称为流体测量元件，产生与流体流量成正比的压差；二次装置称为显示仪表，它接受测量装置产生的差压信号，并将其转换成流量值进行显示。(2).容积式流量计容积式流量计相当于一个标准容积的容器，它连续不断的对流体介质进行度量。目前的产品分为：适用于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、旋转活塞和第 5 页 共 34 页刮板式流量计；适用于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转筒流量计。(3).叶轮式流量计叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来
15、反映流量的大小。典型的叶轮式流量计有水表和涡轮流量计。(4).变面积式流量计变面积式流量计的测量原理是放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用而移动。变面积式流量计的典型代表是转子（浮子）流量计。(5).动量式流量计动量式流量计的测量原理是利用测量流体的动量来反映流量的大小。它的典型代表示是靶式和转动翼板式流量计。(6).超声波流量计超声波流量计是基于超声波在流体介质中传播的速度等于被测介质的平均流度和超声波本身速度的几何和原理而设计的。(7).质量流量计质量流量计有直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量，目前常用的有量热式、角动量式、振动陀
16、螺式和科里奥利力式等等。间接式流量计是用密度计和容积流量直接相乘求得质量流量。（8）电磁流量计电磁流量计( Elet romagnetic Flowmeters ,简称 EMF)是随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。它是根据法拉第电磁感应定律制成的,主要用来测量导电液体体积流量。目前广泛地应用于工业过程中各种导电液体的流量测量,如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质及各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。1.3电磁流量计的发展历史第 6 页 共 34 页电磁流量计( Elet romagnetic Flowmeters ,简称 EMF)，是随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量
17、仪表。它是根据法拉第电磁感应定律制成的，主要用来测量导电液体体积流量。目前广泛地应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质及各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。电磁流量计的发展历史就是其抗干扰技术的发展历史。早在 1832 年，英国物理学家法拉第构想地球磁场来测量泰晤土河水的流速，并进行了现场实验，但未能获得成功。主要原因是在直流励磁磁场下存在流体介质的极化效应和热电效应而产生干扰噪声淹没了流量信号电势。河床短路了流速信号电势，加之当时的流量技术远远没有达到解决各种干扰噪声的抑制和高阻抗信号测量的水平，因此导致首次电磁流量计实验研究的失败。诚然，从电磁流量计研究伊
18、始就面临如何克服各种干扰噪声的棘手难题，正因如此，在以后的电磁流量计研究过程中，人们都将其抗干扰技术列为首要的技术问题。近年国内外常用的电磁流量计在线检验方法：大口径电磁流量仪在线校验方法上世纪 90 年代，中国水务系统开始摸索在线检查和验证，他们用专用的模拟信号器检测转换器，传感器检查则以测试电极接液电阻，检查励磁线圈包括励磁连接电缆的绝缘电阻和铜电阻，以及检查转换器输出的励磁电流，核对磁场强度等间接方法。在有停流条件的管线，从预设在传感器附近入孔进入，检查电极和衬里污秽、沉积状况并清洗。大连索尼卡公司生产的电磁流量计是高精度、高可靠和使用寿命长的流量仪表，在设计产品结构、选材、制定工艺、生
19、产装配和出厂测试等过程中每一个环节我们都非常细致讲究，还自行设计了一套中国最先进的，专用于电磁流量计的生产设备和流量实流标定装置，从而在软件和硬件上都能切实保证产品长期的高质量。电磁流量计特别设计了带背光宽温的中文液晶显示器，功能齐全实用、显示直观、操作使用方便，可以减少其他电磁流量计英文菜单所带来的不便。另外我们独家设计 4-6 多电极结构，进一步保证了测量精度并且任何时候无需接地环，减轻了仪表体积和安装维护的麻烦。电磁流量计产品的品质决定它在市场的竞争力。上海 lg 液晶电视、上海 tcl 空调、上海 tcl 王牌液晶电视、上海彩电、上海长虹彩电、上海长虹空调、上海厨房专用空第 7 页 共
20、 34 页调、上海创维电视机、上海春兰空调、上海东芝彩电、上海东芝电视机、上海东芝洗衣机、上海东芝液晶电视、上海方太吸油烟机、上海方太消毒柜、 上海飞利浦电视机、上海飞利浦液晶电视、上海格兰仕空调、上海海尔空调、上海海尔煤气灶、上海海尔吸油烟机、上海海尔洗衣机、上海海尔消毒柜、上海海信电视机、上海华帝煤气灶。企业以客户基本利益为核心，通过产品三个层次的最佳组合，以客户易察觉的形式宋体现客户购物所关心的因素.就能获得好的产品推广效果。产品质量是品牌的“生命线”。电磁流量计主要由传感器和转换器及流量显示仪表三部分组成，传感器把流过的被测流体的流量转换为相应的感应电动势。转换器则将传感器输出的感应电
21、势放大并转换为可被工业仪表接受的标准电信号。电信号可以是模拟电流、模拟电压。输给显示仪表、记录仪表及电动单元组合仪表进行流量显示、记录和积算,可进行正逆方向显示、报警；电信号可以是脉冲信号,作为计算机输入信号使用,进行流量运算和调节等。传感器安装在工业过程管道上，它的作用是将流进管道内的液体体积流量值线性地变换成感生电势信号，并通过传输线将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方，它将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成流量信号成正比的标准电信号输出，以进行显示，累积和调节控制。电磁流量计的主要优点如下:(1)传感器结构简单 ,测量管内没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部件
22、。所以当流体通过流量计时不会引起任何附加的压力损失，是流量计中运行能耗最低的流量仪表之一。(2)可测量脏污介质、腐蚀性介质及悬浊性液固两相流的流量。这是由于仪表测量管内部无阻碍流动部件，与被测流体接触的只是测量管内衬和电极，其材料可根据被测流体的性质来选择。例如，用聚三氟乙烯或聚四氟乙烯做内衬，可测量各种酸、碱、 盐等腐蚀性介质；采用耐磨橡胶做内衬，就特别适合于测量带有固体颗粒的、磨损较大的矿浆、水泥浆等液固两相流以及各种带纤维液体和纸浆等悬浊液体。第 8 页 共 34 页(3)电磁流量计是一种体积流量测量仪表，在测量过程中，它不受被测介质的温度、粘度、密度以及电导率(在一定范围)的影响。因此
23、 ,电磁流量计只需经水标定后,就可用来测量其它导电性液体的流量。(4)电磁流量计的输出只与被测介质的平均流速成正比 ,而与对称分布下的流动状态(层流或湍流)无关。所以电磁流量计的量程范围极宽，其测量范围度可达 100 :1 ,有的甚至达 1000 :1 的可运行流量范围。(5)电磁流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量瞬时脉动流量，也可测量正反两个方向的流量。(6)工业用电磁流量计的口径范围极宽，从几个毫米一直到几米，而且国内已有口径达 3m 的实流校验设备，为电磁流量计的应用和发展奠定了基础。1.4本论文研究目的随着微电子技术的快速发展，特别是一些性能稳定可靠的模块化、高集成度芯片及器件的问世
24、，使得设计低功耗、便携式的现场检测仪表成为可能，也成为今后检测仪表及装置的发展趋势。而在流量测量应用中，电磁流量计作为无能量损耗的流量测量仪表，以其独特的性能特征，已广泛的应用于工业过程中的各种导电液体的流量测量，形成了独特的应用领域，成为应用越来越广泛的流量测量仪表。目前国内的电磁流量计，普遍为工频交流供电或 24V 直流供电方式，功耗较大，在仪表便携式和低功耗的要求上没有得到实现。本文的测量电路主要是应用于由电池供电的电磁流量计中，从励磁方式和测量电路方面进行了低功耗设计，同时满足测量的精度要求，使得电磁流量计的电池供电成为可能，可以更好的适应野外现场作业等环境，满足仪表便携式、低功耗的要
25、求。1.5小结第一章首先介绍了流量测试技术在测量领域中的重要意义。然后重点介绍了电磁流量计的特点和优势。在综合分析当前电磁流量计发展水平的基础上，提出论文的研究背景。并介绍了论文的研究内容。 第 9 页 共 34 页2电磁流量计电磁流量计( Eletromagnetic Flowmeters ,简称 EMF)，是随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。它是根据法拉第电磁感应定律制成的，主要用来测量导电液体体积流量。目前广泛地应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质及各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。2.1电磁流量计的组成电磁流量计主要由传感器和转换
26、器及流量显示仪表三部分组成，传感器把流过的被测流体的流量转换为相应的感应电动势。转换器则将传感器输出的感应电势放大并转换为可被工业仪表接受的标准电信号。电信号可以是模拟电流、模拟电压。输给显示仪表、记录仪表及电动单元组合仪表进行流量显示、记录和积算，可进行正逆方向显示、报警；电信号可以是脉冲信号，作为计算机输入信号使用，进行流量运算和调节等。2.2电磁流量计基本原理电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中切割磁力线运动时，在导体的两端即产生感生电动势，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度，导体在磁场内的长度及导体的运动速度成正比。与此相仿，在均匀磁场中，垂直于磁场方向放一
27、个不导磁管道，当导电液体在管道中流动时，导电流体就切割磁力线。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间便产生感生电动势（见图 1） 。第 10 页 共 34页图 1 电磁流量计工作原理简图（1）4DQEB式中: E感应电动势；Q流量；B磁感应强度；D流量计公称通径。由上式可知，管道直径 D 和磁感应强度 B 不变时，感应电势 E 和体积流量 Q 之间成正比。但是上式是在均匀直流磁场条件下导出的，由于直流磁场易使管道中的导电介质发生极化，会影响测量精度，因此工业上常采用交流磁场，B= ，得 sinBmt,式中:/4sinQDEBmt交
28、变磁场的角频率；第 11 页 共 34页Bm交变磁场磁感应强度最大值；。由上式可知，感应电势 E 与被测量介质的体积流量 Q 成正比。但变送器输出的E 是一个微弱的交流信号，其中包含有各种干扰成分，而且信号内阻变化高达几万欧姆，因此，要求转换器是一个高输入阻抗，且能抑制各种干扰成分的交流毫伏转换器，将感应电动势转换成统一信号，以供显示、调节和控制，也可送到计算机进行处理。2.3电磁流量计的测量原理电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律，只是切割磁力线的导体不是一般的金属导体，而是具有一定导电率的液体流体，切割磁力线的长度是两测量电极间的距离，近似等于液体直径，也即测量管道的内径 D。需要
29、说明的是，要使式（1）严格成立，必须使测量条件满足下列假定：磁场是均匀分布的恒定磁场；被测流体的流速轴对称分布；被测液体是非磁性的；被测液体的电导率均匀且各向同性。2.4电磁流量计的特点电磁流量计的主要特点：传感器结构简单，没有可动部件；在测量过程中，不受被测介质温度、粘度、密度以及电导率（在一定范围内）的影响；量程范围极宽，并只与被测介质的平均流速成正比，而与轴对称分布下的流动状态（层流、湍流）无关，而且反应灵敏，线性好。可以看出，将电磁流量计进一步开发成为低电压微功耗电磁流量计是适宜的。但在低电压微功耗状态下，一般采用电池供电，这样就需解决励磁电路系统功耗大的问题，一方面要求减少励磁电路系
30、统功耗，另一方面要求得到足够的流量信号（感应电动势 e） 。要满足这些要求必须在设计中解决好励磁电路系统的变送器结构问题。2.5电磁流量传感器第 12 页 共 34页电磁流量传感器是把流过管道内的导电液体的体积流量转换为线性电信号。其转换原理就是著名的法拉第电磁感应定律，即导体通过磁场，切割电磁线，产生电动势。流量传感器的磁场是通过励磁实现的，分直流励磁、交流励磁和低频方波励磁。现在大多流量传感器采用低频方波励磁。电磁流量计传感器主要由测量导管、励磁系统、电极及干扰调整机构等部分构成。为了使传感器稳定可靠的工作，准确的感受流量信号，在结构上需认真分析考虑。为了减少励磁线圈消耗太多的电能，根据励
31、磁线圈磁场原理，制作了特殊的结构。选用优质的超高导磁率铁氧体作为励磁线圈铁芯（见图 2） 。图 2 电磁流量计结构2.6小结第二章对电磁流量计进行了具体的介绍，包括电磁流量计的组成、电磁流量计的基本原理、测量原理和电磁流量计的特点，通过对电磁流量计的进一步理解和分析，利用电磁流量计进行本论文的分析和设计，进一步达到低功耗的要求。第 13 页 共 34页3低功耗设计3.1供电电池的选择电池为电磁流量计整个系统提供电能，所以它的性能是至关重要。只有能够满足供电容量并且稳定性好的高性能电池，才能满足电磁流量计持续稳定工作的要求。该电磁流量计的传感器励磁电路和转换器测量电路都是由电池供电的，所以对电池
32、性能的要求很严格。前面的章节已经详细提到，励磁线圈的励磁电流是用来产生电磁流量计的工作磁场的，由电磁流量计工作原理和设计要求，要获得恒定可靠的工作磁场励磁电流必须能够保持稳定。而且转换器各个电路中的元件都是由电池供电，要想使流量计正常实现其功能，高性能的电池供电是必须的条件。 目前应用最为广泛的就是锂电池，它的特点有： （1）功率高。锂电池的比容量（单位重量的容量）和体密度（单位体积的容量）都是最高的，具有无可比拟的优势。锂电池的功率可达 200Wh/kg。 （2）工作电压高。电池用电机电位最低的金属锂为负极，所以锂电池的开路电压都在 3 伏以上。 （3）放电电压平稳。大多数锂电池放电曲线都很
33、平稳，因此用在电池供电的仪器仪表中可以保证不会因电压大幅度波动而造成测量的不准确。（4）贮存和使用寿命长。常温下锂电池可以保存 5 年左右。虽然金属锂很活泼，但是锂电池的电极材料对电解液很稳定，因为它在电解液中能生成一种保护膜，阻止了金属锂的进一步反应，从而提高了锂电池的贮存时间。 （5）生产成本相对较低。锂在自然环境中以多种形态存在，金属锂及其化合物较易获得，所以锂电池的成本相对较低。不过从市场价格来看，锂电池价格要高于常用的锌猛电池，但低于锌银电池和锌汞电池。 （6）由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的第 14 页 共 34页绿色电池。所以设计中选用锂/亚硫酰
34、氯电池作为流量计的电源。其额定电压为 3.6V，额定容量（10mA2.5V）为 10000mAh。根据电池的放电电压曲线可知，它的放电电压在工作阶段很稳定。根据使用报告显示，电池使用寿命长达几年。 3.2电磁流量计励磁技术励磁方式即产生磁场的方式。由前述可知，为使式(1)严格成立，第一个必须满足的条件就是要有一个均匀恒定的磁场。为此，就需要选择一种合适的励磁方式。目前，励磁技术经历了直流励磁（含永磁励磁） 、工频正弦波励磁、低频矩形波励磁、三值低频矩形波和双频矩形波励磁五个阶段。3.2.1 直流励磁 1951 年荷兰科学家成功地研制出直流励磁电磁流量计，并在挖泥船上测量泥浆得成功，从此电磁流量
35、计成为具有商品价值的流量仪表，开始其工业应用。直流励磁技术是利用永磁体或者直流电源给电磁流量传感器励磁线圈供电，以形成恒定的励磁磁场。这种励磁技术的特点是方法简单可靠、受工频干扰影响小，同时可以忽略掉流体中的自感现象等。但是，直流励磁技术在使用中也存在很多问题。首先其最大问题是直流感应电动势在两电极表面上形成正负极性是固定不变的，容易引起被测介质电解，从而导致电极表面发生极化现象，使感应电动势减弱，电极间等效电阻增大，同时出现由于电极极化引起的电势漂移，严重影响信号调理电路的工作。如果采用极化电势很小的铂、金等贵金属及其合金材料做为电极，通常也存在微弱的极化电动势，而且提高了仪表的制造成本。其
36、次，直流励磁在电极间产生不稳定的电化学干扰电动势，会叠加在直流流量信号中无法消除，并随着时间、流体介质特性以及流体流动状态的变化而变化。第三，直流放大器的零点漂移、噪声和稳定性问题难以获得很好的解决。特别是在小流量测量时，信号放大器的直流稳定度必须在几分之一微伏之内，这成为限制直流励磁技术应用范围的主要原因之一。目前直流励磁技术仅在原子能工业中用于导电率极高，而又不产生极化效应的液态金属流量测量中。3.2.2 工频正弦波励磁 第 15 页 共 34页1917 年，C.G.Smtih 和 J.Slepian 首先提出利用工频正弦波励磁磁场来消除直流励磁中电极极化效应的构思。1938 年，A.Ko
37、lin 再次提出利用正弦波励磁技术取代直流励磁技术，但工业发达国家真正实现工频正弦波励磁技术是 20 世纪 50 年代，工频正弦波励磁技术才真正实现了电磁流量计的大规模工业应用。工频正弦波励磁技术是利用 50Hz 正弦波交流电给电磁流量传感器励磁线圈供电。相比于直流励磁技术，它的优点是能够基本消除电极表面的极化现象，有效降低电极电化学电势的影响和传感器的内阻。另外采用工频正弦波励磁技术，其传感器输出流量信号仍然是工频正弦波信号，实际应用中正弦波更易于进行放大处理，而且能够避免直流放大器存在零点漂移等问题。而且，励磁电源选用生产生活供电即可，简单方便。但是，工频正弦波励磁技术会带来一系列电磁感应
38、干扰和噪声。首先，电磁感应会产生正交干扰（又称为变压器效应） ，其干扰要远远大于流量信号，且幅值与频率成正比，相位比流量信号滞后 90，因此如何克服正交干扰电势的影响是正弦波励磁技术的主要难题。其次，工频正弦波供电电源存在频率不稳定和电源电压幅值波动的影响，产生供电电源性干扰。第三，存在电磁感应的涡流效应。由于分布电容、杂散电流的存在产生同相干扰，这些干扰电势的特点是它的频率和工频一致，叠加在流量信号之中难以消除，以致电磁流量计零点不稳定。 虽然采用相敏整流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、电源补偿、自动正交抑制系统等技术措施以消除与流量信号频率一致的工频干扰电压，但由于正交电势的幅值比流量信号电势
39、幅值大几个数量级，正交抑制系统等抗干扰技术措施的任何不完善，都可能引起一部分正交电势转化为同相干电，导电磁流量计零点不稳定，精度难以提高。3.2.3 低频矩形波励磁 经过长期工业应用表明，工频正弦波励磁技术虽然采用多种抗干扰技术措施，但仍然很难排除与流量信号相一致的工频干扰。 为了彻底解决电磁流量计的工频干扰问题，提高流量测量精度，于是在 1955 年A.B.DenZson 首先提出采用一种介于直流激磁和工频交流励磁之间的低频矩形波激磁技术。此项激磁技术既具有工频正弦波励磁的优点，例如基本不产生极化效应，流量第 16 页 共 34页信号便于放大处理等，又具有像直流励磁技术不产生涡流效应、变压器
40、电势（正交干扰）和同相干扰等优点，而且能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题，具有较好的抗干扰性能。随着电子技术和测试技术的发展，集成电路技术和同步采样技术在上世纪 70 年代逐渐被推广应用，低频矩形波励磁技术也应运而生，并且应用在电磁流量计的设计中。70 年代前期以单极性低频矩形波励磁技术为主，后期以双极性低频矩形波励磁技术为主流。在低频矩形波励磁中，由于励磁绕组存在电阻和电感，励磁电流的波形必然存在上升沿和下降沿。另外在低频矩形波励磁中存在微分干扰，它是工频正弦波励磁中变压器电动势（正交干扰）演变而成的，并且出现涡流效应。由于一般电磁流量传感器励磁线圈的 L/R 较小，随着励磁电流达
41、到平稳状态，微分干扰就会自动消失。励磁频率越低，涡电流效应越小，微分干扰也越小，有利于励磁电流上升沿和下降沿快速达到稳态。但励磁频率过低，则会降低仪表的响应速度，就不能忽略电化学电势的影响，对测量脉冲流体和快速自动调节不利。如果激磁频率过高，涡电流效应较大，微分干扰未能完全消失，牺牲了零点稳定性。所以在选择低频励磁频率时要考虑生产工艺对测量精度要求和仪表反应速度，一般选择低频矩形波励磁频率为工频的偶数分之一。为了排除微分干扰即变压器电势干扰的影响，根据矩形波波形的特点，对流量电压信号进行同步采样的时机通常选择在励磁电流进入稳态阶段（即矩形波的水平部分），这样微分干扰不能进入同步采样，因此微分干
42、扰不影响仪表输出。同时低频矩形波励磁技术避开工频励磁频率，抗工频干扰的能力很强。这是因为同步采样脉冲为宽脉冲，周期为工频周期或工频周期的整数倍，这样即使流量信号中混有工频干扰，因其采样时段为完整的工频周期，其平均值等于零，就会抵消掉工频电压。另一方面由于励磁频率低，静电藕合分布电容影响小，由于存在传感器流量信号源内阻和线路分布电容产生的积分作用使得矩形波前沿变得不平坦，并不会影响水平部分的幅值，由于采样时机选在流量信号的稳态阶段，所以前沿变化又不影响同步采样值，因此信号便于远距离传输。低频矩形波激磁技术的应用解决了长期困扰电磁流量计的工频干扰，大大提高了电磁流量计零点稳定性和测量精度，缩小了传
43、感器体积，降低了励磁功耗，为电磁流量计一体化奠定了基础，同时大大提高了电磁流量计性能，拓宽了电磁流量第 17 页 共 34页计工业应用领域。3.2.4 三值低频矩形波励磁 低频矩形波励磁技术是 70 年代发展起来并逐渐成熟的，其优点有零点稳定性好，抗工频干扰能力强，测量精度高等。但是在测量纸浆等固液两相导电性流体时，电极表面会产生极化效应，使得电磁流量转换器提供的低频矩形波励磁电流会产生尖峰状电势干扰。1983 年工业发达国家在总结低频矩形波励磁技术的基础上，将微处理器的软硬件技术与电磁流量计设计相结合，成功地推出三值低频矩形波励磁技术。由于该励磁技术可以实现在零态时校正零点，所以相比传统的低
44、频矩形波励磁技术具有更优良的零点稳定性。在电磁流量计中引入微处理器技术的逻辑判断功能和运算功能，很好地解决了尖峰状干扰电势的影响，但降低了电磁流量计的响应速度。三值低频矩形波励磁技术的频率采用工频频率的八分之一，励磁电流的变化规律为正一零一负一零一正。和传统的低频矩形波励磁技术一样，当励磁电流变化时，电磁感应出现的微分干扰同样利用励磁电流稳定时段采样加以消除，此时微分干扰按指数规律衰减至零。另外，采样脉冲同样采用宽脉冲，消除参杂在流量信号电压中的工频干扰电压。通过一个周期内的四次采样值，近似认为极化电势恒定，利用微处理器数值运算得以消除极化电势的影响。三值低频矩形波励磁技术能够采用零态时动态校
45、正零点，进一步提高零点的稳定性，抗工频能力增强，测量精度进一步提高，传感器单位流速的流量信号电压幅值与工频励磁方式时减少了很多，降低了激磁功耗，进一步实现了电磁流量计小型轻量一体化。另一方面电磁流量计与微处理器技术的结合，实现了测量过程的软件控制，开辟了电磁流量计智能化的时代。3.2.5 双频矩形波励磁 1988 年 7 月，日本横河北辰电机株式会社在总结各种励磁技术特点的基础上，研究开发了一种高、低频矩形波调制波的励磁方式，即双频矩形波励磁技术。它所采用的高低频率分别为：低频是 6.25Hz，它有助于提高零点的稳定性；高频是 75Hz，高频励磁大幅度降低了浆液对电极产生的极化电压，减弱了测量
46、输出的抖动，有效提高测量精度。因此，双频励磁是低频矩形波励磁和高频励磁的结合，既有低频励磁零点稳定性好和高精度测量的优点，又有高频信号很强的抗“浆液噪声”能力，反应速第 18 页 共 34页度快等优点。要保证测量液固两相导电性流体和低导电率流体的流量的准确性，必须采用较高频率的矩形波励磁，牺牲电磁流量计的零点稳定性。如果电磁流量计要求较高的零点稳定性，进一步降低励磁功耗，进一步实现传感器小型轻量一体化，最好采用低频矩形波励磁。为了解决零点稳定性和响应速度、抗干扰能力这一突出矛盾，最佳方案是采用双频矩形波励磁的方法，使电磁流量计既具有低频矩形波励磁的零点稳定性较好，又具有高频矩形波励磁降低泥浆干
47、扰和流动噪声的数量级，获得仪表的快速响应速度，同时也进一步降低励磁功耗，提高电磁流量传感器输出信号的信噪比，成为电磁流量计一划时代的励磁技术。综上所述，鉴于论文研究与设计的是通用型小口径以水流体为测量介质的低功耗电磁流量计，因此励磁方式选用三值低频矩形波。励磁信号并不是将交流信号进行分频得到，而是由直流源和对模拟开关的周期控制来实现的，这就避免了励磁电流中由于交流电源的不稳定等因素所带来的干扰成分。 3.3励磁方式的低功耗设计70 年代以来，人们开始采用低频方波励磁方式。在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直交变流励磁的特点，受电磁干扰影响很小。从整个时间过程看，方波信号又是一个的信号，
48、所以它能克服直流励滋易产生的极化现象。因此，低频方波励磁是一种比较好的励磁方式。电磁流量传感器采用三值低频矩形方波的励磁方式，三值低频矩形方波励磁的作用是产生感应强度 B，励磁波形如图 3 所示。图 3 三值低频矩形励磁方波第 19 页 共 34页励磁信号的周期选为 160ms，即励磁频率为 6.25Hz，为工频的八分频，可对工频干扰起到正负抵消的作用。且三值矩形方波可以较好的消除测量电极两端产生的极化效应。励磁部分的功耗约占整机功耗的多半部分，通过单片机对模拟开关进行控制，每三秒钟输出一次励磁信号，即三秒钟内正负电池分别提供时长为 30ms 且幅值等于50mA 的励磁电流，如图 3 所示。当
49、采用正负两组电池供电时，正电池提供正向励磁电流，负电池提供反向励磁电流，估算得正负电池用于励磁部分每年的耗能均为（单位为 Ah）：W=(30103/3)365245010-3=4.38Ah （2）采用一次性锂电池供电，可以满足电池供电的低功耗要求。3.4模拟开关的选择模拟开关的三值矩形波是由模拟开关的切换来调制的，开关的切换由单片机输出的不同时序控制。开关性能的好坏会影响到励磁电流的波形。模拟开关的作用主要是用于信号的切换。目前在小信号的测量领域，集成模拟电子开关已成为主导产品，应用广泛，与以往的机械触电式电子开关相比，集成电子开关切换速度快，无抖动，微功耗，体积小，工作可靠且容易控制。但也有若干缺点，如导通电阻较大，动态范围小，输入电流容量有限等。因而在系统体积小，切换速度要求较高的场合，集成模拟电子开关是不错的选择。选择开关需要考察以下指标： （1）通道数量。集成模拟开关的通道数量对传输信号的精度和开关切换速度有直接的影响，通道数越多，寄生电容和泄漏电流就越大，通道间的干扰也越强。当一路选通时，其他通道处于高阻态。 （2）泄漏电流。由于集成模拟开关在断开时为高组态，漏电流不为零。常规的 CMOS漏电流约 1nA。如果传输信号是电流量，而且信号源内阻很高，一般希望是漏电流越小越好
