電磁流量計傳感器的空管狀態(tài)指管道未被液體充滿，導(dǎo)致電極部分或全部裸露于空氣中，該狀態(tài)下儀表示數(shù)不規(guī)則，無法正確顯示流量值。

 

        現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)對空管狀態(tài)的檢測，主要有增加電極、參數(shù)提取和附加激勵三種方法。增加電極的方法需對管道進(jìn)行改造，在實(shí)際使用中可行性不高；參數(shù)提取通過測量疊加于流量信號上的微分干擾和工頻干擾兩種信號，實(shí)現(xiàn)對管道的狀態(tài)判斷。由于干擾信號幅值受工況環(huán)境影響大，該方法適用范圍較小；附加激勵源的方法又分為電壓源和電流源兩類，電壓源輸出阻抗小，并聯(lián)于電極回路，使儀表放大器輸入阻抗減小，影響流量信號。電流源輸出阻抗高，對流量信號的影響可忽略，但電流源輸出電流值不應(yīng)過大，且電流方向應(yīng)可以改變以避免電極極化引起的零點(diǎn)漂移問題。

 

        為了實(shí)現(xiàn)對傳感器空管狀態(tài)更準(zhǔn)確、可靠的報警功能，本文提出并設(shè)計了一種電流源激勵形式的電磁流量計空管檢測模塊。

 

1     電流源附加激勵下傳感器電極回路模型

        圖1為電流源附加激勵下的傳感器電極回路模型圖，E為磁場作用下表征流速信號的感應(yīng)電動勢，RL為測量電極對地等效電阻，Ri為儀表放大器的輸入電阻，Ie為電流源。

        電流源模塊與傳感器電極回路并聯(lián)，由電流源輸出阻抗無窮大特性可知，電流源模塊不對流量信號大小產(chǎn)生影響?？紤]實(shí)際使用情況下，不同流體類型的流體阻抗大小不一，對于低電導(dǎo)率類型流體，其流體阻抗大，為避免采樣電勢信號飽和，電流源輸出值應(yīng)根據(jù)流體類型大小可調(diào)，且輸出電流大小在微安級。另外，為了避免電極長時間受同一方向電流影響而產(chǎn)生電極極化反應(yīng)，導(dǎo)致儀表零點(diǎn)漂移影響儀表精度，電流源流向需可控。

 

        綜上所述，為實(shí)現(xiàn)電流源附加激勵形式的空管檢測模塊能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)空管報警功能，電流源需滿足如下三點(diǎn)約束條件：微弱電流值恒流、電流方向可控、電流值可控。

 

2      空管檢測模塊系統(tǒng)框架

        如圖2所示，空管檢測模塊系統(tǒng)由精密電流源、電流控制電路、阻抗測量模塊三部分組成。其中，精密電流源輸出恒定電流；電流控制電路實(shí)現(xiàn)對電流源輸出電流大小和方向控制；阻抗測量模塊對電極電勢進(jìn)行采樣與電勢調(diào)整，后送入微處理器進(jìn)行空管判斷。下面分別對三部分電路設(shè)計進(jìn)行介紹。

 

2．1精密電流源電路設(shè)計

        電流源并聯(lián)于傳感器電極回路，為了不影響流量信號采集，電流源內(nèi)阻應(yīng)為高阻抗。

 

        如圖3，Vi1、Vi2為輸入電壓，VL為負(fù)載端電壓，io為電流源輸出，A1、A2為運(yùn)算放大器。

        令isc為負(fù)載短路電流，Ro為恒流源等效內(nèi)阻大小。由諾頓定理，求負(fù)載短路下電路的短路電流：

        

        顯然，若取R1＝R2＝R3＝R4，則恒流源等效內(nèi)阻Ro無窮大。恒流源輸出電流可簡化為：

        

        由上述推導(dǎo)可知，電流源輸出阻抗無窮大，輸出電流大小僅由輸入電壓Vi1、Vi2和輸出電阻R決定，滿足空管檢測模塊設(shè)計要求。電路的不足在于，運(yùn)算放大器輸入端易受外部信號干擾，故采用三運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)替代差分放大結(jié)構(gòu)。在實(shí)際設(shè)計電路時，使用儀表放大器INA118替代圖3中運(yùn)算放大器A1，儀表放大器INA118優(yōu)點(diǎn)在于：

        1）高共模抑制比，輸入阻抗高達(dá)1010Ω；

        2）低輸入偏置電流，最大值為10nA；

        3）內(nèi)部高精密電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；

        4）較寬的增益調(diào)節(jié)范圍，為1～10000。

 

        反饋運(yùn)放A2使用低輸入偏置電流運(yùn)算放大器，使流入運(yùn)放A2的損失電流可忽略不計。根據(jù)電路知識，使用儀表放大器INA118和運(yùn)放OPA602后電路輸出電流值：

        其中，G為儀表放大器放大倍數(shù)：

 

        RG為增益電阻，改變RG大小即可設(shè)定電流源輸出電流值。電流源輸出電流方向由兩輸入端決定，當(dāng)Vi1－Vi2＞0時，輸出電流流入負(fù)載；當(dāng)Vi1－Vi2＜0時，電流從負(fù)載流入儀表放大器。