以電磁流量計傳感器空管試驗為基礎,討論了空管狀態下的信號等效模型,研究了空管狀態的信號特點,討論了基于附加激勵的相對電導率空管檢測方法的特性,提出了一種基于幅值變化分析的空管檢測方法,并討論了相關的實現方法。
隨著電磁流量計技術及其產品的日益完善,電磁流量計被廣泛地用于滿管流量測量,同時也較高多的被應用于一些時有非滿管狀態的流量控制上。因此希望電磁流量計能具有良好的空管檢測能力以降低管道配置的復雜性,空管檢測技術也因此成為當前電磁流量計技術的研究內容之一。
電磁流量計是基于法拉第電磁感應原理工作的,其測量方程[1]是建立在流體滿管于測量管道的條件之下的,顯然用常規的電磁流量計技術解決檢測空管問題比較高困難。在實際流量控制中主要是解決傳感器處于空管狀態下的流量值閉鎖問題[2],具體的是指當傳感器電極部分或全部處于從流體中出來時系統應及時檢測到這狀態并使流量值為***。本文就是研究這樣的空管檢測問題。
有產品說明[2]指出由于附加了激勵,該方法對流體電導率有大于20μs/cm的條件。文中通過試驗和空管狀態的等效模型分析發現,空管狀態下幅值具有一些不確定性,附加激勵的相對電導率檢測方法的檢測分辨力對信號電纜長度敏感。文中基于流量信號中的幅值變化,結合電磁流量計***有的信號處理方法[5]探討了空管狀態下的信號特點,研究了在不影響流量測量性能前提下的空管檢測方法,同時給出了相關的實現技術。
2 空管試驗及其信號分析
2.1 空管狀態的信號等效模型研究
由電磁流量計(兩電極)傳感器與信號放大器組成如圖1所示信號測量關系。其中S1、S2分別為兩個電極,其等效原理如圖2所示。電路為對稱結構,圖中e1和Z1分別是傳感器的流量信號和對應的流體阻抗,Z0為放大器的輸入阻抗。
在通常情況下,傳感器系統和信號放大部分不能做到完全屏蔽,這樣電磁流量計電極的輸出信號中除了流量信號外還將疊加由空間電磁場造成的。圖3是考慮時的等效原理圖,其中e1、Z1和Z0的含義與圖2所示相同,e2為空間電場在電極上產生感應電勢的,Z2為e2的等效內阻阻抗。
在傳感器滿管情況下,應有Z0 Z1,Z0 Z2。對應流量信號e1和e2在放大器形成輸入信號Vin:
對于工頻電網產生的空間電磁場來說源可等效為近場的感應電場,可視為一個***阻抗[6]。因而在滿管情況下有Z2 Z1。即
考慮空管時e1=0,空管狀態下Z1和Z2可視為等量大阻抗。Vin可簡化為:
e2的大小與傳感器的屏蔽狀況有關。
基于上述模型分析,進行了相應的空管試驗。
2.2 空管試驗
圖4是空管試驗的原理圖,試驗條件如下:傳感器直徑50mm(電極直徑為1cm),流體用電導率約為660μs/cm的自來水,信號線長度約20m,電極與屏蔽線之間的電容2000pF,信號放大器滿幅輸出電壓正、負均約為15V,放大倍數2000、共模抑制比80dB、輸入阻抗10GΩ,具有自動調***功能。勵磁電流120mA,勵磁方式為勵磁頻率為工頻(50Hz)10分頻的恒流雙向勵磁。
空管試驗以滿管開始下降液位,得到如圖4所示的滿管、A水位、B水位和C水位四個狀態的輸出信號Uo。圖5～10給出了所得到的各個狀態信號輸出的波形。
2.3 信號特點分析
通過實際空管狀態的試驗和對應等效模型的分析,結合電磁流量計信號處理原理,可以發現空管狀態下的信號具有以下幾個特點:
(1)試驗與實際應用情況相同,傳感器信號上主要是工頻。同時,勵磁電流切換時的微分也是信號上一個大的源。
(2)從滿管到C水位的液位下降過程,信號上的工頻和微分的幅度越來越大。符合式(1)電極兩端等效電阻越大,接受空間能力越大的關系。
(3)受到空管時殘存流體的影響,空管過程下電極兩端等效電阻的穩定存在一個過渡時間(時間長短與流體的物性有關)。同樣空管過程中輸出信號UO的穩定也存在一個過渡時間。
(4)式(3)和試驗表明空管狀態的不一定都會使信號上幅值出現飽和。如試驗所示出現了飽和和非飽和兩種不確定狀態。
(5)信號上正負勵磁過程的工頻同步對稱時,后續信號處理若能準確地捕捉工頻周期,利用電磁流量計的工頻同步抵消方法可以保證儀表所計量的流量值為***[5]。
(6)當使信號上幅值出現飽和現象時,用工頻同步抵消方法已***能保證儀表所計量的流量值為***。必須及時閉鎖流量信號使之為***以達到空管檢測的目的。
(7)滿管與空管狀態下勵磁電流切換時的微分幅值的變化對應于電極兩端等效電阻的變化。這種相對變化猶如附加激勵的相對電導率檢測方法[4]一樣,微分幅值的相對變化可以作為空管檢測的依據。
(8)空間的工頻電場會存在于儀表內的電路板上。如果用電阻R替代圖10中的傳感器直接作為阻抗Z1,即將電阻R直接跨接在儀表內的放大器輸入端(無信號電纜)。實驗發現,當R=100kΩ和R=4MΩ時,幅值分別如同圖7和圖9的情況。
3 對基于附加激勵的空管檢測方法的分析
這種方法也稱為相對電導率法[4],其特點是由電極上引入一個有一定幅度及內阻的交流激勵,如圖11所示。圖中e2及Z2分別為附加激勵源及其內阻阻抗。e1和Z1分別是傳感器的流量信號和對應的流體阻抗。顯然,為了保證放大器對流量信號的***輸入阻抗,必須使Z2的直流阻抗接近于無窮大。因此實際的激勵源e2必須經隔直電容才能加到傳感器電極上。顯然,這種附加激勵方法的空管檢測時間必須與正常勵磁周期時間分開。
圖11 外加檢測信號的空管檢測原理圖考慮空管檢測時間是***立的,于是e2對放大器的輸入Vin可表示如下:
Vin=Z1/(Z1+Z2)e2 (4)
由于在傳感器和放大器環節中附加了激勵及其電子器件,器件參數與空管檢測的關系是值得分析的。圖12是一個實際的附加了激勵的原理圖。其中R是流體電阻,C1是激勵源與傳感器電極及其放大器輸入的隔直電容,C2是信號電纜的對地電容。
圖12中,選通常的空管檢測的激勵源頻率為f=2000Hz[4](實際激勵信號一般采用高沖型)、信號電壓V=5V(Vp-p)、耦合電容C1=200pF、信號內阻RS=1kΩ的實際參數來進行分析。考慮RS較高小,在計算中可以忽略,并把R和C2作為與被測流體和線纜長度有關的變量,對于放大器輸入Vin有:
圖13是按式(5)得出R和C2的變化與Vin的關系。
從圖中可以看到,當C2為***時Vin對R的變化敏感。而C2略有增大,Vin隨R變化的敏感性將大幅減小。這說明隨著C2的增大,Vin對R變化的分辨能力降低。若傳感器信號線長度為20m,每個信號線屏蔽地線的電容約有C2=2000pF。由圖14可見這時Vin對流體電導率變化的范圍及其分辨能力將明顯減小。
圖15～17是采用上述方法進行試驗得到的Vin,從圖中可以看出C2對信號的影響與前面的分析一致。
根據以上的分析,附加激勵的空管檢測方法是從流體相對電導率的變化來判斷傳感器空管狀態。這種方法用附加激勵的方法避開了直接分析傳感器空管狀態信號的技術問題,但在方法和技術上會對流體的很小電導率和信號電纜長度有一定的限制。這種方法在一定應用范圍內的空管檢測能力是非常有效的。通常,采用這種空管檢測方法的產品對流體電導率有少大于20μs/cm的要求[2]。
4 基于幅值變化分析的空管檢測方法
從前面的空管試驗及其信號分析可以看到,盡管放大器輸出信號UO中的幅值在傳感器空管狀態下具有不確定性,但圖7～10的輸出信號和對等效模型分析說明,信號上疊加的幅值與傳感器空管狀態的關系是明確的,因此可以通過對幅值的變化進行分析來進行空管的識別,關鍵是要確定空管狀態下幅值的判別閾值以及在方法上保證空管狀態時使瞬時流量值為***。
4.1 在勵磁穩態時信號分析的方法
根據空管等效模型關系式(3),在空管時傳感器的等效內阻變大。如試驗所示,在勵磁穩態時信號上的工頻等將使信號上的幅值變大乃超出現飽和的程度,因此通過分析在勵磁穩態時的幅值大小及變化可進行空管狀態識別。
若信號放大器的線性范圍是±Va,流速信號對應的幅值是±VM。則為保證電磁流量計的工頻同步抵消方法,在流速時允許信號上疊加的***幅值為:
ΔV≤Va-VM (6)
當ΔV不滿足式(6)時,流速下信號疊加后就會出現飽和。通常信號上疊加的是工頻。信號飽和將使電磁流量計的工頻同步抵消方法失去效果。可見,ΔV是在儀表流速測量范圍內保證信號處理精度的***允許幅值。即ΔV可以作為判別儀表信號處理出現過大故障的一個閾值。如果在信號通道設計時對ΔV值的確定結合空管狀態下的幅值,那么用式(6)就可以作為用信號分析判別空管狀態的依據。
根據前面的空管試驗和等效模型,可以取:
ΔV≤Va-VM≤1V (7)
必須注意的是空管狀態的不確定性有可能使幅值滿足式(7)。通常,當傳感器接地良好時,信號上的來源主要是電網工頻電場的耦合。由式(3)可知,空管時流量為***時e1為***,只要信號處理能準確地捕捉工頻周期,電磁流量計的工頻同步抵消方法將同樣使流量值為***,也符合實際空管檢測的功能要求。
4.2 在勵磁切換過程中信號分析的方法
從圖7到圖10的輸出信號UO的波形可知,在勵磁切換過程下,空管狀態也使信號上的微分幅值變大乃超出現飽和的程度。那么,在勵磁切換過程中對信號的微分幅值的采集與分析也可判別傳感器是否出現空管狀態。通常微分的寬度約幾毫秒(與電磁流量計傳感器線圈參數有關),20m的信號電纜長度對檢測微分主體幅值幾乎沒有影響。
確定空管狀態識別的閾值與前面所述方法相同。顯然,上述空管檢測方法對正常的流量測量沒有任何不利影響。
分別用電導率為660μs/cm的自來水、20μs/cm的去離子水及工業酒精為被測介質,采用以上兩種基于幅值分析的方法進行了空管檢測的試驗,試驗結果證明,采用這兩種方法均可及時可靠地檢測到空管狀態,不受空管時殘存流體的影響,而用放大器輸出飽和進行空管檢測的方法[3]明顯受到殘存流體的影響,經常要延遲一定時間才能檢測到空管狀態。基于對幅值變化分析的空管檢測方法已在許多電磁流量計中應用,從目前應用情況來看效果較高好。