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        電磁流量計

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        抑制液體電磁流量計零點漂移的互易性電路設計

        來源:作者:發表時間:2020-11-13 18:14:42

          摘 要: 針對液體電磁流量計信號衰減嚴重、干擾較大的問題,設計了一種適用于液體電磁流量計的互易性收發電路,以消除零點漂移現象提高流量計的測量準確度。換能器配對實驗和溫度實驗表明:互易性測量系統顯著改善了流量計的零點漂移問題,并具有良好的測量穩定性。

         
        引 言
                零點漂移現象不僅影響電磁流量計(USMs) [1] 測量結果的穩定性,更嚴重影響流量計在小流量時測量準確度。通過設計互易性收發電路,使超聲波測量系統工作在互易模式下是解決零點漂移問題的有效途徑。根據電聲互易理論,若系統工作在互易模式下,則在零流速,順逆流接收信號的幅值和相位將會完全一致,故而系統的零點誤差和零點漂移也會被完全消除。1982 年,Hemp J 首先將電聲互易原理引入到電磁流量計測量領域,并對其進行了證明[2] 。2002 年,Van Deventer J 等人指出在非互易性操作的情況下,換能器的參數的改變會造成零點漂移現象 [3] 。
         
                2006 年,Borg J 等人設計了一種脈沖電流源的激勵電路,改善了流量計的零點漂移現象 [4] 。2007 年,Lunde P 等人通過理論計算給出了電磁流量計互易性電路阻抗匹配的設計準則[5] 。2013 年,Bo Y 等人設計了一種適用于液體電磁流量計的互易性收發電路,有效地增強了順逆流接收信號的一致性[6] 。
         
                本文在首期研究基礎上首次將互易性電路的設計應用于液體電磁流量計中,設計了一種阻抗匹配的液體電磁流量計收發電路,實現了互易性液體電磁流量計測量系統,進行了靜態下不同換能器的配對實驗和溫度實驗。
         
        1 互易性電路設計
                電路的設計應當從發射電路和換能器直接連接的一級信號接收處理電路入手,實現阻抗匹配[7] 。
         
        1.1 發射電路
                超聲波在氣體中的衰減比較嚴重,為了得到信噪比較高的接收信號,就需要給換能器較大幅值的脈沖激勵。本文發射電路如圖 1 所示。在該電路中,T1 為高頻變壓器,變比為 1︰3,M1,M2,M3,M4 為功率 MOSFET,依次控制(M1,M3)和(M2,M4)兩組 MOSFET 導通即可通過推挽,在變壓器原邊得到峰峰值為 30 V 的方波信號。S 為模擬開關,導通電阻值為 R A ,用以切換換能器。變壓器的使用將電路原本在變壓器原邊的等效阻抗換算到變壓器副邊后變為原來的 9 倍。兩組 MOSFET 導通時的導通阻值之和同為0. 108 Ω。則變壓器副邊的等效阻抗為 R M = 9 × 0. 108≈1 Ω。RS為匹配電阻器。因此,電路的等效阻抗Z S 可由式(1)計算
        發射電路原理
        1.2 接收電路
                超聲波初級接收電路如圖 2 所示。主要由模擬切換開關和電壓跟隨電路組成。接收電路中使用的模擬開關與發射電路使用的模擬開關相同,其導通阻值可以完全抵消。在電壓跟隨電路中,運算放大器的放大倍數足夠大,在分析電路時可以認為,運放兩輸入端的電位近似相等,流過運放輸入端的電流近似為零。接收電路的等效阻抗就可以看成模擬開關的導通阻值與匹配電阻 R L 的和,而與后序的放大處理等電路無關。即Z L = R A + R L (2)
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                對比式(1)可以發現,只要設置合適的值使 R S + R M 與R L 的值相等,即可實現阻抗匹配。在一般情況下,R M 不足1 Ω 的阻值對結果的影響可以忽略,只要匹配合適的 R S 與R L 的值使其相等即可實現理論上的阻抗匹配。
        接收信號原理
        2 電路實現和實驗結果
        2.1 實驗測量系統
                電磁流量計測量系統如圖 3 所示。測量系統使用MSP430249 作為處理器。接收到的超聲波信號經過放大,自動增益控制等將信號放大到標準大小,通過雙閾值法處理信號,以特征過零點作為信號的到達時鐘。計時模塊采用高分辨率測時芯片 TDC — GP21,測量精度可達 22 ps,保證了時間測量的精度要求。測量系統還包括按鍵,液晶顯示,存儲器等外圍模塊。
         
                流量計管節的內徑為 100 mm,2 只超聲波換能器呈 45°安裝于管節的兩側。系統通過 RS — 485 通信實時測得的流量傳輸到 PC 端。在實際靜態實驗中使用了互易(系統 1)和非互易(系統 2)2 套測量系統來驗證互易電路設計的有效性。在系統 1 中,發射電路和接收電路均采用前文設計的電路,匹配阻值設置為 R S = R L =2 kΩ。系統 2 使用的發射電路去掉了匹配電阻,即 R S =0,在接收電路模塊,將換能器直接與一級放大電路相連接其他模塊兩系統完全一致。測量系統使用 4 個頻率為 125 kHz 的方波作為激勵信號。分別進行了換能器配對實驗和溫度實驗以驗證互易系統對零點問題的改善。
        電磁流量計測量系統整體構架
        2.2 換能器配對實驗
                換能器的差異是產生零點誤差問題的直接原因。圖 4給出了在不同換能器配對的情況下,系統 1 和系統 2 在室溫(20 ℃)下的靜態測量流速值。實驗共使用了 4 個 AT120系列的超聲換能器,故共產生 6 種不同的配對情況。分別記錄兩系統在使用 6 對不同換能器時的靜態測量值。每次記錄時間為 6 min,測量結果通過 RS — 485 通信實時傳到 PC端,計算 6 min 的測量平均值作為最終的零點測量值。
        換能器對比實驗測量結果
                由圖 4 可以看出,在不同換能器配對的情況下,系統 1的零點測量值較系統 2 的測量值小得多。系統 1 在不同配對情況下測得的零點流速均小于 0. 002 m/s。根據超聲流量計檢定規程 JJG 1030 — 2007 的規定 [8] ,液體電磁流量計的零點誤差不能超過 0. 012 m/s,1 級精度的液體電磁流量計在分界流量以下的測量誤差不能超過 2 %。液體電磁流量計一般可以測量的最小流速為 0. 3 m/s,則在此流速下電磁流量計的最大可允許測量誤差為 ±0. 006 m/s。實驗中,系統 1 的零點測量誤差值小于流量計的最大可允許測量誤差,滿足測量的精度要求。
         
        2.3 溫度實驗
                溫度是在電磁流量計的實際應用中影響換能器性能的重要因素,也是造成零點漂移問題的原因之一。圖 5 給出了在不同溫度下,系統 1 和系統 2 使用同一對換能器在靜態下的測量流速值。在該實驗中,系統 1 和系統 2 使用同樣的管節和同一對已經配對的換能器,測量管節被放置在恒溫箱中,通過改變溫箱的設定溫度來改變管節所處的溫度。待溫度穩定后,分別記錄兩系統的靜態測量值,記錄方法與前述實驗相同。
        溫度實驗測量結果
                由圖 5 可得:在不同溫度下,系統 1 測量值的變化范圍為 -0. 0026 ~0. 0001 m/s,系統 2 測量值的變化范圍為-0. 0026 ~0. 0033 m/s。系統 1 測量值的變化范圍較系統 2 小了 1 倍,說明系統 1 對于溫度漂移問題具有抑制性。在實驗的溫度范圍內,系統 1 零點測量值的溫漂變化范圍同樣小于最大可允許測量誤差,滿足測量的精度要求。
         
        3 結 論
                設計了一種阻抗匹配的收發電路,實現了測量系統的互易性。進行了實際的換能器配對實驗和溫度實驗,在人為改變流量計所使用的換能器性能和流量計所處溫度的情況下,互易性系統的零點測量誤差均小于 0. 003 m/s。完全滿足超聲流量計檢定規程 JJG 1030 — 2007 的要求。實驗結果驗證了電路設計的有效性,體現出互易性超聲流量計測量系統對于零點誤差和零點漂移問題的抑制性。
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