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海水流量計(jì)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(yīng)速度；引入電流旁路電路，實(shí)現(xiàn)勵磁電流的響應(yīng)超調(diào)；采用能量回饋電路降低電路能耗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該勵磁系統(tǒng)能夠顯著加快勵磁電流的響應(yīng)速度，恒流控制響應(yīng)速度提升400%，勵磁電路工作穩(wěn)定可靠，勵磁恒流控制精度高，系統(tǒng)的能量回饋電路效率達(dá)78.2%。
1、引言
目前，海水流量計(jì)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(shí)間的平穩(wěn)段，保證其測量精度。當(dāng)測量漿液流量時(shí)，由于漿液中的固體顆粒劃過電*表面，導(dǎo)致傳感器輸出信號跳變，該跳變即為漿液噪聲。研究發(fā)現(xiàn)，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，由于海水流量計(jì)的勵磁線圈為感性負(fù)載，提高勵磁頻率將會造成勵磁電流在半勵磁周期內(nèi)的穩(wěn)定段變短，不利于流量的測量。特別是當(dāng)勵磁線圈的電感值較大時(shí)，若提高勵磁頻率，就有可能使勵磁電流無法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，從而無法進(jìn)行流量的測量。國外大多采用PWM反饋控制或在H橋低端設(shè)置恒流晶體管來進(jìn)行恒流控制。前一種方法的電流響應(yīng)速度較慢，且電流紋波較嚴(yán)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(guān)控制。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)大多采用國外較為落后勵磁技術(shù)，勵磁電流在51ms左右才進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此勵磁頻率難以提高，頻率多為2.5～5Hz。為此，國內(nèi)也進(jìn)行了勵磁方法的相關(guān)改進(jìn)研究，文獻(xiàn)提出了基于線性電源的勵磁控制方案，文獻(xiàn)提出了基于高低壓電源切換的勵磁控制方案?；诰€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(yīng)速度，能在一定程度上提高勵磁頻率。但是，文獻(xiàn)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(yīng)速度難以進(jìn)一步提高，從而限制了勵磁頻率進(jìn)一步提高的可能。并且勵磁方向切換時(shí)，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(fèi)和電路溫升。特別是勵磁線圈電感值較大時(shí)，電路能耗更大，不利于電路長期穩(wěn)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(yīng)速度，采用旁路勵磁電路與恒流控制電路相結(jié)合的勵磁方式，進(jìn)一步改善高壓段勵磁效果，加速勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；為了提高能量利用率，減小系統(tǒng)發(fā)熱，引入能量回饋電路。
2、實(shí)驗(yàn)與測試
勵磁系統(tǒng)研制完成后，對其性能進(jìn)行測試：1)對于高頻勵磁，要求勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間短、響應(yīng)速度快，考察勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間。4)為了考察恒流控制電路輸出的勵磁電流在一段時(shí)間內(nèi)的波動情況，進(jìn)行了勵磁電流長期穩(wěn)定性測試。由于在實(shí)際測量時(shí)，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(qiáng)度成正比，為了使傳感器獲得平穩(wěn)的信號輸出，要求勵磁線圈中的勵磁電流在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后波動值較小。
2.1 勵磁電流響應(yīng)時(shí)間性能測試
將1臺50mm口徑的海水流量計(jì)一次儀表安裝在水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行方波勵磁實(shí)驗(yàn)。該一次儀表勵磁線圈的直流電阻為45Ω，電感值約為1.14H。實(shí)驗(yàn)中，采用DPO4054B示波器對勵磁系統(tǒng)的勵磁電流信號進(jìn)行監(jiān)測。
*先，采用某公司生產(chǎn)的二次儀表匹配一次儀表進(jìn)行勵磁。該二次儀表采用在H橋低端設(shè)置恒流晶體管進(jìn)行恒流控制的方法，其勵磁曲線結(jié)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)，勵磁電流穩(wěn)態(tài)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(jìn)行勵磁。勵磁電流穩(wěn)態(tài)值設(shè)定為178mA，遲滯比較電路的閾值上限設(shè)定為205mA，閾值下限設(shè)定為165mA。方波勵磁頻率設(shè)為12.5Hz，低壓勵磁電源設(shè)定為17V。示波器采集繪制得到的勵磁結(jié)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(shí)序控制信號。從曲線(b)可以看到，在勵磁系統(tǒng)切換至低壓供電時(shí)，由于三端穩(wěn)壓芯片的負(fù)載感抗較大，其輸出調(diào)節(jié)需經(jīng)歷過渡過程，待輸入輸出壓差穩(wěn)定后，勵磁電流隨后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間約為13ms。

經(jīng)過對比上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相對于某公司采用的在H橋低端設(shè)置恒流晶體管進(jìn)行恒流控制的方法，本文研制的勵磁系統(tǒng)，勵磁電流響應(yīng)速度提升4倍，從而保證勵磁電流在勵磁周期內(nèi)具有較長的穩(wěn)定段，并保證傳感器輸出信號的零點(diǎn)穩(wěn)定性。綜上，本系統(tǒng)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(jié)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(fù)，此時(shí)勵磁線圈處于電能泄放狀態(tài)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(shí)，儲能電容兩端電壓達(dá)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(shí)，高低壓切換電路趨于80V的穩(wěn)定輸出狀態(tài)，此時(shí)勵磁電流繼續(xù)上升；待勵磁電流上升至設(shè)定的超調(diào)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(jìn)行恒流控制輸出。
根據(jù)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(jì)算公式，可計(jì)算得到勵磁方向切換時(shí)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(dá)到78.2%，相較于現(xiàn)有技術(shù)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(tǒng)可靠工作。
2.3 旁路電路性能測試實(shí)驗(yàn)
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(tài)。另外為保證勵磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)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(huán)閾值上限設(shè)置為172mA，低于勵磁電流穩(wěn)態(tài)設(shè)定值；閾值下限為112mA。針對50mm口徑的海水流量計(jì)一次儀表，采用25Hz方波勵磁的結(jié)果曲線如圖8所示。將圖7所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)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(huán)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(wěn)壓器自身的工作特性，導(dǎo)致輸出電流也出現(xiàn)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(wěn)態(tài)設(shè)定值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高壓源向低壓源切換后，三端穩(wěn)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(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。圖8所示勵磁電流約在17ms左右進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，圖9所示勵磁電流的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為12ms。這表明，在采用三端穩(wěn)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(wěn)壓器工作特性的影響，并能方便的實(shí)現(xiàn)電流超調(diào)，加快勵磁電流的響應(yīng)速度。


2.4 勵磁電流長期運(yùn)行穩(wěn)定性測試
為了評測所研制勵磁系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性和電流精度，本文進(jìn)行了長時(shí)間運(yùn)行測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為72h。實(shí)驗(yàn)中仍采用50mm口徑的海水流量計(jì)一次儀表，勵磁電流設(shè)為178mA，勵磁頻率設(shè)為12.5Hz。實(shí)驗(yàn)時(shí)，勵磁電流幅值通過海水流量計(jì)二次儀表的信號調(diào)理采集模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給DSP。DSP每隔18s將一個(gè)勵磁電流平穩(wěn)段的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)保存至外擴(kuò)的64kW的SARAM中。72h的勵磁電流采集結(jié)果如圖10所示。

由圖可知，勵磁系統(tǒng)在上電工作后需要大約2,h進(jìn)行預(yù)熱，隨后勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。不考慮系統(tǒng)預(yù)熱過程，由采集得到的勵磁電流數(shù)據(jù)計(jì)算可得勵磁電流在72h內(nèi)的波動率約為0.0156%，從而表明該勵磁系統(tǒng)在長時(shí)間運(yùn)行下能夠可靠穩(wěn)定工作。
2.5 水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
為了評測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。分別針對50mm口徑與100mm口徑的傳感器進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)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(biāo)定結(jié)果如表1所示。

由標(biāo)定結(jié)果可知，所研制的海水流量計(jì)系統(tǒng)針對50mm口徑的水流量標(biāo)定示值誤差小于0.41%，重復(fù)性誤差小于0.11%。針對100mm口徑的水流量標(biāo)定示值誤差小于0.21%，重復(fù)性誤差小于0.12%。據(jù)此可知，所研制的海水流量計(jì)系統(tǒng)針對50mm與100mm口徑的水流量標(biāo)定精度均優(yōu)于0.5級。
3、結(jié)論
1) 由能量回饋效率性能測試實(shí)驗(yàn)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(jìn)行存儲并利用，該方法較于國內(nèi)普遍通過轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)行消耗的方法而言，能夠提高系統(tǒng)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(yīng)時(shí)間性能測試以及旁路電路性能測試實(shí)驗(yàn)可知，相較于PWM反饋控制的方法或是在H橋低端設(shè)置恒流晶體管進(jìn)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(chǎn)生響應(yīng)超調(diào)，加快恒流控制的響應(yīng)速度，使得勵磁電流響應(yīng)時(shí)間從51ms縮短到12ms，恒流控制響應(yīng)速度提升至400%，從而有利于進(jìn)一步提高海水流量計(jì)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(yùn)行穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)可知，較于采用PWM反饋控制方法，勵磁電流穩(wěn)態(tài)段紋波嚴(yán)重，研制的勵磁系統(tǒng)72h內(nèi)勵磁電流波動率為0.0156%，從而表明長時(shí)間運(yùn)行下，本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠工作且勵磁電流波動率較小。
4)由水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可知，針對50mm與100mm口徑傳感器，標(biāo)定示值誤差小于0.41%，重復(fù)性誤差小于0.11%，表明研制的勵磁系統(tǒng)能夠?yàn)?strong>海水流量計(jì)的高精度測量提供保證。

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