電磁(ci)流量計 傳感器(qì)的空管狀态指(zhǐ)管道未被液體(ti)充滿，導緻電極(jí)部分✉️或全部裸(luo)露于空氣中，該(gāi)狀态下儀表示(shì)數不規則，無法(fǎ)正确顯示流量(liàng)值［1］。
　　現階段電磁(cí)流量計實現對(dui)空管狀态的檢(jiǎn)測，主要有增加(jiā)電極、參數提取(qu)和附加激勵三(sān)種方法［2－3］。增加電(diàn)極的方法需對(dui)管道進行改造(zào)，在實際使用中(zhong)可🛀行性不高；參(cān)數提取通過測(ce)量疊加于流量(liang)信号上的微分(fèn)幹擾和工頻幹(gàn)擾兩種信号，實(shí)現對管道的狀(zhuàng)态判斷。由🛀于幹(gàn)擾信号幅值受(shou)工況環境影響(xiang)大，該方法适用(yong)💔範圍較小；附加(jiā)激勵源的方法(fǎ)又分爲電壓源(yuan)和電流源兩類(lèi)，電壓源輸出阻(zǔ)抗小，并聯于🔴電(diàn)極回路，使儀表(biǎo)放🔴大器輸入阻(zu)抗減小，影響流(liu)量🥰信号。電流源(yuán)輸出阻抗高，對(duì)流🌏量信号的影(yǐng)響可忽略，但電(dian)流源輸出電流(liu)值不應過大，且(qie)電流方向應可(ke)以改變以避免(miǎn)電極極化引起(qi)的零點漂移問(wèn)題［4］。
　　爲了實現對(dui)傳感器空管狀(zhuang)态更準确、可靠(kào)的報警功能，一(yī)☔種🈚電流源激勵(li)形式的電磁流(liú)量計空管檢測(cè)模❄️塊。
1電流源附(fu)加激勵下傳感(gan)器電極回路模(mo)型
　　圖1爲電流源(yuán)附加激勵下的(de)傳感器電極回(hui)路模型🌈圖，E爲磁(ci)場⛱️作🏃‍♂️用下表征(zhēng)流速信号的感(gan)應電動勢，RL爲測(cè)量電極對地等(děng)效電阻❄️，Ri爲儀表(biǎo)放大器的輸入(rù)電🐕阻，Ie爲電流源(yuan)。

　　電流源模(mo)塊與傳感器電(dian)極回路并聯，由(you)電流源輸出阻(zǔ)🈲抗無窮🆚大特性(xìng)可知，電流源模(mo)塊不對流量信(xin)号大小産生影(ying)響。考慮實際使(shi)用情況下，不同(tóng)流體類型的🈲流(liú)體阻💚抗大小不(bú)一，對于低電導(dao)率類型流體，其(qi)流體阻抗大，爲(wei)避免采樣🌈電勢(shì)信号飽和，電流(liu)🙇🏻源輸出值應🤟根(gēn)據流體類型大(da)小可調，且輸出(chu)電流大小在微(wēi)安級👉。另外，爲了(le)避免㊙️電極長時(shí)間受同一方向(xiàng)電流影響而産(chan)生電極極化反(fan)❌應，導緻儀表零(ling)點漂移影響儀(yi)表精度，電流源(yuán)流向需可控。
　　綜(zong)上所述，爲實現(xian)電流源附加激(jī)勵形式的空管(guǎn)檢測模塊能夠(gou)準确實現空管(guǎn)報警功能，電流(liú)源需滿足如下(xià)三點約束條件(jian)：微💰弱電流值恒(heng)流、電流方向可(kě)控、電流值可😄控(kong)。
2空管檢測模塊(kuai)系統框架

　　如圖2所示(shi)，空管檢測模塊(kuai)系統由精密電(diàn)流源、電流控制(zhi)♉電♍路😍、阻抗測量(liàng)模塊三部分組(zǔ)成。其中，精密電(dian)⛷️流源🈲輸出恒定(ding)電流⭐；電流控制(zhi)電路實現對電(dian)流源輸出電流(liu)大小和方向控(kòng)制；阻抗測量模(mó)塊對電極電勢(shì)進行采樣與電(dian)勢調整，後送入(rù)微處理器進行(hang)空管判斷。下面(mian)分别對三部分(fen)電路設計進行(hang)介紹⭐。
2．1精密電流(liú)源電路設計
　　電(diàn)流源并聯于傳(chuán)感器電極回路(lu)，爲了不影響流(liu)量♋信号采🤞集，電(dian)流源内阻應爲(wei)高阻抗。如圖3，Vi1、Vi2爲(wèi)輸入電📱壓，VL爲負(fù)載端電壓，io爲電(dian)流源輸出，A1、A2爲運(yun)算放大器。

　　令isc爲負(fu)載短路電流，Ro爲(wèi)恒流源等效内(nei)阻大小。由諾頓(dùn)定理💯，求🛀🏻負載短(duǎn)路下電路的短(duǎn)路電流［5］：

　　由上述(shù)推導可知，電流(liú)源輸出阻抗無(wú)窮大，輸出電流(liú)💰大小僅由輸入(ru)電壓Vi1、Vi2和輸出電(diàn)阻R決定，滿足空(kong)管檢測🔴模塊設(she)計要求。電路的(de)不足在于，運算(suàn)放大器輸入端(duān)易受外部信号(hào)幹擾，故采用三(san)運算放大器結(jie)構替代差分放(fàng)大結構。在實❄️際(jì)設計電路時，使(shǐ)用💯儀表放大器(qi)🔴INA118替代圖3中運算(suan)放大器A1，儀表放(fang)大器INA118優點在于(yu)：
1）共模抑制比，輸(shu)入阻抗高達1010Ω；
2）低(dī)輸入偏置電流(liú)，最大值爲10nA；
3）内部(bu)精密電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較寬(kuān)的增益調節範(fàn)圍，爲1～10000。
　　反饋運放(fang)A2使用低輸入偏(piān)置電流運算放(fàng)大器，使流🈲入運(yùn)放A2的損失電流(liú)可忽略不計。根(gen)據電路知識，使(shǐ)用儀表放大器(qì)😘INA118和運🛀放OPA602後電路(lu)輸出電流值：

　　RG爲(wei)增益電阻，改變(bian)RG大小即可設定(dìng)電流源輸出電(diàn)流值。電流源輸(shu)出電流方向由(yóu)兩輸入端決定(ding)，當Vi1－Vi2＞0時，輸出電流(liú)流入負載；當Vi1－Vi2＜0時(shí)，電🥰流從負載流(liú)入儀表放大器(qi)。
2．2電流控制電路(lu)
　　電流控制電路(lu)主要用于設定(ding)電流源輸出電(diàn)流值大小以及(jí)電流方向切換(huan)頻率。爲匹配不(bú)同類型的傳感(gǎn)🔱器，電🧡路應具有(you)電流值大小調(diào)整能力。該功能(neng)🏃‍♂️使用D/A轉換芯片(piàn)TLV5625實現，其特點如(ru)下：
1）雙通道、低功(gōng)耗、8位電壓輸出(chū)型數模轉換器(qi)，軌對軌輸出
2）可(ke)采用多種通訊(xùn)接口，如SPI、TMS320。在D/A芯片(piàn)後增加模拟開(kāi)關以保證✨電💚流(liú)源能夠按微處(chù)理器設置頻率(lǜ)進行開關控制(zhi)，電流控✌️制電路(lù)如圖4所示。

　　D/A轉換芯片TLV5625采用(yòng)SPI通訊方式，MCU＿DIN爲數(shu)據信号，MCU＿SCLK爲時鍾(zhōng)信号，MCU＿CS爲片選信(xin)号🐪。芯片輸出電(dian)壓：

　　其中，電壓基(ji)準Vref＝2．048V，由基準芯片(piàn)提供，code爲微處理(li)器控制⁉️的電🔞壓(yā)值大🎯小，範圍爲(wèi)0～255。此電路輸出電(dian)壓範圍Vout：0～4．096V。
2．3阻抗測(ce)量模塊
　　最後介(jiè)紹阻抗測量模(mó)塊電路。由電流(liu)源将電流輸出(chu)至負載（傳感器(qì)兩電極）端，并對(duì)電極端電勢信(xìn)号進行采集。該(gai)電勢信号采集(ji)由微處理器A/D轉(zhuǎn)換模塊實現，輸(shu)☎️入電壓🧑🏽‍🤝‍🧑🏻範圍爲(wei)0V～3．3V，因此需對電極(jí)端電勢信号做(zuo)電壓轉換以滿(mǎn)足微處理器🥰A/D模(mo)塊的輸入電壓(yā)範圍，電壓轉換(huàn)電路如圖5所示(shì)。

　　如圖5所示(shì)，傳感器電極端(duan)電勢用Vin表示。在(zai)此信号被送🌏至(zhi)微處理器A/D模塊(kuai)之前，對電壓值(zhi)進行調整。考慮(lü)傳感器空管時(shí)，電極端電勢兩(liang)種飽和狀态，Vin變(biàn)化範圍－6V～＋6V。爲了避(bì)免模塊輸出端(duān)電壓值超過微(wei)處理器最大輸(shū)入範圍，令此電(diàn)路滿足公式：

1）當(dāng)電流爲流入電(dian)極方向，若管道(dao)飽和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當電流爲(wèi)流出電極方向(xiàng)，若管道飽和，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按(an)公式（15）進行電壓(yā)匹配，可以确保(bǎo)無論電流方向(xiang)正負，管道空管(guǎn)時信号飽💔和的(de)情況下，輸入微(wēi)處理器的電勢(shì)信号不超過其(qi)阈值🏃🏻。下面對⛷️電(dian)路阻☔值進行計(jì)算，電路總輸出(chu)電勢爲：

　　由負載(zǎi)端電壓和負載(zǎi)電流值，可以得(dé)電極對地等效(xiào)⛹🏻‍♀️阻抗值RL，将RL與保(bao)存于微處理器(qì)中空管報警判(pan)斷的阈值進行(háng)比較，即實現對(duì)傳感器管道情(qíng)況判斷。
3結束語(yu)
　　相比于現有方(fāng)法，電磁流量計(ji)使用電流源形(xíng)式的附加激勵(li)模塊，受傳感器(qì)負載類型影響(xiang)小，有更廣的适(shì)用範圍和更高(gao)的可❓靠性。

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