来宝网 2016/4/16点击1876次
论述了线圈励磁的电磁流量计消除极化电压、抑制零点漂移的方法， 但是，它们都是基于线圈励磁方法的情况下提出来的，并不能完全满足磁钢励磁的电磁流量计信号处理的要求。所以，必须针对恒磁式电磁流量计的特点， 设计出相应的信号处理方法。从包含较大极化电压的电极电压信号中提取出较小的反映流量的感应电动势信号，通常有两种方法：
一、研究极化电压，分析两个电极上极化电压的相关性，试图从根本上消除极化电压的影响。如果两个电极上的极化电压之间存在某种特定的关系，可以根据这种关系，利用相关原理设法消除存在于两个电极上的极化电压，其代表有差分对比消除极化电压的方法。但是由于极化电压的随机性，以及目前对极化电压的原理还不是十分了解，两个电极的极化电压不存在相关性，所以其消除极化的效果并不理想。
二、避开直接研究极化电压，在反映流速变化的感应电动势不受影响的前提下，设法将极化电压控制到某一固定值，进而提取出反映流速变化的感应电动势信号。其代表有继电器电容反馈抑制极化的方法。但是由于电容充放电过程的不稳定性和不对称性，以及电容漏电现象的存在，很难精确的抑制极化电压的影响。
基于上述两种方法，本课题对恒磁式电磁流量计已有的极化控制方法进行了相应的实验和分析。
3．3．1差分对比消除极化的方法
当测量电极与被测流体接触时会产生电极极化，即在两电极之间产生一种缓慢变化的、随机的、且与流量无关的极化电压。通电线圈励磁的电磁流量计采用正反向交替变化的励磁方式来消除极化电压，分别在励磁信号的正半周期和负半周期对流量信号进行采样，由于极化电压与磁场无关，两次得到的流量信号经过差分即可去除极化干扰，从而得到流量信号【38】。1983年，日本的专利【删(专利申请号：JP58216916)中也提到过类似的研究方法。上述差分对比消除极化的原理框图如图3．6所示，因为极化电压与磁场无关，在保证电极材料和测量流体完全相同的情况下，两路电压信号差分，理论上可以消除两组电极上采集的共同的极化电压，从而得到反映流速的感应电动势信号。图3-6差分对比消除极化原理图
调整加磁钢和不加磁钢两组电路，保证静态无流速时，加磁钢和不加磁钢两组电路的输出电压尽可能相等，从理论分析可知，有流速时，加磁钢的电极上采集的信号应该包括极化电压和反应流速的感应电动势。不加磁钢的电极上采集的信号仅仅包括极化电压，所以，两组信号经过差分后，得到的仅仅是反应流速的感应电动势。
但是，在实际的测量过程中，虽然电极材料和测量流体完全相同，两对电极差分后的信号并未随着流速的变化而变化。从而说明在同一管道上相邻的两对电极上产生的极化电压也没有任何的相关性，不能通过这种差分对比消除极化的方法来获得反映流速的感应电动势，由此也进一步验证了极化电压的随机性和不相关性。
3．3．2继电器电容反馈极化控制方法
鉴于极化电压的随机性和不相关性，提出了反馈控制的思想，把一个周期分为测量时段和控制时段，对两个电极进行周期的测量时段和控制时段交替工作方式。在测量时间内采集电极上的电压信号；在控制时间内将已采集的极化电压负反馈给测量电极，以消除电极电压信号中的极化电压。双继电器电容反馈的工作系统原理框图如图3．7所示，在测量阶段，电极采集的电压信号对电容充电；在控制阶段，将电容上存储的电荷交叉反馈给测量电极。理论上可以抑制极化电压的影响，从而达到控制极化的目的。图3．7双继电器工作系统原理图在实际的测量过程中，当流速变化时，可以比较明显的看出极化电压上叠加的感应电动势。但是，电容充放电的过程不稳定，而且受外界干扰影响严重， 反应流速信号的波形极不稳定，近似于杂波信号，无法精确的反映出流量的变化情况，只能很粗略的反映流量信号的变化。
3．3．3浙江大学专利的方法
2004年浙江大学申请了一项用于电磁流量计的永磁式励磁方法的专利【14】， 其结构和原理框图如图3．8所示。图3．8永磁式励磁电磁流量计结构示意图两个电极分别相向对称安装在管道内壁上，两块永磁体对称安装在管道外， 永磁体产生的磁场方向、导电流量流速方向以及电极连线方向两两垂直。流量信号由电极采集，进入前置放大器部分完成阻抗匹配和差分放大，得到的信号送入信号处理部分，由信号处理部分完成信号调理，处理好的信号最终送入微处理器部分，由微处理器部分完成流量的计算，流量值送入显示部分完成流量的显示。
微处理器控制切换器的输入输出电压方向和数值，微处理器给电极施加交变电场和从电极采集流量信号的时序如图3-9所示。非采样时间内，切换器使两个电极的引出线x，Y分别与微处理器部分输入端X1，Y1导通，从而在两个电极上施加由微处理器控制的交变电场；采样时间内，切换器使两个电极的引出线X，Y分别与前置放大部分的输入端X2，Y2导通，从而撤消在电极上施加的交变电场，并从电极上采集流量信号，然后经过微处理器进行后续处理。图3-9两个电极信号的控制时序
[注：P：在流体中加正向电场；S：采样流量信号；N：在流体中加负向电场】非采样时间内快速变化的交变电场可以抑制传统直流励磁测量非金属流体时产生的严重的极化现象，采样时间内永磁式励磁可以避免交流电磁场的干扰， 从理论上分析，该方法设计的电磁流量计结构简单，可以在励磁模块零功耗的条件下有效地反应流量。
但是，该方法是先施加固定的交变电场抑制电极极化，然后再采样流量信号。施加交变电场仅仅是相当于在极化电压的基础上施加了一个交流信号，而极化电压的随机性很大，并没有针对极化电压采取相应的抑制措施，没有充分考虑到电极上电势总体不平衡对流量信号的影响，因而并不能有效地抑制极化现象，极化电压始终存在，流量信号仍然被淹没在极化电压中，不能反应出流速的变化，并不能在真正意义上实现测量。
上述三种控制极化电压的方法，充分证明极化控制方法是可以对极化电压进行控制的。但是，上述方法虽然在一定程度上抑制了极化电压，测量电压值粗略的反映出流量的变化，但并不能实现真正意义上的流量测量。在上述极化控制方法的基础上，借鉴自动控制原理中的负反馈的思想，本课题提出了动态反馈极化控制方法，针对极化电压的变化，动态的调整反馈信号的大小，从而把极化电压始终控制在某一稳定的值，直接通过两个电极电势信号的差值就可以消除极化电压的影响，并从中提取出反映流速的感应电动势值。
3．4本章小结
电磁流量传感器采用的励磁方法决定了该流量计的信号处理方法。基于上一章设计的恒磁式电磁流量传感器，本章详细讨论了其相应的信号处理方法， 尤其是极化控制方法。首先介绍了在传统的线圈励磁的电磁流量计中几种常用的极化处理方法，这些方法已经在电磁流量计中获得了广泛的应用。随后分析了恒磁式电磁流量计极化电压的特点，针对其特点对极化控制方法进行了研究， 并分析了各种方法的优缺点。
