以电磁流量计传感器空管试验为基础,讨论了空管状态下的信号等效模型,研究了空管状态的信号特点,讨论了基于附加激励的相对电导率空管检测方法的特性,提出了一种基于幅值变化分析的空管检测方法,并讨论了相关的实现方法。
随着电磁流量计技术及其产品的日益完善,电磁流量计被广泛地用于满管流量测量,同时也较高多的被应用于一些时有非满管状态的流量控制上。因此希望电磁流量计能具有良好的空管检测能力以降低管道配置的复杂性,空管检测技术也因此成为当前电磁流量计技术的研究内容之一。
电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理工作的,其测量方程[1]是建立在流体满管于测量管道的条件之下的,显然用常规的电磁流量计技术解决检测空管问题比较高困难。在实际流量控制中主要是解决传感器处于空管状态下的流量值闭锁问题[2],具体的是指当传感器电极部分或全部处于从流体中出来时系统应及时检测到这状态并使流量值为***。本文就是研究这样的空管检测问题。
有产品说明[2]指出由于附加了激励,该方法对流体电导率有大于20μs/cm的条件。文中通过试验和空管状态的等效模型分析发现,空管状态下幅值具有一些不确定性,附加激励的相对电导率检测方法的检测分辨力对信号电缆长度敏感。文中基于流量信号中的幅值变化,结合电磁流量计***有的信号处理方法[5]探讨了空管状态下的信号特点,研究了在不影响流量测量性能前提下的空管检测方法,同时给出了相关的实现技术。
2 空管试验及其信号分析
2.1 空管状态的信号等效模型研究
由电磁流量计(两电极)传感器与信号放大器组成如图1所示信号测量关系。其中S1、S2分别为两个电极,其等效原理如图2所示。电路为对称结构,图中e1和Z1分别是传感器的流量信号和对应的流体阻抗,Z0为放大器的输入阻抗。
在通常情况下,传感器系统和信号放大部分不能做到完全屏蔽,这样电磁流量计电极的输出信号中除了流量信号外还将叠加由空间电磁场造成的。图3是考虑时的等效原理图,其中e1、Z1和Z0的含义与图2所示相同,e2为空间电场在电极上产生感应电势的,Z2为e2的等效内阻阻抗。
在传感器满管情况下,应有Z0 Z1,Z0 Z2。对应流量信号e1和e2在放大器形成输入信号Vin:
对于工频电网产生的空间电磁场来说源可等效为近场的感应电场,可视为一个***阻抗[6]。因而在满管情况下有Z2 Z1。即
考虑空管时e1=0,空管状态下Z1和Z2可视为等量大阻抗。Vin可简化为:
e2的大小与传感器的屏蔽状况有关。
基于上述模型分析,进行了相应的空管试验。
2.2 空管试验
图4是空管试验的原理图,试验条件如下:传感器直径50mm(电极直径为1cm),流体用电导率约为660μs/cm的自来水,信号线长度约20m,电极与屏蔽线之间的电容2000pF,信号放大器满幅输出电压正、负均约为15V,放大倍数2000、共模抑制比80dB、输入阻抗10GΩ,具有自动调***功能。励磁电流120mA,励磁方式为励磁频率为工频(50Hz)10分频的恒流双向励磁。
空管试验以满管开始下降液位,得到如图4所示的满管、A水位、B水位和C水位四个状态的输出信号Uo。图5～10给出了所得到的各个状态信号输出的波形。
2.3 信号特点分析
通过实际空管状态的试验和对应等效模型的分析,结合电磁流量计信号处理原理,可以发现空管状态下的信号具有以下几个特点:
(1)试验与实际应用情况相同,传感器信号上主要是工频。同时,励磁电流切换时的微分也是信号上一个大的源。
(2)从满管到C水位的液位下降过程,信号上的工频和微分的幅度越来越大。符合式(1)电极两端等效电阻越大,接受空间能力越大的关系。
(3)受到空管时残存流体的影响,空管过程下电极两端等效电阻的稳定存在一个过渡时间(时间长短与流体的物性有关)。同样空管过程中输出信号UO的稳定也存在一个过渡时间。
(4)式(3)和试验表明空管状态的不一定都会使信号上幅值出现饱和。如试验所示出现了饱和和非饱和两种不确定状态。
(5)信号上正负励磁过程的工频同步对称时,后续信号处理若能准确地捕捉工频周期,利用电磁流量计的工频同步抵消方法可以保证仪表所计量的流量值为***[5]。
(6)当使信号上幅值出现饱和现象时,用工频同步抵消方法已***能保证仪表所计量的流量值为***。必须及时闭锁流量信号使之为***以达到空管检测的目的。
(7)满管与空管状态下励磁电流切换时的微分幅值的变化对应于电极两端等效电阻的变化。这种相对变化犹如附加激励的相对电导率检测方法[4]一样,微分幅值的相对变化可以作为空管检测的依据。
(8)空间的工频电场会存在于仪表内的电路板上。如果用电阻R替代图10中的传感器直接作为阻抗Z1,即将电阻R直接跨接在仪表内的放大器输入端(无信号电缆)。实验发现,当R=100kΩ和R=4MΩ时,幅值分别如同图7和图9的情况。
3 对基于附加激励的空管检测方法的分析
这种方法也称为相对电导率法[4],其特点是由电极上引入一个有一定幅度及内阻的交流激励,如图11所示。图中e2及Z2分别为附加激励源及其内阻阻抗。e1和Z1分别是传感器的流量信号和对应的流体阻抗。显然,为了保证放大器对流量信号的***输入阻抗,必须使Z2的直流阻抗接近于无穷大。因此实际的激励源e2必须经隔直电容才能加到传感器电极上。显然,这种附加激励方法的空管检测时间必须与正常励磁周期时间分开。
图11 外加检测信号的空管检测原理图考虑空管检测时间是***立的,于是e2对放大器的输入Vin可表示如下:
Vin=Z1/(Z1+Z2)e2 (4)
由于在传感器和放大器环节中附加了激励及其电子器件,器件参数与空管检测的关系是值得分析的。图12是一个实际的附加了激励的原理图。其中R是流体电阻,C1是激励源与传感器电极及其放大器输入的隔直电容,C2是信号电缆的对地电容。
图12中,选通常的空管检测的激励源频率为f=2000Hz[4](实际激励信号一般采用高冲型)、信号电压V=5V(Vp-p)、耦合电容C1=200pF、信号内阻RS=1kΩ的实际参数来进行分析。考虑RS较高小,在计算中可以忽略,并把R和C2作为与被测流体和线缆长度有关的变量,对于放大器输入Vin有:
图13是按式(5)得出R和C2的变化与Vin的关系。
从图中可以看到,当C2为***时Vin对R的变化敏感。而C2略有增大,Vin随R变化的敏感性将大幅减小。这说明随着C2的增大,Vin对R变化的分辨能力降低。若传感器信号线长度为20m,每个信号线屏蔽地线的电容约有C2=2000pF。由图14可见这时Vin对流体电导率变化的范围及其分辨能力将明显减小。
图15～17是采用上述方法进行试验得到的Vin,从图中可以看出C2对信号的影响与前面的分析一致。
根据以上的分析,附加激励的空管检测方法是从流体相对电导率的变化来判断传感器空管状态。这种方法用附加激励的方法避开了直接分析传感器空管状态信号的技术问题,但在方法和技术上会对流体的很小电导率和信号电缆长度有一定的限制。这种方法在一定应用范围内的空管检测能力是非常有效的。通常,采用这种空管检测方法的产品对流体电导率有少大于20μs/cm的要求[2]。
4 基于幅值变化分析的空管检测方法
从前面的空管试验及其信号分析可以看到,尽管放大器输出信号UO中的幅值在传感器空管状态下具有不确定性,但图7～10的输出信号和对等效模型分析说明,信号上叠加的幅值与传感器空管状态的关系是明确的,因此可以通过对幅值的变化进行分析来进行空管的识别,关键是要确定空管状态下幅值的判别阈值以及在方法上保证空管状态时使瞬时流量值为***。
4.1 在励磁稳态时信号分析的方法
根据空管等效模型关系式(3),在空管时传感器的等效内阻变大。如试验所示,在励磁稳态时信号上的工频等将使信号上的幅值变大乃超出现饱和的程度,因此通过分析在励磁稳态时的幅值大小及变化可进行空管状态识别。
若信号放大器的线性范围是±Va,流速信号对应的幅值是±VM。则为保证电磁流量计的工频同步抵消方法,在流速时允许信号上叠加的***幅值为:
ΔV≤Va-VM (6)
当ΔV不满足式(6)时,流速下信号叠加后就会出现饱和。通常信号上叠加的是工频。信号饱和将使电磁流量计的工频同步抵消方法失去效果。可见,ΔV是在仪表流速测量范围内保证信号处理精度的***允许幅值。即ΔV可以作为判别仪表信号处理出现过大故障的一个阈值。如果在信号通道设计时对ΔV值的确定结合空管状态下的幅值,那么用式(6)就可以作为用信号分析判别空管状态的依据。
根据前面的空管试验和等效模型,可以取:
ΔV≤Va-VM≤1V (7)
必须注意的是空管状态的不确定性有可能使幅值满足式(7)。通常,当传感器接地良好时,信号上的来源主要是电网工频电场的耦合。由式(3)可知,空管时流量为***时e1为***,只要信号处理能准确地捕捉工频周期,电磁流量计的工频同步抵消方法将同样使流量值为***,也符合实际空管检测的功能要求。
4.2 在励磁切换过程中信号分析的方法
从图7到图10的输出信号UO的波形可知,在励磁切换过程下,空管状态也使信号上的微分幅值变大乃超出现饱和的程度。那么,在励磁切换过程中对信号的微分幅值的采集与分析也可判别传感器是否出现空管状态。通常微分的宽度约几毫秒(与电磁流量计传感器线圈参数有关),20m的信号电缆长度对检测微分主体幅值几乎没有影响。
确定空管状态识别的阈值与前面所述方法相同。显然,上述空管检测方法对正常的流量测量没有任何不利影响。
分别用电导率为660μs/cm的自来水、20μs/cm的去离子水及工业酒精为被测介质,采用以上两种基于幅值分析的方法进行了空管检测的试验,试验结果证明,采用这两种方法均可及时可靠地检测到空管状态,不受空管时残存流体的影响,而用放大器输出饱和进行空管检测的方法[3]明显受到残存流体的影响,经常要延迟一定时间才能检测到空管状态。基于对幅值变化分析的空管检测方法已在许多电磁流量计中应用,从目前应用情况来看效果较高好。