摘要：為了提高方波勵(lì)磁頻率，以便在漿液測(cè)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(lì)磁控制方案。通過(guò)采用高低壓切換的方式，加快方波勵(lì)磁過(guò)程中勵(lì)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(lì)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(lì)磁系統(tǒng)能夠顯著加快勵(lì)磁電流的響應(yīng)速度，恒流控制響應(yīng)速度提升400%，勵(lì)磁電路工作穩(wěn)定可靠，勵(lì)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(lì)磁方式，以使傳感器輸出信號(hào)獲得較長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)段，保證其測(cè)量精度。當(dāng)測(cè)量漿液流量時(shí)，由于漿液中的固體顆粒劃過(guò)電極表面，導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)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(duì)輸出信號(hào)的影響，要求提高勵(lì)磁頻率。然而，由于海水流量計(jì)的勵(lì)磁線圈為感性負(fù)載，提高勵(lì)磁頻率將會(huì)造成勵(lì)磁電流在半勵(lì)磁周期內(nèi)的穩(wěn)定段變短，不利于流量的測(cè)量。特別是當(dāng)勵(lì)磁線圈的電感值較大時(shí)，若提高勵(lì)磁頻率，就有可能使勵(lì)磁電流無(wú)法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，從而無(wú)法進(jìn)行流量的測(cè)量。國(guó)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(lái)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(huì)造成H橋低端電壓波動(dòng)較大，不利于H橋的開(kāi)關(guān)控制。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)大多采用國(guó)外較為落后勵(lì)磁技術(shù)，勵(lì)磁電流在51ms左右才進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此勵(lì)磁頻率難以提高，頻率多為2.5～5Hz。為此，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了勵(lì)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(lì)磁控制方案，文獻(xiàn)提出了基于高低壓電源切換的勵(lì)磁控制方案?；诰€性電源的勵(lì)磁控制方案僅適用于勵(lì)磁線圈電感值相對(duì)較小的傳感器的高頻勵(lì)磁。高低壓電源切換勵(lì)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(lì)磁頻率。但是，文獻(xiàn)披露的高低壓電源切換的勵(lì)磁控制方案，對(duì)于勵(lì)磁線圈電感值較大的傳感器，勵(lì)磁電流響應(yīng)速度難以進(jìn)一步提高，從而限制了勵(lì)磁頻率進(jìn)一步提高的可能。并且勵(lì)磁方向切換時(shí)，勵(lì)磁線圈中儲(chǔ)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(lì)磁線圈電感值較大時(shí)，電路能耗更大，不利于電路長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
為此，針對(duì)高低壓勵(lì)磁方式，提出具有能量回饋和電流旁路的高低壓勵(lì)磁控制方案。為了加快勵(lì)磁電流的響應(yīng)速度，采用旁路勵(lì)磁電路與恒流控制電路相結(jié)合的勵(lì)磁方式，進(jìn)一步改善高壓段勵(lì)磁效果，加速勵(lì)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(cè)試
勵(lì)磁系統(tǒng)研制完成后，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試：1)對(duì)于高頻勵(lì)磁，要求勵(lì)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(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間。2)對(duì)于能量回饋電路，主要測(cè)試其對(duì)線圈中能量的吸收與回饋的效率。3)為了說(shuō)明旁路電路對(duì)勵(lì)磁電路的勵(lì)磁效果的改善，則對(duì)比采用旁路電路勵(lì)磁前后，勵(lì)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(lì)磁電流在一段時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)情況，進(jìn)行了勵(lì)磁電流長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。由于在實(shí)際測(cè)量時(shí)，流過(guò)傳感器的被測(cè)流體的流速，與勵(lì)磁電流流過(guò)勵(lì)磁線圈建立的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度成正比，為了使傳感器獲得平穩(wěn)的信號(hào)輸出，要求勵(lì)磁線圈中的勵(lì)磁電流在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后波動(dòng)值較小。
2.1 勵(lì)磁電流響應(yīng)時(shí)間性能測(cè)試
將1臺(tái)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(lì)磁實(shí)驗(yàn)。該一次儀表勵(lì)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(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
*先，采用某公司生產(chǎn)的二次儀表匹配一次儀表進(jìn)行勵(lì)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(lì)磁曲線結(jié)果如圖6所示，勵(lì)磁頻率為3.125Hz，勵(lì)磁方式為三值波勵(lì)磁，勵(lì)磁電流大約在51.16ms左右進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)段波動(dòng)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(lì)磁。勵(lì)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(lì)磁頻率設(shè)為12.5Hz，低壓勵(lì)磁電源設(shè)定為17V。示波器采集繪制得到的勵(lì)磁結(jié)果曲線如圖7所示。其中圖(a)為勵(lì)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(lì)磁時(shí)序控制信號(hào)。從曲線(b)可以看到，在勵(lì)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(guò)渡過(guò)程，待輸入輸出壓差穩(wěn)定后，勵(lì)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(guò)對(duì)比上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相對(duì)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(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁電流響應(yīng)速度提升4倍，從而保證勵(lì)磁電流在勵(lì)磁周期內(nèi)具有較長(zhǎng)的穩(wěn)定段，并保證傳感器輸出信號(hào)的零點(diǎn)穩(wěn)定性。綜上，本系統(tǒng)可以顯著提高勵(lì)磁頻率。


2.2 能量回饋效率性能測(cè)試
由圖7曲線結(jié)合圖2可知，在勵(lì)磁方向切換后，檢流電路檢測(cè)到的圖7(a)中的勵(lì)磁電流瞬間為負(fù)，此時(shí)勵(lì)磁線圈處于電能泄放狀態(tài)并向能量反饋電路中的儲(chǔ)能電容充電。由于儲(chǔ)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(lì)磁線圈能量泄放完即勵(lì)磁電流為零時(shí)，儲(chǔ)能電容兩端電壓達(dá)到*高86V并開(kāi)始放電，勵(lì)磁電流開(kāi)始上升；儲(chǔ)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(lì)磁電流繼續(xù)上升；待勵(lì)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(lì)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(cè)得的勵(lì)磁電流和儲(chǔ)能電容的電壓信號(hào)，參考電感和電容的能量計(jì)算公式，可計(jì)算得到勵(lì)磁方向切換時(shí)勵(lì)磁線圈泄放的能量約為0.01972J，儲(chǔ)能電容儲(chǔ)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(lì)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(cè)試實(shí)驗(yàn)
為比較電流旁路電路對(duì)勵(lì)磁恒流控制的影響，將遲滯比較電路對(duì)電流旁路電路的控制斷開(kāi)，即電流旁路電路始終處于斷開(kāi)狀態(tài)。另外為保證勵(lì)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(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)設(shè)定值；閾值下限為112mA。針對(duì)50mm口徑的海水流量計(jì)一次儀表，采用25Hz方波勵(lì)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(lì)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(lì)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(dòng)。*后，恒流控制電路在低壓源供電的情況下，控制輸出勵(lì)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(dòng)和低壓源供電情況下的恒流控制，會(huì)大幅延長(zhǎng)勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。圖8所示勵(lì)磁電流約在17ms左右進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，圖9所示勵(lì)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(lì)磁電流的響應(yīng)速度。


2.4 勵(lì)磁電流長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試
為了評(píng)測(cè)所研制勵(lì)磁系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性和電流精度，本文進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)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(lì)磁電流設(shè)為178mA，勵(lì)磁頻率設(shè)為12.5Hz。實(shí)驗(yàn)時(shí)，勵(lì)磁電流幅值通過(guò)海水流量計(jì)二次儀表的信號(hào)調(diào)理采集模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給DSP。DSP每隔18s將一個(gè)勵(lì)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(lì)磁電流采集結(jié)果如圖10所示。

由圖可知，勵(lì)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(lì)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(guò)程，由采集得到的勵(lì)磁電流數(shù)據(jù)計(jì)算可得勵(lì)磁電流在72h內(nèi)的波動(dòng)率約為0.0156%，從而表明該勵(lì)磁系統(tǒng)在長(zhǎng)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(píng)測(cè)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(duì)50mm口徑與100mm口徑的傳感器進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)勵(lì)磁方式采用方波勵(lì)磁，勵(lì)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(duì)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(duì)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(duì)50mm與100mm口徑的水流量標(biāo)定精度均優(yōu)于0.5級(jí)。
3、結(jié)論
1) 由能量回饋效率性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知，采用能量回饋電路對(duì)勵(lì)磁方向切換后，線圈中剩余的能量進(jìn)行存儲(chǔ)并利用，該方法較于國(guó)內(nèi)普遍通過(guò)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(zhǎng)期可靠工作。
2) 由勵(lì)磁電流響應(yīng)時(shí)間性能測(cè)試以及旁路電路性能測(cè)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(lì)磁方式能夠使得勵(lì)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(lì)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(lì)磁頻率，減小漿液測(cè)量中的漿液干擾。
3) 由勵(lì)磁電流長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知，較于采用PWM反饋控制方法，勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)段紋波嚴(yán)重，研制的勵(lì)磁系統(tǒng)72h內(nèi)勵(lì)磁電流波動(dòng)率為0.0156%，從而表明長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下，本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠工作且勵(lì)磁電流波動(dòng)率較小。
4)由水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可知，針對(duì)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(lì)磁系統(tǒng)能夠?yàn)?strong>海水流量計(jì)的高精度測(cè)量提供保證。

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