电磁流量传感器励磁方式的基本原理

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1、电磁流量传感器励磁方式的基本原理宁波水表股份有限公司（浙江省水表研究院）姚灵1电磁流量传感器励磁方式电磁流量传感器工作时需要恒定磁场或交变磁场的激励。为了提高传感器的性能和抗干扰特性，人们先后了采用恒定磁场的直流励磁和采用交变磁场的正弦波励磁、低频矩形波励磁、三值低频矩形波励磁、以及双频矩形波励磁等方式，使得电磁流量传感器的性能特性逐步提高和优化。图1为这几种励磁方式的理想波形图，其中：（a）直流励磁；（b）工频正弦波励磁；（c）单极性低频矩形波励磁；（d）双极性低频矩形波励磁；（e）三值低频矩形波励磁；（f）双频矩形波励磁。图1几种常用

2、励磁方式的理想波形图1.1直流励磁方式电磁流量传感器最初使用的是直流励磁，它是利用永久磁钢或直流电源给励磁线圈供电而形成恒定磁场，见图1（a）。直流励磁具有方法简单、受工频干扰影响小、被测流体中的自感现象可以忽略等特点。但直流励磁最大问题是：1）直流感应电势在两电极表面上形成固定的正负极性，引起被测流体介质电解而产生正负离子，导致电极表面出现极化现象，使流量信号的感应电动势减弱，电极间等效电阻增大，严重影响到信号处理部分的正常工作。即使电极采用极化电势很小的铂、金等贵金属或其合金材料，但常常也会存在微弱的极化电势现象；2）直流励磁在电极间

3、产生不均衡的电化学干扰电势叠加在直流流量信号中无法消除；3）直流放大器的零点漂移、噪声和稳定性等问题难以获得很好解决，特别是在小流量测量时，信号放大器的直流稳定度必须在亚微伏量值内，这样就限制了直流励磁技术的应用范围。1.2工频正弦波励磁方式工频励磁技术是利用工频50Hz正弦波电源给电磁流量传感器励磁绕组供电，其主要特点是所产生的磁场为一正弦波交变磁场，见图1（b）。这种励磁方式可基本消除电极表面的极化现象，降低电极电化学电势的影响和传感器内阻。另外，采用工频正弦波励磁技术，其传感器输出的流量信号仍然是工频正弦波信号，易于放大处理，能避免

4、直流放大器使用中存在的实际困难，而且励磁电源简单方便。在工频正弦波励磁方式中，交流磁场的磁感应强度为BBsint（1）m在电极上产生的感应电动势为ekBDvsint（2）m则被测体积流量为2DDeqvv（4）v44kBsintm式中v—被测流体的平均流速；Bm—交变磁感应强度的幅值；ω—励磁电流角频率，ω=2πf（为励磁电源频率）。但是，采用工频正弦波励磁技术会带来如下一系列的干扰和噪声。1.电磁感应产生的正交干扰正交干扰通常是由所谓的“变压器效应”和我电流造成的。在电磁流量传感器中，由于电极、引线、被测介质和二次仪表的

5、输入电路等构成的闭合回路处在一交变的磁场中，相当于形成了变压器的初级绕组，即使被测介质不流动，处于该交变磁场中的闭合回路也会产生感应电动势和感应电流，显然这是由干扰电动势造成的。根据楞次定律，干扰电动势eZ与磁场对时间的变化率的负值成正比，见下式dBeBcostBsin(t)（5）Zmmdt2上式中的负号表示按楞次定律的感应电动势的方向与磁场变化的方向相反。正交干扰信号电动势具有以下几个特点：（1）与流量无关，即使流体静止不动，这样的信号依然存在；（2）在相位上比流量信号滞后π/2；（3）励磁电源频率越高，正交干扰也

6、越严重。2.同相干扰所谓同相干扰指的是在流量传感器两个电极上，频率和相位都和流量信号一致的干扰信号。一般认为是由静电感应、绝缘电阻分压、以及测量管道上的杂散电流引起的。传感器的励磁线圈对电极A和B不仅存在着绝缘电阻Rm，同时还存在着分布电容Cf。设两电极之间的内阻为Rs，则励磁电压U通过绝缘电阻和分布电容与传感器内阻分压，在两电极上同时产生压降，见图2。图2静电感应引起的同相干扰原理图设励磁电压为UUsint（6）m1则在Cf上产生的容抗为Rf，Rf和Rm并联，通常Rm远大于Rf，则并联后的总阻抗CfR近似为Rf。这样，Rf和内阻

7、Rs/2对励磁电压U进行分压，在电极上将得到由分布电容Cf串入的干扰电压为RSeUsint（7）tm2RRfS由于同相干扰信号的频率和相位与流量信号完全一致，叠加在流量信号中难以分离，以致电磁流量传感器的工作零点不稳定。3.工频正弦波供电电源电压与频率的波动影响由式（2）可知，电压和频率的波动会分别影响到Bm和ω，从而对流量测量结果造成较大的影响。由于正交干扰信号电势往往有较大幅值，自动正交抑制系统等抗干扰措施不可能完全消除干扰信号，从而导致电磁流量传感器工作零点不稳定，测量准确度难以提高。1.3低频矩形波励磁方式低频矩形波励磁技术

8、是结合了直流励磁和交流励磁技术的优点，同时避免了它们缺点的一种励磁技术。它的励磁波形见图1（c）和（d）所示，其频率通常为工频的偶数分之一（一般为1/2～1/32）。前期应用以单极性低频矩形波