淺析電容式電磁流量計的信號工作原理及檢出方式優缺點

　　1 引言
電容式電磁流量計是近年來電磁流量計的研究熱點，由于采用大面積電極，并且電極與被測流體間有絕緣襯里隔離，從根本上解決了電極表面附著、腐蝕、摩擦等問題，對電極式電磁流量計難以測量的流體類型，如低電導率流體、泥漿混入型流體、附著型流體等，可以很好地完成檢測，在很大程度上拓展了電磁流量計的適用范圍，在造紙、制糖、化工、冶煉等行業有著良好的應用前景。電容式電磁流量計是利用靜電電容來檢測感應電動勢的，由大面積電極板與所測流體通過絕緣襯里組成檢測電容，其電容值一般為幾十pF，因此要使信號順利通過，要求激磁頻率比較高，一般為幾百Hz，并且隨著流體電導率的下降，信號內阻變得很大，干擾影響加劇，零點穩定困難，使準確檢出流速信號難度增大。為了提高測試精度，除了改進傳感器和激磁電路，研究信號的檢出方式，提高信號檢出能力也是非常重要的。目前應用的信號檢出方式主要有兩種：一是直接檢測信號電壓，通過提高前置放大器的輸入電阻，盡量減少信號電壓的衰減，保證足夠的精度。二是采用“虛地” 技術，通過檢測信號電流，來獲得流速信號。電容式電磁流量計的設計中，如何準確、有效地檢測出微弱的流速信號一直是研究的重點。本文對兩種典型的信號檢出方法——電壓檢測和電流檢測的基本原理進行了比較，分析了它們存在的優缺點。

 
　　2電壓檢測方式
目前國內市場上電容式電磁流量計都是采用電壓檢測作為信號檢出方式。為了保證足夠的檢測精度，除了良好的屏蔽外，主要是要提高前置放大器的輸入電阻，為了達到足夠高的輸入阻抗，一般需要采用自舉高阻抗輸入電路n，其基本電路如圖1所示：

其基本原理為：通過電容c的正反饋，把電阻R2上的電位抬高(自舉)，使電阻R1的兩端幾乎為等電位狀態，于是，輸入回路的電流幾乎為零，從而實現了高的輸入阻抗。其輸入阻抗可近似由式(1)進行計算：Ri≈R1+R2+j(t’R1R。C (1)
 
通過合理選擇參數，輸入電阻Ri可以達到1012Q以上，可以在內阻很大的情況下獲得足夠的信號測量精度。當然這只是一個基本的電路，實際應用時，由于運放的輸入電容的影響不能忽略，還需要在電路上進行一些調整口]。
 
　　3電流檢測方式
電流檢測的方法是McHale提出的，激勵磁場B是一個三角波信號，通過測量與感應電勢變化率成比例的電流信號，采用“虛地”的方式，前置放大電路相當于一個電流／電壓轉換器，合理選擇反饋電阻的阻值，可以獲得很高的轉換比，并且通過在線的電容檢測，保證了檢測的精度。其基本電路如圖2所示：
 

 
　　其基本原理是：電容式電磁流量計是通過大面積電極同被測流體形成的電容來耦合電磁感應產生的與流速相關的感應電勢的，根據電容的特性，在檢測電極上存貯的電量：
　　Q—CE (2)
　　式中：C為電極電容值，E為感應電勢。而感應電勢是與流速v、磁場B及測量管管徑D成正比的。可表示成式(3)，其中K為比例系數。
　　Q—KCvBD (3)
　　因此信號電流i，可以由Q對時間的微分得到：
　　iF—dQ／dt—KCvD(dB／dt) (4)
由于激勵磁場B是三角波，dB／dt和i，都是方波信號，因此，只要C可以準確得到，通過檢測i，就可以實現對流體流速的檢測。由于c值會隨著流體的溫度、壓力的變化而變化，因此，MeHale通過在流體與系統地之間增加一個比磁場激勵信號頻率低一倍的三角波電場激勵，由于i。=Cdvc／dt，在電極上就會疊加上一個與電極電容值成比例的電流信號i。，因此，電極上檢出的電流信號實際包含了流速信號i，和電容信號i。，兩個極板上的i，信號大小相等，方向相反，通過一個加法器進行放大，就可以將i。信號檢出；而i。信號是大小相等，方向相同的，信號放大電路中對i，采用的是差分放大，信號中的i。分量會被當作共模信號去除，不會影響流速信號的檢測，從而通過式(4)實現對流體流速的檢測。
 
　　4比較與討論
綜上分析我們不難看出，兩種信號檢出方式各有特點，但都沒有完全解決信號檢測問題。
 
電壓檢出方式可以充分利用成熟的電極式電磁流量計的檢測技術，激磁電路簡單，但高輸入阻抗使電容的泄漏電流影響明顯，檢出信號的誤差增大。同時，干擾的影響更為顯著，信噪比SNR很低，特別是當被測流體的電導率進一步降低時更加明顯，采取這種信號檢出方式，其電導率下限大致為0．01／m。
 
　　電流檢出采用“虛地”的方式，檢測電路相當于一個電流／電壓轉換器，從根本上消除電容的泄漏電流的影響，對傳感器、前置放大器的要求降低了，對被測流體電導率幾乎沒有限制。但這種方式使激磁電路變得比較復雜，目前仍限于實驗室研究，還沒有此類的商品型電磁流量計。


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