電磁(ci)流量計(ji) 傳感器(qì)的空管(guǎn)狀态指(zhi)管道未(wei)被液體(tǐ)充滿，導(dǎo)緻電極(ji)部分或(huo)全部裸(luǒ)露于空(kong)氣中，該(gai)狀态下(xià)儀表示(shi)數不規(gui)則，無🐪法(fǎ)正确顯(xian)示流量(liàng)值［1］。
　　現階(jie)段電磁(cí)流量計(jì)實現對(duì)空管狀(zhuàng)态的檢(jian)測，主要(yao)有增加(jia)電極、參(cān)數提取(qǔ)和附加(jiā)激勵三(san)種方法(fa)［2－3］。增加電(dian)極的方(fang)法需對(duì)管道進(jìn)行改造(zào)，在實際(ji)使用中(zhōng)可⁉️行性(xing)不高；參(cān)數提取(qu)通🔴過測(cè)量疊加(jiā)于流量(liàng)信号上(shàng)的微分(fèn)幹擾和(he)工頻幹(gan)擾兩種(zhong)信号，實(shí)現對管(guan)道的狀(zhuàng)态判斷(duan)。由于幹(gan)擾信号(hao)幅值受(shòu)工況環(huan)境影響(xiǎng)大，該方(fāng)法适用(yòng)範圍較(jiao)小；附加(jia)激勵源(yuán)的方法(fa)又🏃分爲(wèi)電壓源(yuán)和✔️電流(liu)源兩類(lei)，電壓源(yuán)輸出阻(zǔ)抗小，并(bìng)聯于電(dian)✔️極回路(lù)，使儀表(biao)放🥵大器(qì)輸入阻(zu)抗減小(xiao)🈲，影響流(liú)量信号(hao)。電流源(yuan)輸出阻(zǔ)抗高，對(duì)流🌈量信(xìn)号的影(yǐng)響可忽(hū)略，但電(dian)流源輸(shū)出電流(liu)值不應(yīng)過大，且(qie)電流方(fāng)向應🍓可(kě)以改變(biàn)以避免(mian)電極極(jí)化引起(qi)的零點(dian)漂移問(wèn)題🥰［4］。
　　爲了(le)實現對(duì)傳感器(qì)空管狀(zhuàng)态更準(zhun)确、可靠(kao)的報警(jing)功能，一(yi)種電流(liú)源激勵(li)形式的(de)電磁流(liú)量計空(kong)管檢測(ce)模塊。
1電(dian)流源附(fù)加激勵(li)下傳感(gan)器電極(jí)回路模(mó)型
　　圖1爲(wei)電流源(yuán)附加激(ji)勵下的(de)傳感器(qi)電極回(huí)路模型(xing)💚圖，E爲磁(cí)場作用(yòng)下表征(zheng)流速信(xìn)号的感(gan)應電動(dòng)勢，RL爲測(ce)量電極(jí)對地等(deng)效電阻(zǔ)，Ri爲儀表(biǎo)放大器(qi)的輸入(ru)電阻，Ie爲(wèi)電🙇‍♀️流源(yuán)。

　　電(diàn)流源模(mo)塊與傳(chuan)感器電(diàn)極回路(lù)并聯，由(yóu)電流源(yuán)輸✌️出阻(zu)抗無🌈窮(qióng)大特性(xìng)可知，電(diàn)流源模(mo)塊不對(dui)流量信(xìn)号大小(xiao)産生影(yǐng)響。考慮(lü)實際使(shǐ)用情況(kuàng)下，不同(tóng)流體✔️類(lei)型的流(liu)體阻抗(kang)大小不(bú)一，對于(yú)低電導(dǎo)率類型(xing)流體，其(qi)流體阻(zǔ)抗大，爲(wei)🆚避免采(cǎi)樣電勢(shi)信号飽(bao)和，電流(liú)源輸出(chu)值應根(gen)據流體(tǐ)類型大(da)小可調(diao)⭐，且輸出(chū)電流大(da)小在微(wēi)安級。另(lìng)外，爲了(le)避免電(diàn)極長時(shí)間受😘同(tong)一方向(xiàng)電流影(yǐng)響而産(chǎn)生電極(ji)極化反(fǎn)應，導緻(zhi)儀表零(ling)💃🏻點漂移(yí)影響儀(yí)表精☔度(du)，電流源(yuán)流向需(xu)可㊙️控。
　　綜(zong)上所述(shù)，爲實現(xian)電流源(yuan)附加激(jī)勵形式(shì)的空管(guan)檢測⛷️模(mó)塊能夠(gou)準确實(shi)現空管(guan)報警功(gong)能，電流(liú)源需滿(mǎn)足如下(xia)三點約(yuē)束條件(jiàn)：微弱電(dian)流值恒(heng)流、電流(liu)方向⛱️可(kě)控、電流(liu)值可控(kong)。
2空管檢(jian)測模塊(kuài)系統框(kuang)架

　　如(rú)圖2所示(shì)，空管檢(jian)測模塊(kuai)系統由(yóu)精密電(dian)流源、電(diàn)流控制(zhì)電路、阻(zu)🐅抗測量(liàng)模塊三(san)部分組(zǔ)成。其中(zhong)，精密電(dian)流源輸(shu)出恒定(dìng)😍電流；電(diàn)流控制(zhì)電路實(shi)現對電(diàn)流源輸(shū)出電流(liú)大小和(he)方向🚶‍♀️控(kong)制；阻抗(kàng)測量模(mó)塊對電(dian)極❗電勢(shi)進行采(cǎi)樣與電(dian)勢調整(zheng)，後送入(ru)微處理(lǐ)器進行(hang)空管判(pàn)斷。下面(miàn)分别對(duì)三部分(fen)電路設(shè)計進行(hang)介紹。
2．1精(jīng)密電流(liu)源電路(lù)設計
　　電(diàn)流源并(bing)聯于傳(chuán)感器電(dian)極回路(lu)，爲了不(bú)影響流(liu)量⭕信号(hào)采集，電(dian)流源内(nèi)阻應爲(wèi)高阻抗(kàng)。如圖3，Vi1、Vi2爲(wei)輸入電(dian)壓，VL爲負(fù)載端電(dian)壓，io爲電(diàn)流源輸(shu)出，A1、A2爲運(yun)算放大(dà)器。

　　令isc爲負(fu)載短路(lù)電流，Ro爲(wei)恒流源(yuán)等效内(nèi)阻大小(xiǎo)。由諾頓(dun)定✏️理，求(qiú)負載短(duan)路下電(diàn)路的短(duan)路電流(liú)［5］：

　　由上述(shù)推導可(ke)知，電流(liú)源輸出(chu)阻抗無(wu)窮大，輸(shu)出電流(liú)大小僅(jin)由輸入(rù)電壓Vi1、Vi2和(he)輸出電(dian)阻R決定(ding)，滿足空(kong)管檢測(ce)模塊設(she)計要求(qiu)⁉️。電路的(de)不足在(zai)于，運算(suan)放大器(qì)🌈輸入端(duan)易受外(wai)部信号(hao)🔴幹擾，故(gu)采用三(san)運算放(fang)大器結(jié)構替代(dài)差分放(fang)大🈲結構(gou)。在實際(jì)設計電(diàn)路時，使(shi)用㊙️儀表(biǎo)放大器(qì)💃INA118替代圖(tú)3中運算(suan)放大器(qi)A1，儀😄表放(fàng)大器INA118優(yōu)👌點在于(yú)：
1）共模抑(yi)制比，輸(shū)入阻抗(kàng)高達1010Ω；
2）低(dī)輸入偏(piān)置電流(liu)，最大值(zhí)爲10nA；
3）内部(bù)精密電(dian)阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較寬(kuan)的增益(yi)調節範(fan)圍，爲1～10000。
　　反(fǎn)饋運放(fang)A2使用低(dī)輸入偏(piān)置電流(liu)運算放(fàng)大器，使(shǐ)流入運(yun)放❓A2的損(sun)✏️失電流(liu)可忽略(lue)不計。根(gēn)據電路(lù)知識，使(shǐ)用儀表(biǎo)放🥰大器(qì)💔INA118和運💃🏻放(fàng)OPA602後電路(lu)輸出電(dian)流值：

　　RG爲(wei)增益電(dian)阻，改變(bian)RG大小即(jí)可設定(dìng)電流源(yuán)輸出電(diàn)流值。電(dian)流源♻️輸(shu)出電流(liu)方向由(yóu)兩輸入(ru)端決定(ding)，當Vi1－Vi2＞0時，輸(shū)出電流(liu)流入負(fù)載；當Vi1－Vi2＜0時(shi)，電流從(cong)負載流(liú)入儀表(biao)放大器(qi)。
2．2電流控(kòng)制電路(lu)
　　電流控(kòng)制電路(lù)主要用(yong)于設定(dìng)電流源(yuán)輸出電(dian)流值大(da)小以及(jí)電流方(fāng)向切換(huàn)頻率。爲(wei)匹配不(bú)同類型(xíng)的傳感(gan)器，電路(lu)應具有(you)電流值(zhi)大小調(diao)整能力(lì)。該功能(neng)使用D/A轉(zhuǎn)換芯片(piàn)TLV5625實現，其(qi)特點如(ru)下：
1）雙通(tōng)道、低功(gōng)耗、8位電(dian)壓輸出(chū)型數模(mo)轉換器(qì)，軌對軌(guǐ)輸出
2）可(ke)采用多(duo)種通訊(xùn)接口，如(rú)SPI、TMS320。在D/A芯片(pian)後增加(jiā)模拟開(kāi)關以☎️保(bao)證電流(liu)源能夠(gòu)按微處(chù)理器設(shè)置頻率(lǜ)進行開(kai)關控㊙️制(zhi)，電流控(kong)制電♍路(lù)如圖4所(suǒ)示。

　　D/A轉換芯(xin)片TLV5625采用(yòng)SPI通訊方(fang)式，MCU＿DIN爲數(shù)據信号(hào)，MCU＿SCLK爲時鍾(zhōng)信号，MCU＿CS爲(wei)♌片選信(xin)🏃号👈。芯片(piàn)輸出電(diàn)壓：

　　其中(zhōng)，電壓基(ji)準Vref＝2．048V，由基(jī)準芯片(pian)提供，code爲(wei)微處理(lǐ)器控制(zhi)的電🔞壓(yā)🈲值大小(xiǎo)，範圍爲(wèi)0～255。此電路(lu)輸出電(dian)壓範圍(wéi)Vout：0～4．096V。
2．3阻抗測(ce)量模塊(kuài)
　　最後介(jie)紹阻抗(kàng)測量模(mó)塊電路(lù)。由電流(liu)源将電(dian)流輸出(chu)🏃‍♂️至負載(zai)（傳🏒感器(qi)兩電極(jí)）端，并對(dui)電極端(duān)電勢信(xìn)号進行(hang)✊采集☀️。該(gāi)電勢信(xin)号采💞集(jí)由微處(chù)理器A/D轉(zhuǎn)換模塊(kuài)實現，輸(shū)入電壓(yā)範圍爲(wèi)0V～3．3V，因此需(xu)對電極(ji)端電勢(shì)信号📐做(zuo)電壓轉(zhuan)換以滿(mǎn)足微處(chu)理器A/D模(mó)塊的輸(shū)入電壓(ya)範圍，電(diàn)壓轉換(huàn)電路如(ru)圖5所示(shi)。

　　如(ru)圖5所示(shi)，傳感器(qì)電極端(duan)電勢用(yòng)Vin表示。在(zài)此信号(hao)被送🤞至(zhi)🚶微處理(lǐ)器A/D模塊(kuài)之前，對(duì)電壓值(zhí)進行調(diào)整。考慮(lü)💰傳感器(qi)空管時(shi)🥰，電極端(duan)電🔴勢兩(liang)種飽和(hé)狀态，Vin變(biàn)化範圍(wéi)－6V～＋6V。爲了避(bì)免模塊(kuài)輸出端(duan)電壓值(zhí)超過微(wei)處理器(qi)最大輸(shu)入範圍(wei)，令此電(dian)路滿足(zú)公式：

1）當(dang)電流爲(wèi)流入電(dian)極方向(xiang)，若管道(dào)飽和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當(dang)電流爲(wei)流出電(diàn)極方向(xiàng)，若管道(dào)飽和，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按(àn)公式（15）進(jin)行電🌈壓(ya)匹配，可(ke)以确保(bǎo)無論電(dian)流方向(xiàng)正負，管(guǎn)道空管(guǎn)時信🌐号(hao)飽和的(de)🌏情況下(xià)，輸入微(wēi)處理器(qì)的電勢(shì)信号不(bú)超過其(qi)阈值。下(xià)面對電(diàn)路阻‼️值(zhí)進行計(jì)算，電路(lù)總😘輸出(chu)電勢爲(wei)：

　　由負載(zai)端電壓(yā)和負載(zǎi)電流值(zhí)，可以得(dé)電極對(duì)地等效(xiào)阻抗值(zhi)RL，将RL與保(bao)存于微(wēi)處理器(qì)中空管(guan)報警判(pàn)斷的阈(yu)值進行(háng)比較，即(jí)實現❤️對(dui)傳感器(qì)管道情(qing)況判斷(duan)。
3結束語(yǔ)
　　相比于(yú)現有方(fāng)法，電磁(ci)流量計(jì)使用電(dian)流源形(xing)式的附(fù)🔴加激💯勵(lì)模塊，受(shou)傳感器(qì)負載類(lèi)型影響(xiǎng)小，有更(geng)廣的适(shì)☁️用範㊙️圍(wéi)和更高(gao)👨‍❤️‍👨的可♊靠(kao)性。

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