電(dian)磁流(liu)量計(ji) 傳感(gan)器的(de)空管(guan)狀态(tai)指管(guan)道未(wei)被液(ye)體充(chong)滿，導(dao)緻電(dian)極部(bu)分或(huo)全部(bu)裸露(lu)于空(kong)氣中(zhong)，該狀(zhuang)态下(xia)儀表(biao)示數(shu)不規(gui)則，無(wu)法正(zheng)🐆确顯(xian)示流(liu)🍓量值(zhi)［1］。
　　現階(jie)段電(dian)磁流(liu)量計(ji)實現(xian)對空(kong)管狀(zhuang)态的(de)檢測(ce)，主要(yao)有增(zeng)加電(dian)極、參(can)數提(ti)取和(he)附加(jia)激勵(li)三種(zhong)方法(fa)［2－3］。增加(jia)⛱️電極(ji)🈲的方(fang)🤟法需(xu)對管(guan)道進(jin)✏️行改(gai)造，在(zai)實際(ji)使用(yong)中可(ke)行性(xing)不高(gao)；參數(shu)🚶提取(qu)通過(guo)測量(liang)疊加(jia)于流(liu)量信(xin)号上(shang)😘的微(wei)分幹(gan)擾和(he)工頻(pin)幹擾(rao)兩種(zhong)信号(hao)，實現(xian)對管(guan)道的(de)狀态(tai)判斷(duan)。由于(yu)幹擾(rao)信号(hao)幅值(zhi)受工(gong)況環(huan)境影(ying)響大(da)，該方(fang)法适(shi)用範(fan)圍較(jiao)小；附(fu)加激(ji)勵源(yuan)的方(fang)法又(you)分爲(wei)電壓(ya)源和(he)電流(liu)源兩(liang)類，電(dian)👅壓源(yuan)輸出(chu)阻抗(kang)小，并(bing)聯于(yu)電🌈極(ji)回路(lu)，使儀(yi)表放(fang)👨‍❤️‍👨大器(qi)輸入(ru)阻抗(kang)減小(xiao)👄，影響(xiang)流量(liang)信号(hao)。電流(liu)源輸(shu)出阻(zu)抗高(gao)，對流(liu)量信(xin)号的(de)影響(xiang)可忽(hu)♋略，但(dan)電流(liu)源輸(shu)出👅電(dian)流值(zhi)不應(ying)過大(da)，且電(dian)流方(fang)向應(ying)可以(yi)改變(bian)以避(bi)免電(dian)極極(ji)化♻️引(yin)起的(de)零點(dian)漂移(yi)問題(ti)🈲［4］。
　　爲了(le)實現(xian)對傳(chuan)感器(qi)空管(guan)狀态(tai)更準(zhun)确、可(ke)靠的(de)報警(jing)功能(neng)，一種(zhong)電流(liu)源激(ji)勵形(xing)式的(de)電磁(ci)流量(liang)計空(kong)管檢(jian)測模(mo)塊。
1電(dian)流源(yuan)附加(jia)激勵(li)下傳(chuan)感器(qi)電極(ji)回路(lu)模型(xing)
　　圖1爲(wei)電流(liu)源附(fu)加激(ji)勵下(xia)的傳(chuan)感器(qi)電極(ji)回路(lu)模型(xing)圖🤟，E爲(wei)磁場(chang)作用(yong)下表(biao)征流(liu)速信(xin)号的(de)感應(ying)電動(dong)勢，RL爲(wei)測量(liang)🐪電極(ji)對地(di)等效(xiao)電阻(zu)，Ri爲儀(yi)表放(fang)大器(qi)的輸(shu)入電(dian)阻，Ie爲(wei)電流(liu)源。

　　電(dian)流源(yuan)模塊(kuai)與傳(chuan)感器(qi)電極(ji)回路(lu)并聯(lian)，由電(dian)流源(yuan)輸出(chu)阻🈚抗(kang)無🈲窮(qiong)大特(te)性可(ke)知，電(dian)流源(yuan)模塊(kuai)不對(dui)流量(liang)信号(hao)大🛀🏻小(xiao)産生(sheng)影響(xiang)。考慮(lü)實際(ji)使用(yong)情況(kuang)下，不(bu)同流(liu)體類(lei)型的(de)流體(ti)阻✔️抗(kang)大小(xiao)不一(yi)，對于(yu)低電(dian)㊙️導率(lü)類型(xing)流體(ti)，其流(liu)體阻(zu)抗大(da)，爲避(bi)免采(cai)樣電(dian)勢信(xin)号飽(bao)和，電(dian)流源(yuan)輸出(chu)值應(ying)🌂根據(ju)流體(ti)類型(xing)大小(xiao)可調(diao)，且輸(shu)出電(dian)流大(da)小在(zai)微安(an)級。另(ling)外，爲(wei)了避(bi)免電(dian)極長(zhang)時間(jian)受同(tong)一方(fang)向電(dian)流影(ying)響而(er)産生(sheng)電極(ji)極化(hua)反應(ying)，導緻(zhi)儀表(biao)零點(dian)漂移(yi)影響(xiang)儀表(biao)精🔞度(du)，電流(liu)源流(liu)向需(xu)🚶可控(kong)。
　　綜上(shang)所述(shu)，爲實(shi)現電(dian)流源(yuan)附加(jia)激勵(li)形式(shi)的空(kong)管檢(jian)測模(mo)🏃‍♀️塊📐能(neng)夠👉準(zhun)确實(shi)現空(kong)管報(bao)警功(gong)能，電(dian)流源(yuan)需滿(man)🌈足如(ru)下三(san)💔點約(yue)束條(tiao)件：微(wei)弱電(dian)流值(zhi)恒流(liu)、電流(liu)方向(xiang)可控(kong)、電流(liu)值可(ke)👌控。
2空(kong)管檢(jian)測模(mo)塊系(xi)統框(kuang)架

　　如(ru)圖2所(suo)示，空(kong)管檢(jian)測模(mo)塊系(xi)統由(you)精密(mi)電流(liu)源、電(dian)流控(kong)制電(dian)路、阻(zu)抗測(ce)量模(mo)塊三(san)部分(fen)組成(cheng)。其中(zhong)，精密(mi)電流(liu)源輸(shu)出☁️恒(heng)定電(dian)流；電(dian)流控(kong)制電(dian)路實(shi)現對(dui)電流(liu)源🈲輸(shu)出電(dian)流大(da)小㊙️和(he)方向(xiang)控制(zhi)；阻抗(kang)測量(liang)模塊(kuai)對電(dian)極電(dian)勢進(jin)行采(cai)樣與(yu)電勢(shi)調整(zheng)，後送(song)入微(wei)處理(li)器進(jin)行💯空(kong)管判(pan)斷。下(xia)面分(fen)别對(dui)三部(bu)分電(dian)路設(she)計進(jin)行介(jie)紹🌂。
2．1精(jing)密電(dian)流源(yuan)電路(lu)設計(ji)
　　電流(liu)源并(bing)聯于(yu)傳感(gan)器電(dian)極回(hui)路，爲(wei)了不(bu)影響(xiang)流量(liang)信号(hao)采集(ji)，電♈流(liu)源内(nei)阻應(ying)爲高(gao)阻抗(kang)。如圖(tu)3，Vi1、Vi2爲輸(shu)入電(dian)壓，VL爲(wei)負載(zai)端電(dian)⚽壓，io爲(wei)電流(liu)源輸(shu)出，A1、A2爲(wei)運算(suan)放大(da)器。

　　令isc爲(wei)負載(zai)短路(lu)電流(liu)，Ro爲恒(heng)流源(yuan)等效(xiao)内阻(zu)大小(xiao)。由諾(nuo)頓定(ding)理，求(qiu)負載(zai)短路(lu)下電(dian)路的(de)短路(lu)電流(liu)［5］：

　　由上(shang)述推(tui)導可(ke)知，電(dian)流源(yuan)輸出(chu)阻抗(kang)無窮(qiong)大，輸(shu)出電(dian)流大(da)小🌈僅(jin)由輸(shu)入電(dian)壓Vi1、Vi2和(he)輸出(chu)電阻(zu)R決定(ding)，滿足(zu)空管(guan)檢測(ce)模塊(kuai)設計(ji)要求(qiu)📱。電路(lu)的不(bu)足在(zai)于，運(yun)算放(fang)大器(qi)輸入(ru)端易(yi)受外(wai)部信(xin)号幹(gan)擾，故(gu)采用(yong)三運(yun)算放(fang)大器(qi)結構(gou)替代(dai)差分(fen)放大(da)結構(gou)。在實(shi)際設(she)計電(dian)路時(shi)，使用(yong)儀表(biao)放大(da)器INA118替(ti)代圖(tu)3中運(yun)算放(fang)大器(qi)A1，儀表(biao)放大(da)器INA118優(you)🐆點在(zai)于：
1）共(gong)模抑(yi)制比(bi)，輸入(ru)阻抗(kang)高達(da)1010Ω；
2）低輸(shu)入偏(pian)置電(dian)流，最(zui)大值(zhi)爲10nA；
3）内(nei)部精(jing)密電(dian)阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較(jiao)寬的(de)增益(yi)調節(jie)範圍(wei)，爲1～10000。
　　反(fan)饋運(yun)放A2使(shi)用低(di)輸入(ru)偏置(zhi)電流(liu)運算(suan)放大(da)器，使(shi)流入(ru)運放(fang)🔱A2的損(sun)失電(dian)流可(ke)忽略(lue)不計(ji)。根據(ju)電路(lu)知識(shi)，使用(yong)儀表(biao)放大(da)器INA118和(he)運放(fang)OPA602後電(dian)路輸(shu)出電(dian)流值(zhi)：

　　RG爲增(zeng)益電(dian)阻，改(gai)變RG大(da)小即(ji)可設(she)定電(dian)流源(yuan)輸出(chu)電流(liu)值。電(dian)流🈲源(yuan)輸🧡出(chu)電流(liu)方向(xiang)由兩(liang)輸入(ru)端決(jue)定，當(dang)Vi1－Vi2＞0時，輸(shu)❄️出電(dian)流流(liu)入負(fu)載；當(dang)Vi1－Vi2＜0時，電(dian)流從(cong)負載(zai)流入(ru)儀表(biao)放大(da)器。
2．2電(dian)流控(kong)制電(dian)路
　　電(dian)流控(kong)制電(dian)路主(zhu)要用(yong)于設(she)定電(dian)流源(yuan)輸出(chu)電流(liu)值大(da)小以(yi)及電(dian)流方(fang)向切(qie)換頻(pin)率。爲(wei)匹配(pei)不同(tong)類型(xing)的傳(chuan)感器(qi)，電路(lu)應具(ju)有🏃電(dian)流值(zhi)大小(xiao)調整(zheng)能力(li)。該功(gong)能使(shi)用D/A轉(zhuan)🔞換芯(xin)片TLV5625實(shi)現，其(qi)特點(dian)如下(xia)：
1）雙通(tong)道、低(di)功耗(hao)、8位電(dian)壓輸(shu)出型(xing)數模(mo)轉換(huan)器，軌(gui)對軌(gui)輸出(chu)
2）可采(cai)用多(duo)種通(tong)訊接(jie)口，如(ru)SPI、TMS320。在D/A芯(xin)片後(hou)增加(jia)模拟(ni)開關(guan)以保(bao)證電(dian)流💚源(yuan)能夠(gou)按微(wei)處理(li)器設(she)置頻(pin)率進(jin)行開(kai)🌈關控(kong)🍓制，電(dian)🤟流控(kong)制電(dian)路如(ru)圖4所(suo)示。

　　D/A轉(zhuan)換芯(xin)片TLV5625采(cai)用SPI通(tong)訊方(fang)式，MCU＿DIN爲(wei)數據(ju)信号(hao)，MCU＿SCLK爲時(shi)鍾信(xin)号，MCU＿CS爲(wei)☁️片🧑🏾‍🤝‍🧑🏼選(xuan)信号(hao)。芯片(pian)輸出(chu)電壓(ya)：

　　其中(zhong)，電壓(ya)基準(zhun)Vref＝2．048V，由基(ji)準芯(xin)片提(ti)供，code爲(wei)微處(chu)理器(qi)控制(zhi)的🔴電(dian)壓值(zhi)🔞大小(xiao)，範圍(wei)爲0～255。此(ci)電路(lu)輸出(chu)電壓(ya)範圍(wei)Vout：0～4．096V。
2．3阻抗(kang)測量(liang)模塊(kuai)
　　最後(hou)介紹(shao)阻抗(kang)測量(liang)模塊(kuai)電路(lu)。由電(dian)流源(yuan)将電(dian)流輸(shu)出至(zhi)負👉載(zai)（傳🏃感(gan)器兩(liang)電極(ji)）端，并(bing)對電(dian)極端(duan)電勢(shi)信号(hao)進行(hang)🙇‍♀️采集(ji)。該電(dian)勢信(xin)号采(cai)集由(you)微處(chu)理器(qi)A/D轉換(huan)模塊(kuai)實現(xian)，輸入(ru)電壓(ya)範圍(wei)爲0V～3．3V，因(yin)此需(xu)✍️對電(dian)極端(duan)電勢(shi)信号(hao)做電(dian)壓轉(zhuan)換以(yi)滿足(zu)微處(chu)理器(qi)A/D模塊(kuai)的輸(shu)入電(dian)壓範(fan)圍，電(dian)壓轉(zhuan)換電(dian)路如(ru)圖5所(suo)示。

　　如(ru)圖5所(suo)示，傳(chuan)感器(qi)電極(ji)端電(dian)勢用(yong)Vin表示(shi)。在此(ci)信号(hao)被送(song)至♻️微(wei)處理(li)器A/D模(mo)塊之(zhi)前，對(dui)電壓(ya)值進(jin)行調(diao)整。考(kao)慮傳(chuan)感器(qi)空管(guan)時，電(dian)極端(duan)電勢(shi)兩種(zhong)飽和(he)狀态(tai)，Vin變化(hua)範☀️圍(wei)－6V～＋6V。爲了(le)避免(mian)模塊(kuai)輸出(chu)端電(dian)壓值(zhi)超過(guo)微處(chu)理器(qi)最大(da)輸入(ru)範圍(wei)，令此(ci)電路(lu)滿足(zu)公式(shi)：

1）當電(dian)流爲(wei)流入(ru)電極(ji)方向(xiang)，若管(guan)道飽(bao)和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當(dang)電流(liu)爲流(liu)出電(dian)極方(fang)向，若(ruo)管道(dao)飽和(he)，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按公(gong)式（15）進(jin)行⛷️電(dian)壓匹(pi)配，可(ke)以确(que)保無(wu)論電(dian)流方(fang)向正(zheng)負，管(guan)道空(kong)管時(shi)信🐇号(hao)飽和(he)的♈情(qing)況下(xia)，輸入(ru)微處(chu)理器(qi)的電(dian)勢信(xin)号不(bu)超過(guo)其阈(yu)值。下(xia)面對(dui)電路(lu)阻值(zhi)進行(hang)計算(suan)，電路(lu)總輸(shu)出電(dian)勢爲(wei)：

　　由負(fu)載端(duan)電壓(ya)和負(fu)載電(dian)流值(zhi)，可以(yi)得電(dian)極對(dui)地等(deng)效阻(zu)👉抗值(zhi)RL，将RL與(yu)保存(cun)于微(wei)處理(li)器中(zhong)空管(guan)報警(jing)判斷(duan)的阈(yu)值進(jin)行比(bi)較，即(ji)實現(xian)對傳(chuan)感器(qi)管道(dao)情況(kuang)判斷(duan)。
3結束(shu)語
　　相(xiang)比于(yu)現有(you)方法(fa)，電磁(ci)流量(liang)計使(shi)用電(dian)流源(yuan)形式(shi)的附(fu)加激(ji)勵模(mo)塊，受(shou)傳感(gan)器負(fu)載類(lei)型影(ying)響小(xiao)，有更(geng)廣的(de)适用(yong)範圍(wei)和⛷️更(geng)高的(de)可靠(kao)性。

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