在電磁流量計(jì)中，傳感器的工作磁場是由勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的。勵磁方式?jīng)Q定了電磁流量計(jì)的抗干擾能力大小和零點(diǎn)穩(wěn)定性的好壞。勵磁技術(shù)也經(jīng)歷了直流勵磁、工頻正弦波勵磁、低頻矩形波勵磁、低頻三值矩形波勵磁、雙頻矩形波勵磁五個階段。
(1)直流勵磁
直流勵磁技術(shù)是利用永磁體或者直流電源給電磁流量傳感器勵磁繞組供電，以形成恒定的勵磁磁場，這種流量計(jì)感應(yīng)的流量信號是直流電壓信號，如圖2.1所示。具有方法簡單可靠、受工頻干擾影響小以及流體中的自感現(xiàn)象可以忽略不計(jì)等特點(diǎn)。但是，直流勵磁技術(shù)的最大問題是直流感應(yīng)電動勢在兩電極表面上形成固定的正負(fù)極性，引起被測流體介質(zhì)電解，導(dǎo)致電極表面極化現(xiàn)象，使感生的流量信號電勢減弱，電極間等效電阻增大，同時出現(xiàn)電極極化電勢漂移，嚴(yán)重影響信號處理部分的工作。即使電極采用極化電勢很小的鉑、金等貴金屬及其合金材料，常常也存在微弱的極化電勢，同時儀表的制造成本較高。另外，直流勵磁在電極間產(chǎn)生不均衡的電化學(xué)干擾電勢，疊加在直流流量信號中無法消除，并隨著時間的變化、流體介質(zhì)特性以及流體流動狀態(tài)而變化。第三，直流放大器的零點(diǎn)漂移、噪聲和穩(wěn)定性問題難以獲得很好的解決。特別是在小流量測量時，信號放大器的直流穩(wěn)定度必須在幾分之一微伏之內(nèi)，這樣就限制了直流勵磁技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前直流勵磁技術(shù)僅在原子能工業(yè)中用于導(dǎo)電率極高，而又不產(chǎn)生極化效應(yīng)的液態(tài)金屬流量測量中。
(2)工頻正弦波勵磁
工頻正弦波勵磁技術(shù)是利用工頻50Hz 正弦波電源給電磁流量計(jì)傳感器勵磁繞組供電。其主要特點(diǎn)是能夠基本消除電極表面的極化現(xiàn)象，降低電極電化學(xué)電勢的影響和傳感器的內(nèi)阻。另外采用工頻正弦波勵磁技術(shù)，其傳感器輸出流量信號仍然是工頻正弦波信號，易于信號放大處理，而且能夠避免直流放大器存在的實(shí)際困難，勵磁電源簡單方便。
但是，工頻正弦波勵磁技術(shù)的采用會帶來一系列電磁感應(yīng)干擾和噪聲。首先，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的正交干擾(又稱為變壓器效應(yīng))，其干擾幅值與頻率成正比，相位比流量信號滯后90°，而且實(shí)際中一般又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量信號，因此如何克服正交干擾電勢的影響是正弦波勵磁技術(shù)的主要難題。其次，工頻正弦波供電電源存在電源電壓幅值和頻率波動的影響，產(chǎn)生供電電源性干擾。第三，存在電磁感應(yīng)的渦流效應(yīng)、靜電感應(yīng)的分布電容、雜散電流產(chǎn)生同相干擾，且此干擾電勢的頻率和工頻完全一致，并疊加在流量信號之中難以消除，以致電磁流量計(jì)零點(diǎn)不穩(wěn)定。雖然采用相敏整流、嚴(yán)格的電磁屏蔽和線路補(bǔ)償、電源補(bǔ)償、自動正交抑制系統(tǒng)等技術(shù)措施以消除與流量信號頻率一致的工頻干擾電壓，但由于正交電勢的幅值比流量信號電勢幅值大幾個數(shù)量級，正交抑制系統(tǒng)等抗干擾技術(shù)措施的任何不完善，都可能引起一部分正交電勢轉(zhuǎn)化為同相干擾電勢，導(dǎo)致電磁流量計(jì)零點(diǎn)不穩(wěn)定，精度難以提高。
(3)低頻矩形波勵磁
矩形波勵磁技術(shù)既具有直流勵磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、變壓器效應(yīng)(正交干擾)和同相干擾等優(yōu)點(diǎn)，又具有工頻正弦波勵磁基本不產(chǎn)生極化效應(yīng)，便于信號放大處理，而能避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問題的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的抗干擾性能，得以在電磁流量計(jì)中廣泛應(yīng)用。
(4)低頻三值矩形波勵磁
低頻三值矩形波勵磁技術(shù)采用工頻頻率的八分之一為周期，采用正→零→負(fù)→零→正的規(guī)律變化的勵磁波形，如圖2.4 所示。此項(xiàng)勵磁技術(shù)的最大特點(diǎn)是能夠通過零值勵磁時進(jìn)行動態(tài)零點(diǎn)校正，進(jìn)一步提高了零點(diǎn)穩(wěn)定性。另外，通過一個周期內(nèi)的四次采樣值，近似認(rèn)為極化電勢恒定，利用微處理器數(shù)值運(yùn)算得以消除極化電勢的影響。
(5)雙頻矩形波勵磁
低頻三值矩形波勵磁雖然具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性，但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時，固體顆粒擦過電極表面導(dǎo)致電極的接觸電勢突然變化，電磁流量計(jì)傳感器輸出信號出現(xiàn)尖峰狀脈沖；在測量低導(dǎo)電率流體流量時，電極的電化學(xué)電勢定期變動，產(chǎn)生幅值隨頻率成反比的噪聲(即1/f 噪聲)，導(dǎo)致低頻矩形波勵磁電磁流量計(jì)輸出搖擺，前者稱為泥漿干擾，后者稱為流動噪聲。提高勵磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動噪聲，提高傳感器輸出信號的信噪比。由上面分析可知，傳統(tǒng)正弦波勵磁最大的難題是無法徹底解決工頻干擾問題，同時其正交干擾與勵磁頻率成正比，經(jīng)常會淹沒流量信號；低頻方波勵磁很大程度解決了工頻干擾和正交干擾，但又存在微分干擾的問題，同時仍然存在渦電流的影響；在低頻勵磁方式上改進(jìn)的三值低頻矩形波勵磁改善了微分干擾狀況，但不能解決其它一些干擾問題。基于上述情況，充分考慮到各個勵磁方式的優(yōu)缺點(diǎn)，利用單片機(jī)對勵磁方式可調(diào)的原理，我們設(shè)計(jì)了對電磁流量計(jì)勵磁方式可選的方案，根據(jù)不同的測量介質(zhì)，可以選擇不同的勵磁方式，最大可能的減少各種干擾對系統(tǒng)的影響。在這里，我們選擇低頻三值矩形波勵磁作為本項(xiàng)目的默認(rèn)勵磁方式，并對此勵磁方式進(jìn)行了單片機(jī)編程。
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