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電磁流量計磁場采樣與互換方法
關鍵字：電磁流量計,流量計 日期：2012-9-10 8:42:27
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1．電阻采樣
測量電磁流量計管內的磁感應強度B與勵磁電流I成正比。通常可以在勵磁回路中串接一個小阻
值、標準的純電阻RF來采樣磁場信號。從采樣電阻RF兩端得到磁場基準電壓URF’其頻
率、波形與磁場基本一致，幅度大小與磁場強度成比例變化。
采樣電阻RF可放在傳感器內，也可放在轉換器中。
當采樣電阻放在傳感器中時，通過實際流量標定，調整基準電壓的分壓值，使之符合式
(2.3)的要求，即對任意口徑的傳感器，使之輸出的流量信號E和磁場B（由基準電壓URF
代替）比值保持一定值。保持所有電磁流量計傳感器都是同樣的比例關系，利用轉換器的除法運算功
能，就能夠實現它們之間配套的互換。采用這樣的方法，盡管多了一組磁場基準電壓電纜，
但在互換時，轉換器不必再做任何調整。
采樣電阻也可放在轉換器內，由采樣電阻采得的磁場基準信號在轉換器當中與流量信號
進行除法運算。轉換器的輸出和顯示信號與除法運算結果成正比例。配套的傳感器和轉換器
經過實際流量的標定，確定磁場基準電壓，并用等效直流電壓的方法，把基準電壓記作傳感
器常數。在與其他轉換器互換時，將轉換器的基準電壓調到作標記的傳感器常數值'也可實
現它們的互換。或者，把經實際流量校驗的轉換器除法運算的比值作為常數賦給傳感器，同
樣可以實現傳感器與轉換器的互換。
如果電磁流量計轉換器是恒流源勵磁，也可以通過實際流量的標定，確定勵磁電流大小。記下采樣
電阻兩端的電壓降，可作為傳感器常數。在與其他傳感器互換時，將配套轉換器的勵磁電流
再調到所記傳感器常數，即可實現它們的互換。
如果保持勵磁電流一定，通過把放大器的放大倍數乘一個系數，使與所有傳感器配套的
輸出信號幅度保證一致，也可實現它們之間的互換。對于采用數字采樣的轉換器，通過將采
樣值乘一個系數，使與所有傳感器配套得到的數字量相等，能實現傳感器和轉換器之間的互
換。所有傳感器的系數都是經與符合傳遞標準規定的轉換器，通過配套實際流量標定而得
到的。
2．線圈采樣
如同電壓互感器，在磁場中放置一個小匝數的次級繞組（稱探測線圈），可測量傳感器
交變磁場的信息。探測線圈感應的磁場基準電壓是磁場頻率、幅度、波形的全部信息，只是
相位上與流量信號相差90。（或者說，感應線圈感應的是微分波形）。因此，在與流量信號
做除法運算時，轉換器需用積分器將感應的磁場基準電壓相位（波形）恢復過來。采用探測
線圈采樣的方法比電阻采樣能更準確反應磁場信息，所以在測量鐵磁性介質流體時，常用探
測線圈的方式。
在實際流量標定時，將傳感器內探測線圈感應的磁場基準電壓經過分壓，就可得到滿足
式(2.3)的除法運算結果，從而實現互換性。應用線圈采樣的方法，如前所述，缺點是多
一條傳輸電纜和積分恢復電路；優點是較真實地反映磁場。對于使用于含有鐵磁性的固液兩
相流測量時，其具有一定的補償作用。
3．轉換器的電路結構
依據電磁流量計轉換器的功能要求，電磁流量轉換器應由差分前置、同步信號采樣、放大轉換、時
間分配及勵磁等基本電路組成。不同組成方式的電路結構有著不同的工作原理和效果。
圖1所示的原理框圖中，勵磁電路向傳感器提供恒流1/8工頻矩形波勵磁電流；前
置放大電路進行阻抗轉換、抑制共模干擾；放大電路作量程變換、隔離直流干擾電勢；同步
采樣除去正交干擾、串模干擾，輸出直流電壓信號；電壓／頻率轉換電路把流量信號變換為
頻率信號，用作累計總量的數字量輸出并提供輸入／輸出信號間光電隔離脈沖；隔離的脈沖
信號經頻率／電流轉換器變換為輸出4～20mA直流電流信號。本電路結構自成單元、調節
容易，可將勵磁電流作為傳感器常數，互換方便。但是，電路性能對各單元電路和元器件要
求高，希望獲得高精確度測量不大容易。
圖1 開環式恒流源勵磁轉換器原理框圖
圖2所示是低頻矩形波勵磁電流產生和信號測量系統構成的非恒流勵磁閉環形式恒
流源勵磁轉換器的原理框圖。圖中Ki為前置放大器增益；Ko為誤差信號放大器增益；K2
為直流放大器增益；X為乘法器。本電路的勵磁電源可為非穩壓、非恒流。勵磁電流流經
采樣電阻得到的磁場基準電壓，與輸出流量的占空比相乘，然后再與放大了的流量信號比
較，差值由誤差信號放大器放大，經同步采樣，直流放大，再由電壓／頻率轉換電路變換為
固定脈寬的頻率，即占空比輸出。與流量成比例的頻率信號，一方面變換為電流或頻率輸
出，另一方面反饋到乘法器進行除法運算，從而補償由電源或負載變動引起磁感應強度變化
的影響。本電路優點是對閉環內的單元電路和元器件要求不高，電路器件少，整機測量精確
度高。缺點是電路調節相對困難。
圖3所示是具有單片機的智能化轉換器的原理框圖。利用其計算功能和存儲功能，
可使轉換器實現智能化測量和多功能輸出。由CPU發出指令，進行流量信號的數字采集、
運算，不僅能簡化硬件電路，而且也能增強測量的可靠性，提高線性度。例如，通過對信號
的PID運算及調節處理，能有效地解決傳感器信號中出現的粗大誤差問題。通過硬件和軟
件的結合，還能實現自動或半自動調零、量程自動切換、上下限報警、流向鑒別、空管檢測
等附加功能。單片機能夠更簡單地、直觀地引入數字式儀表系數，解決傳感器與轉換器的互
換性。
圖2 非恒流勵磁閉環形式轉換器原理框圖
圖3 智能化轉換器原理框圖
新型的單片機智能化電磁流量計，除應用RS-485、RS-232C與上位計算機進行通信外，
更廣泛地使用諸如HART、Profibus DP、FF等各種類型的現場總線通信。這樣，不僅能把
流量測量信息傳輸到上位計算機，便于儀表的設置、調整、檢查、維護。同時，能夠把儀表
工作狀況的各種信息與上位計算機雙向通信。用這些信息作為生產管理的依據，為科學的企
業管理提供工作平臺，是提高工作效率和經濟效益的良好措施。
新型的智能化電磁流量計，把傳感器和轉換器的設計參數、制造參數、校驗參數和維護
參數保存在存儲器芯片內，以利于傳感器和轉換器的互換和定期檢查、維護保養。同時，通
過計算機的專家系統分析軟件，判斷電磁流量計性能的變化，提出維護、修正的實施措施，提高
儀表測量的精確度和可靠性。 |
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