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腐蝕性污水流量計(jì)勵磁系統(tǒng)研制的實(shí)驗(yàn)與測試
點(diǎn)擊次數(shù):2173 發(fā)布時間:2021-08-19 08:07:18
摘要:為了提高方波勵磁頻率,以便在漿液測量中克服漿液噪聲的影響,提出基于能量回饋和電流旁路的腐蝕性污水流量計(jì)高低壓勵磁控制方案。通過采用高低壓切換的方式,加快方波勵磁過程中勵磁電流的恒流控制響應(yīng)速度;引入電流旁路電路,實(shí)現(xiàn)勵磁電流的響應(yīng)超調(diào);采用能量回饋電路降低電路能耗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該勵磁系統(tǒng)能夠顯著加快勵磁電流的響應(yīng)速度,恒流控制響應(yīng)速度提升400%,勵磁電路工作穩(wěn)定可靠,勵磁恒流控制精度高,系統(tǒng)的能量回饋電路效率達(dá)78.2%。
為此,針對高低壓勵磁方式,提出具有能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案。為了加快勵磁電流的響應(yīng)速度,采用旁路勵磁電路與恒流控制電路相結(jié)合的勵磁方式,進(jìn)一步改善高壓段勵磁效果,加速勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài);為了提高能量利用率,減小系統(tǒng)發(fā)熱,引入能量回饋電路。
2.1 勵磁電流響應(yīng)時間性能測試
將1臺50mm口徑的腐蝕性污水流量計(jì)一次儀表安裝在水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行方波勵磁實(shí)驗(yàn)。該一次儀表勵磁線圈的直流電阻為45Ω,電感值約為1.14H。實(shí)驗(yàn)中,采用DPO4054B示波器對勵磁系統(tǒng)的勵磁電流信號進(jìn)行監(jiān)測。
*先,采用某公司生產(chǎn)的二次儀表匹配一次儀表進(jìn)行勵磁。該二次儀表采用在H橋低端設(shè)置恒流晶體管進(jìn)行恒流控制的方法,其勵磁曲線結(jié)果如圖6所示,勵磁頻率為3.125Hz,勵磁方式為三值波勵磁,勵磁電流大約在51.16ms左右進(jìn)入穩(wěn)態(tài),勵磁電流穩(wěn)態(tài)段波動較大。
其次,采用本文研制的二次儀表匹配一次儀表進(jìn)行勵磁。勵磁電流穩(wěn)態(tài)值設(shè)定為178mA,遲滯比較電路的閾值上限設(shè)定為205mA,閾值下限設(shè)定為165mA。方波勵磁頻率設(shè)為12.5Hz,低壓勵磁電源設(shè)定為17V。示波器采集繪制得到的勵磁結(jié)果曲線如圖7所示。其中圖(a)為勵磁電流曲線;圖(b)為恒流控制電路中,恒流源的輸入輸出端電壓幅值曲線;圖(c)為單路勵磁時序控制信號。從曲線(b)可以看到,在勵磁系統(tǒng)切換至低壓供電時,由于三端穩(wěn)壓芯片的負(fù)載感抗較大,其輸出調(diào)節(jié)需經(jīng)歷過渡過程,待輸入輸出壓差穩(wěn)定后,勵磁電流隨后進(jìn)入穩(wěn)態(tài),進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所需時間約為13ms。
經(jīng)過對比上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,相對于某公司采用的在H橋低端設(shè)置恒流晶體管進(jìn)行恒流控制的方法,本文研制的勵磁系統(tǒng),勵磁電流響應(yīng)速度提升4倍,從而保證勵磁電流在勵磁周期內(nèi)具有較長的穩(wěn)定段,并保證傳感器輸出信號的零點(diǎn)穩(wěn)定性。綜上,本系統(tǒng)可以顯著提高勵磁頻率。
2.2 能量回饋效率性能測試
由圖7曲線結(jié)合圖2可知,在勵磁方向切換后,檢流電路檢測到的圖7(a)中的勵磁電流瞬間為負(fù),此時勵磁線圈處于電能泄放狀態(tài)并向能量反饋電路中的儲能電容充電。由于儲能電容充電,高、低壓切換電路的輸出電壓從80V逐漸升高;待勵磁線圈能量泄放完即勵磁電流為零時,儲能電容兩端電壓達(dá)到*高86V并開始放電,勵磁電流開始上升;儲能電容電壓降低至80V時,高低壓切換電路趨于80V的穩(wěn)定輸出狀態(tài),此時勵磁電流繼續(xù)上升;待勵磁電流上升至設(shè)定的超調(diào)量205 mA后,遲滯比較電路控制高低壓切換電路切換至17V低壓源作為勵磁工作電源,恒流電路在17V低壓源輸入下進(jìn)行恒流控制輸出。
根據(jù)測得的勵磁電流和儲能電容的電壓信號,參考電感和電容的能量計(jì)算公式,可計(jì)算得到勵磁方向切換時勵磁線圈泄放的能量約為0.01972J,儲能電容儲存和回饋的能量約為0.01542J,能量回饋效率達(dá)到78.2%,相較于現(xiàn)有技術(shù)中勵磁線圈中能量直接由能量泄放回路消耗掉而言,大幅提高了能量的利用效率,并能避免電路溫升,從而保證系統(tǒng)可靠工作。
2.3 旁路電路性能測試實(shí)驗(yàn)
為比較電流旁路電路對勵磁恒流控制的影響,將遲滯比較電路對電流旁路電路的控制斷開,即電流旁路電路始終處于斷開狀態(tài)。另外為保證勵磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后高低壓切換電路能正常切換至低壓,遲滯比較電路的滯環(huán)閾值上限設(shè)置為172mA,低于勵磁電流穩(wěn)態(tài)設(shè)定值;閾值下限為112mA。針對50mm口徑的腐蝕性污水流量計(jì)一次儀表,采用25Hz方波勵磁的結(jié)果曲線如圖8所示。將圖7所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行局部放大如圖9所示。由圖8可知,在勵磁電流上升至遲滯比較電路滯環(huán)閾值上限后,高低壓切換電路立刻切換低壓源,作為勵磁工作電源給恒流控制電路。在輸入掉壓瞬間,由于恒流控制電路中的三端線性穩(wěn)壓器自身的工作特性,導(dǎo)致輸出電流也出現(xiàn)瞬間波動。*后,恒流控制電路在低壓源供電的情況下,控制輸出勵磁電流增大至穩(wěn)態(tài)設(shè)定值。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高壓源向低壓源切換后,三端穩(wěn)壓器的工作特性致使的電流波動和低壓源供電情況下的恒流控制,會大幅延長勵磁電流的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間。圖8所示勵磁電流約在17ms左右進(jìn)入穩(wěn)態(tài),圖9所示勵磁電流的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間約為12ms。這表明,在采用三端穩(wěn)壓器搭建恒流控制電路的情況下,電流旁路電路能有效克服三端穩(wěn)壓器工作特性的影響,并能方便的實(shí)現(xiàn)電流超調(diào),加快勵磁電流的響應(yīng)速度。
2.4 勵磁電流長期運(yùn)行穩(wěn)定性測試
為了評測所研制勵磁系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性和電流精度,本文進(jìn)行了長時間運(yùn)行測試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時間為72h。實(shí)驗(yàn)中仍采用50mm口徑的腐蝕性污水流量計(jì)一次儀表,勵磁電流設(shè)為178mA,勵磁頻率設(shè)為12.5Hz。實(shí)驗(yàn)時,勵磁電流幅值通過腐蝕性污水流量計(jì)二次儀表的信號調(diào)理采集模塊,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給DSP。DSP每隔18s將一個勵磁電流平穩(wěn)段的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)保存至外擴(kuò)的64kW的SARAM中。72h的勵磁電流采集結(jié)果如圖10所示。
由圖可知,勵磁系統(tǒng)在上電工作后需要大約2,h進(jìn)行預(yù)熱,隨后勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài),系統(tǒng)工作穩(wěn)定。不考慮系統(tǒng)預(yù)熱過程,由采集得到的勵磁電流數(shù)據(jù)計(jì)算可得勵磁電流在72h內(nèi)的波動率約為0.0156%,從而表明該勵磁系統(tǒng)在長時間運(yùn)行下能夠可靠穩(wěn)定工作。
2.5 水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
為了評測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果,進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。分別針對50mm口徑與100mm口徑的傳感器進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)勵磁方式采用方波勵磁,勵磁頻率為12.5Hz,管道*大流速為7m/s左右,*小流速為0.3 m/s左右,標(biāo)定結(jié)果如表1所示。
由標(biāo)定結(jié)果可知,所研制的腐蝕性污水流量計(jì)系統(tǒng)針對50mm口徑的水流量標(biāo)定示值誤差小于0.41%,重復(fù)性誤差小于0.11%。針對100mm口徑的水流量標(biāo)定示值誤差小于0.21%,重復(fù)性誤差小于0.12%。據(jù)此可知,所研制的腐蝕性污水流量計(jì)系統(tǒng)針對50mm與100mm口徑的水流量標(biāo)定精度均優(yōu)于0.5級。
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- 引言
為此,針對高低壓勵磁方式,提出具有能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案。為了加快勵磁電流的響應(yīng)速度,采用旁路勵磁電路與恒流控制電路相結(jié)合的勵磁方式,進(jìn)一步改善高壓段勵磁效果,加速勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài);為了提高能量利用率,減小系統(tǒng)發(fā)熱,引入能量回饋電路。
- 實(shí)驗(yàn)與測試
2.1 勵磁電流響應(yīng)時間性能測試
將1臺50mm口徑的腐蝕性污水流量計(jì)一次儀表安裝在水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行方波勵磁實(shí)驗(yàn)。該一次儀表勵磁線圈的直流電阻為45Ω,電感值約為1.14H。實(shí)驗(yàn)中,采用DPO4054B示波器對勵磁系統(tǒng)的勵磁電流信號進(jìn)行監(jiān)測。
*先,采用某公司生產(chǎn)的二次儀表匹配一次儀表進(jìn)行勵磁。該二次儀表采用在H橋低端設(shè)置恒流晶體管進(jìn)行恒流控制的方法,其勵磁曲線結(jié)果如圖6所示,勵磁頻率為3.125Hz,勵磁方式為三值波勵磁,勵磁電流大約在51.16ms左右進(jìn)入穩(wěn)態(tài),勵磁電流穩(wěn)態(tài)段波動較大。
其次,采用本文研制的二次儀表匹配一次儀表進(jìn)行勵磁。勵磁電流穩(wěn)態(tài)值設(shè)定為178mA,遲滯比較電路的閾值上限設(shè)定為205mA,閾值下限設(shè)定為165mA。方波勵磁頻率設(shè)為12.5Hz,低壓勵磁電源設(shè)定為17V。示波器采集繪制得到的勵磁結(jié)果曲線如圖7所示。其中圖(a)為勵磁電流曲線;圖(b)為恒流控制電路中,恒流源的輸入輸出端電壓幅值曲線;圖(c)為單路勵磁時序控制信號。從曲線(b)可以看到,在勵磁系統(tǒng)切換至低壓供電時,由于三端穩(wěn)壓芯片的負(fù)載感抗較大,其輸出調(diào)節(jié)需經(jīng)歷過渡過程,待輸入輸出壓差穩(wěn)定后,勵磁電流隨后進(jìn)入穩(wěn)態(tài),進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所需時間約為13ms。
經(jīng)過對比上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,相對于某公司采用的在H橋低端設(shè)置恒流晶體管進(jìn)行恒流控制的方法,本文研制的勵磁系統(tǒng),勵磁電流響應(yīng)速度提升4倍,從而保證勵磁電流在勵磁周期內(nèi)具有較長的穩(wěn)定段,并保證傳感器輸出信號的零點(diǎn)穩(wěn)定性。綜上,本系統(tǒng)可以顯著提高勵磁頻率。
2.2 能量回饋效率性能測試
由圖7曲線結(jié)合圖2可知,在勵磁方向切換后,檢流電路檢測到的圖7(a)中的勵磁電流瞬間為負(fù),此時勵磁線圈處于電能泄放狀態(tài)并向能量反饋電路中的儲能電容充電。由于儲能電容充電,高、低壓切換電路的輸出電壓從80V逐漸升高;待勵磁線圈能量泄放完即勵磁電流為零時,儲能電容兩端電壓達(dá)到*高86V并開始放電,勵磁電流開始上升;儲能電容電壓降低至80V時,高低壓切換電路趨于80V的穩(wěn)定輸出狀態(tài),此時勵磁電流繼續(xù)上升;待勵磁電流上升至設(shè)定的超調(diào)量205 mA后,遲滯比較電路控制高低壓切換電路切換至17V低壓源作為勵磁工作電源,恒流電路在17V低壓源輸入下進(jìn)行恒流控制輸出。
根據(jù)測得的勵磁電流和儲能電容的電壓信號,參考電感和電容的能量計(jì)算公式,可計(jì)算得到勵磁方向切換時勵磁線圈泄放的能量約為0.01972J,儲能電容儲存和回饋的能量約為0.01542J,能量回饋效率達(dá)到78.2%,相較于現(xiàn)有技術(shù)中勵磁線圈中能量直接由能量泄放回路消耗掉而言,大幅提高了能量的利用效率,并能避免電路溫升,從而保證系統(tǒng)可靠工作。
2.3 旁路電路性能測試實(shí)驗(yàn)
為比較電流旁路電路對勵磁恒流控制的影響,將遲滯比較電路對電流旁路電路的控制斷開,即電流旁路電路始終處于斷開狀態(tài)。另外為保證勵磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后高低壓切換電路能正常切換至低壓,遲滯比較電路的滯環(huán)閾值上限設(shè)置為172mA,低于勵磁電流穩(wěn)態(tài)設(shè)定值;閾值下限為112mA。針對50mm口徑的腐蝕性污水流量計(jì)一次儀表,采用25Hz方波勵磁的結(jié)果曲線如圖8所示。將圖7所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行局部放大如圖9所示。由圖8可知,在勵磁電流上升至遲滯比較電路滯環(huán)閾值上限后,高低壓切換電路立刻切換低壓源,作為勵磁工作電源給恒流控制電路。在輸入掉壓瞬間,由于恒流控制電路中的三端線性穩(wěn)壓器自身的工作特性,導(dǎo)致輸出電流也出現(xiàn)瞬間波動。*后,恒流控制電路在低壓源供電的情況下,控制輸出勵磁電流增大至穩(wěn)態(tài)設(shè)定值。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高壓源向低壓源切換后,三端穩(wěn)壓器的工作特性致使的電流波動和低壓源供電情況下的恒流控制,會大幅延長勵磁電流的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間。圖8所示勵磁電流約在17ms左右進(jìn)入穩(wěn)態(tài),圖9所示勵磁電流的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間約為12ms。這表明,在采用三端穩(wěn)壓器搭建恒流控制電路的情況下,電流旁路電路能有效克服三端穩(wěn)壓器工作特性的影響,并能方便的實(shí)現(xiàn)電流超調(diào),加快勵磁電流的響應(yīng)速度。
2.4 勵磁電流長期運(yùn)行穩(wěn)定性測試
為了評測所研制勵磁系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性和電流精度,本文進(jìn)行了長時間運(yùn)行測試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時間為72h。實(shí)驗(yàn)中仍采用50mm口徑的腐蝕性污水流量計(jì)一次儀表,勵磁電流設(shè)為178mA,勵磁頻率設(shè)為12.5Hz。實(shí)驗(yàn)時,勵磁電流幅值通過腐蝕性污水流量計(jì)二次儀表的信號調(diào)理采集模塊,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給DSP。DSP每隔18s將一個勵磁電流平穩(wěn)段的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)保存至外擴(kuò)的64kW的SARAM中。72h的勵磁電流采集結(jié)果如圖10所示。
由圖可知,勵磁系統(tǒng)在上電工作后需要大約2,h進(jìn)行預(yù)熱,隨后勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài),系統(tǒng)工作穩(wěn)定。不考慮系統(tǒng)預(yù)熱過程,由采集得到的勵磁電流數(shù)據(jù)計(jì)算可得勵磁電流在72h內(nèi)的波動率約為0.0156%,從而表明該勵磁系統(tǒng)在長時間運(yùn)行下能夠可靠穩(wěn)定工作。
2.5 水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
為了評測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果,進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。分別針對50mm口徑與100mm口徑的傳感器進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)勵磁方式采用方波勵磁,勵磁頻率為12.5Hz,管道*大流速為7m/s左右,*小流速為0.3 m/s左右,標(biāo)定結(jié)果如表1所示。
由標(biāo)定結(jié)果可知,所研制的腐蝕性污水流量計(jì)系統(tǒng)針對50mm口徑的水流量標(biāo)定示值誤差小于0.41%,重復(fù)性誤差小于0.11%。針對100mm口徑的水流量標(biāo)定示值誤差小于0.21%,重復(fù)性誤差小于0.12%。據(jù)此可知,所研制的腐蝕性污水流量計(jì)系統(tǒng)針對50mm與100mm口徑的水流量標(biāo)定精度均優(yōu)于0.5級。
- 結(jié)論
- 由能量回饋效率性能測試實(shí)驗(yàn)可知,采用能量回饋電路對勵磁方向切換后,線圈中剩余的能量進(jìn)行存儲并利用,該方法較于國內(nèi)普遍通過轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)行消耗的方法而言,能夠提高系統(tǒng)78.2%的能量利用效率,降低電路能量耗散,保證電路長期可靠工作。
- 由勵磁電流響應(yīng)時間性能測試以及旁路電路性能測試實(shí)驗(yàn)可知,相較于PWM反饋控制的方法或是在H橋低端設(shè)置恒流晶體管進(jìn)行恒流控制的方法,采用電流旁路電路的高低壓勵磁方式能夠使得勵磁電流產(chǎn)生響應(yīng)超調(diào),加快恒流控制的響應(yīng)速度,使得勵磁電流響應(yīng)時間從51ms縮短到12ms,恒流控制響應(yīng)速度提升至400%,從而有利于進(jìn)一步提高腐蝕性污水流量計(jì)的勵磁頻率,減小漿液測量中的漿液干擾。
- 由勵磁電流長期運(yùn)行穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)可知,較于采用PWM反饋控制方法,勵磁電流穩(wěn)態(tài)段紋波嚴(yán)重,研制的勵磁系統(tǒng)72h內(nèi)勵磁電流波動率為0.0156%,從而表明長時間運(yùn)行下,本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠工作且勵磁電流波動率較小。
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