電磁流量(liang)計 傳感器(qi)的空管狀(zhuang)态指管道(dào)未被液體(tǐ)充滿，導緻(zhi)電🏒極部分(fen)或🛀🏻全部裸(luo)露于空氣(qì)中，該狀态(tài)下儀表示(shi)數🐉不規則(zé)，無🥵法正确(què)顯示流量(liang)值［1］。
　　現階段(duàn)電磁流量(liang)計實現對(dui)空管狀态(tai)的檢測，主(zhu)要有增🧑🏾‍🤝‍🧑🏼加(jia)電極、參數(shu)提取和附(fù)加激勵三(san)種方法［2－3］。增(zeng)加電極✍️的(de)方法需對(dui)管🌈道進行(háng)改造，在實(shí)際使用中(zhōng)可行性不(bú)高；參數提(ti)取通過測(ce)量疊加于(yu)流量信号(hào)上的微分(fen)幹🌍擾和工(gong)頻幹擾兩(liang)種信号，實(shí)現💁對管道(dao)的✍️狀态判(pan)斷。由于幹(gan)擾信号幅(fu)值受工況(kuang)環境影響(xiǎng)大，該方法(fǎ)适用範圍(wei)較小；附加(jia)激👌勵源的(de)方法又分(fèn)爲電壓源(yuán)和🐕電流源(yuán)兩類，電⭐壓(yā)源輸出阻(zu)抗小，并聯(lián)于電極回(huí)路，使儀表(biao)放🙇🏻大器輸(shū)入阻抗減(jian)小，影響流(liu)量💃🏻信号。電(diàn)流🙇‍♀️源輸出(chū)阻抗高，對(dui)流量信号(hào)的影響可(ke)忽略，但電(dian)流源輸出(chū)💰電流值不(bú)應過大，且(qie)電流方向(xiang)應可以改(gǎi)變以避免(miǎn)電極極化(hua)引起的零(ling)點漂移問(wèn)題［4］。
　　爲了實(shí)現對傳感(gǎn)器空管狀(zhuang)态更準确(que)、可靠的報(bào)警功能，一(yī)種電流源(yuan)激勵形式(shi)的電磁流(liú)量計空管(guǎn)檢測模㊙️塊(kuài)。
1電流源附(fù)加激勵下(xià)傳感器電(diàn)極回路模(mó)型
　　圖1爲電(diàn)流源附加(jiā)激勵下的(de)傳感器電(diàn)極回路模(mo)型圖，E爲🌍磁(ci)場作用下(xià)表征流速(sù)信号的感(gǎn)應電動勢(shì)，RL爲測量電(diàn)極對地等(děng)效🛀電阻，Ri爲(wèi)儀表放大(da)器的輸入(ru)電🌈阻，Ie爲電(diàn)🔴流源。

　　電流(liú)源模塊與(yu)傳感器電(diàn)極回路并(bìng)聯，由電流(liu)源輸出🏃🏻阻(zǔ)抗無窮大(dà)特性可知(zhi)，電流源模(mó)塊不對流(liú)量信号大(dà)☀️小産生影(yǐng)💜響。考慮實(shi)際使用情(qing)況下，不同(tóng)流體🈚類型(xíng)的🌈流體阻(zu)抗大小不(bu)一，對于低(di)電導率類(lei)型流體，其(qí)流體阻抗(kàng)大，爲避免(miǎn)采樣電勢(shi)信号飽和(he)，電流✉️源輸(shū)出值應根(gēn)據流體類(lei)型大小可(kě)調，且輸出(chū)電流大小(xiao)在微安級(ji)。另外，爲了(le)避免電極(ji)長時間受(shou)同一✏️方向(xiang)電流影響(xiǎng)而産生電(diàn)極極化反(fǎn)應，導緻儀(yi)表零點漂(piāo)移影響儀(yi)表精度，電(dian)流源流向(xiang)需可控。
　　綜(zong)上所述，爲(wèi)實現電流(liú)源附加激(ji)勵形式的(de)空管檢測(ce)模塊能🏃夠(gòu)準确實現(xian)空管報警(jing)功能，電流(liu)源需滿✨足(zu)如下三☎️點(dian)約束條件(jiàn)：微弱電流(liu)值恒流、電(dian)流方向可(kě)控、電🍓流值(zhi)可控。
2空管(guan)檢測模塊(kuài)系統框架(jia)

　　如圖2所示(shi)，空管檢測(ce)模塊系統(tǒng)由精密電(diàn)流源、電流(liú)控🧡制電路(lu)、阻抗測量(liang)模塊三部(bù)分組成。其(qí)中，精密電(dian)流源輸出(chū)恒定電流(liu)；電流控制(zhi)電路實現(xiàn)對電流源(yuán)輸出電流(liu)大小和方(fāng)向控制；阻(zu)🈲抗測量模(mó)塊對電極(ji)電勢進行(háng)❗采樣與電(dian)勢調整，後(hou)送入微處(chu)理器進行(háng)空管判斷(duan)。下面分别(bié)對三部分(fèn)電路設計(jì)進行介紹(shao)。
2．1精密電流(liú)源電路設(she)計
　　電流源(yuan)并聯于傳(chuan)感器電極(ji)回路，爲了(le)不影響流(liú)量💯信号采(cai)集，電流源(yuan)内阻應爲(wei)高阻抗。如(rú)圖3，Vi1、Vi2爲輸入(rù)電壓，VL爲負(fù)載端電🤞壓(ya)，io爲電流源(yuán)輸出，A1、A2爲運(yun)算放大器(qì)。

　　令(lìng)isc爲負載短(duan)路電流，Ro爲(wèi)恒流源等(deng)效内阻大(dà)小。由諾頓(dun)定♌理，求負(fù)載短路下(xia)電路的短(duan)路電流［5］：

　　由(yóu)上述推導(dǎo)可知，電流(liú)源輸出阻(zǔ)抗無窮大(dà)，輸出電流(liu)大小🔞僅由(you)👅輸入電壓(yā)Vi1、Vi2和輸出電(diàn)阻R決定，滿(man)足空管檢(jian)測🏃‍♀️模塊設(shè)計要求。電(diàn)路的不足(zú)在于，運算(suan)放大器輸(shū)入端易受(shòu)外部信号(hào)幹擾，故采(cǎi)用三運算(suan)放大器結(jié)構替代差(chà)分放大結(jie)構。在實際(jì)設計電路(lù)時，使用☂️儀(yi)表放大器(qì)INA118替代圖3中(zhong)運算放大(dà)器A1，儀表放(fàng)大器INA118優點(dian)在于：
1）共模(mó)抑制比，輸(shū)入阻抗高(gāo)達1010Ω；
2）低輸入(ru)偏置電流(liu)，最大值爲(wèi)10nA；
3）内部精密(mì)電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較寬(kuan)的增益調(diao)節範圍，爲(wèi)1～10000。
　　反饋運放(fàng)A2使用低輸(shu)入偏置電(diàn)流運算放(fang)大器，使流(liu)入運放A2的(de)🌈損失電流(liu)可忽略不(bú)計。根據電(diàn)路知識，使(shi)🌍用儀表放(fàng)🛀🏻大器INA118和運(yùn)放OPA602後💰電路(lù)輸出電流(liu)值：

　　RG爲增益(yì)電阻，改變(biàn)RG大小即可(kě)設定電流(liú)源輸出電(dian)流值。電流(liú)源🚶‍♀️輸出電(dian)流方向由(yóu)兩輸入端(duan)決定，當Vi1－Vi2＞0時(shí)，輸出電流(liu)流入負🤩載(zǎi)；當☔Vi1－Vi2＜0時，電流(liu)從負載流(liú)入儀表放(fàng)大器。
2．2電流(liú)控制電路(lù)
　　電流控制(zhì)電路主要(yào)用于設定(dìng)電流源輸(shū)出電流值(zhí)大小😘以及(ji)電流方向(xiàng)切換頻率(lü)。爲匹配不(bu)同類型的(de)傳感器，電(dian)路應具有(yǒu)電流值大(dà)小調整能(néng)力。該功能(néng)✊使用D/A轉換(huàn)芯片TLV5625實現(xian)，其特點如(rú)⭐下：
1）雙通道(dào)、低功耗、8位(wèi)電壓輸出(chū)型數模轉(zhuǎn)換器，軌對(dui)軌輸出
2）可(kě)采用多種(zhǒng)通訊接口(kǒu)，如SPI、TMS320。在D/A芯片(piàn)後增加模(mo)拟開關以(yǐ)保證電流(liu)☁️源能夠按(àn)微處理器(qì)設置頻率(lǜ)進行開🆚關(guān)控制，電流(liu)控制電路(lù)如圖4所示(shì)。

　　D/A轉換(huàn)芯片TLV5625采用(yong)SPI通訊方式(shì)，MCU＿DIN爲數據信(xìn)号，MCU＿SCLK爲時鍾(zhong)信号，MCU＿CS爲片(pian)🤟選信号。芯(xin)片輸出電(dian)壓：

　　其中，電(diàn)壓基準Vref＝2．048V，由(yóu)基準芯片(piàn)提供，code爲微(wei)處理器控(kong)制的電壓(yā)🍉值🔞大小，範(fàn)圍爲0～255。此電(diàn)路輸出電(dian)壓範圍Vout：0～4．096V。
2．3阻(zu)抗測量模(mo)塊
　　最後介(jie)紹阻抗測(cè)量模塊電(dian)路。由電流(liú)源将電流(liu)輸出至🙇🏻負(fu)載☔（傳感器(qì)兩電極）端(duān)，并對電極(ji)端電勢信(xìn)号進行采(cai)集。該電🔅勢(shì)信号采集(jí)由微處理(li)器A/D轉換模(mó)塊實現，輸(shū)入電壓範(fan)圍爲0V～3．3V，因此(ci)需對電極(jí)端電勢信(xìn)号做電壓(ya)轉換以滿(mǎn)足微處理(li)器A/D模塊的(de)輸入電壓(yā)範‼️圍，電壓(yā)轉換🈚電路(lu)如圖5所示(shì)。

　　如圖(tu)5所示，傳感(gǎn)器電極端(duan)電勢用Vin表(biao)示。在此信(xin)号被送至(zhi)💁微處理器(qi)A/D模塊之前(qian)，對電壓值(zhí)進行調整(zheng)。考慮傳感(gan)器空管時(shí)，電極💁端電(dian)勢兩種飽(bao)和狀态，Vin變(bian)化範圍－6V～＋6V。爲(wei)了避免模(mo)塊輸出端(duan)電壓✌️值超(chāo)過微處理(li)器最大輸(shū)入範圍，令(lìng)此電路滿(man)足公式：

1）當(dang)電流爲流(liú)入電極方(fāng)向，若管道(dao)飽和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當電(dian)流爲流出(chu)電極方向(xiang)，若管道飽(bao)和，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按公式(shi)（15）進行電壓(yā)🛀匹配，可以(yǐ)确保無論(lùn)電流方向(xiang)正負，管道(dào)空管時信(xìn)✨号飽和的(de)情況♌下，輸(shū)入微處理(li)器的電勢(shì)信号不超(chao)過其阈值(zhí)。下面對電(dian)路阻值進(jin)行計算，電(diàn)路總輸出(chu)電勢爲：

　　由(you)負載端電(dian)壓和負載(zǎi)電流值，可(kě)以得電極(jí)對地等效(xiao)阻抗值RL，将(jiang)RL與保存于(yú)微處理器(qi)中空管報(bao)警判斷的(de)阈🐪值進行(hang)比較，即實(shí)現對傳感(gan)器管道情(qing)況判斷。
3結(jié)束語
　　相比(bi)于現有方(fang)法，電磁流(liu)量計使用(yong)電流源形(xíng)式的附加(jia)激勵模塊(kuài)，受傳感器(qi)負載類型(xing)影響小，有(you)更廣♋的适(shi)👄用範圍和(hé)💔更高㊙️的可(ke)✍️靠性。

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