摘要(yao):爲了(le)提高(gao)勵磁(ci)頻率(lü)和減(jian)少發(fa)熱，使(shi)電磁(ci)流量(liang)計 能(neng)夠更(geng)好地(di)用于(yu)漿液(ye)流量(liang)測量(liang)和灌(guan)裝流(liu)量測(ce)量🌐，并(bing)長期(qi)穩定(ding)、可靠(kao)地工(gong)作，研(yan)究了(le)基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁方(fang)案，分(fen)析其(qi)工作(zuo)原理(li)，計算(suan)各種(zhong)參數(shu)，研制(zhi)實際(ji)系統(tong)，進行(hang)測✨試(shi)和實(shi)驗。結(jie)果表(biao)明，該(gai)系統(tong)能實(shi)現更(geng)高的(de)勵磁(ci)頻率(lü)，産生(sheng)穩定(ding)的勵(li)磁電(dian)流，極(ji)大地(di)減小(xiao)了勵(li)磁系(xi)統的(de)功耗(hao)，能去(qu)除微(wei)分幹(gan)擾對(dui)流量(liang)信号(hao)測量(liang)的影(ying)響，水(shui)流量(liang)檢定(ding)精度(du)優于(yu)0.5級。
引(yin)言
　　電(dian)磁流(liu)量計(ji)是基(ji)于電(dian)磁感(gan)應原(yuan)理工(gong)作的(de)儀表(biao),其中(zhong)的🈲勵(li)磁系(xi)統爲(wei)一次(ci)儀表(biao)中的(de)勵磁(ci)線圈(quan)提供(gong)所需(xu)的勵(li)磁電(dian)流,以(yi)形成(cheng)磁場(chang)"。勵磁(ci)系統(tong)是該(gai)類流(liu)量計(ji)的重(zhong)要組(zu)成部(bu)分，也(ye)是功(gong)耗最(zui)大的(de)部分(fen)口。當(dang)測量(liang)通常(chang)的❤️導(dao)電液(ye)體時(shi),電磁(ci)流量(liang)計往(wang)往✌️采(cai)用低(di)頻🧑🏾‍🤝‍🧑🏼方(fang)波勵(li)磁的(de)方式(shi)産生(sheng)磁場(chang),例如(ru),采用(yong)2.5Hz或者(zhe)5Hz的勵(li)磁頻(pin)率,以(yi)便輸(shu)出信(xin)号有(you)足夠(gou)長🔴、穩(wen)定的(de)時間(jian)段4.,保(bao)證較(jiao)高的(de)測🔞量(liang)精度(du);當測(ce)量☁️漿(jiang)液流(liu)量或(huo)者進(jin)行灌(guan)裝測(ce)💋量時(shi),必須(xu)采用(yong)高頻(pin)勵磁(ci),例如(ru),12.5Hz和25Hz或(huo)👨‍❤️‍👨者更(geng)高頻(pin)率♻️，以(yi)克服(fu)具有(you)11f特性(xing)的漿(jiang)🐕液噪(zao)聲影(ying)響和(he)加快(kuai)儀表(biao)的響(xiang)應速(su)度。爲(wei)此,人(ren)們研(yan)究了(le)2種高(gao)頻勵(li)磁系(xi)統:一(yi)種是(shi)基于(yu)線性(xing)👣電源(yuan)工作(zuo)原理(li)的,即(ji)高低(di)壓電(dian)源切(qie)換的(de)勵💜磁(ci)系統(tong)[5~]);另外(wai)一種(zhong)是基(ji)于開(kai)關電(dian)源工(gong)作原(yuan)理🔴的(de)，即脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統l8-10]。前(qian)一種(zhong)勵磁(ci)系統(tong)的特(te)點是(shi)在✂️勵(li)磁電(dian)流穩(wen)态階(jie)段勵(li)磁電(dian)流值(zhi)不變(bian),這樣(yang)磁場(chang)就非(fei)常穩(wen)定,保(bao)證了(le)測量(liang)精度(du)",但是(shi),恒流(liu)☀️控制(zhi)電路(lu)的功(gong)耗較(jiao)大,容(rong)易導(dao)緻勵(li)磁系(xi)統發(fa)熱，影(ying)響使(shi)用壽(shou)命🏃。後(hou)一種(zhong)勵磁(ci)💯系統(tong)根據(ju)開關(guan)管的(de)開關(guan)頻率(lü)是否(fou)受勵(li)磁線(xian)圈電(dian)抗的(de)影響(xiang)，分爲(wei)基于(yu)電流(liu)幅值(zhi)控制(zhi)的勵(li)磁系(xi)統和(he)基于(yu)電流(liu)誤差(cha)控制(zhi)的勵(li)磁👈系(xi)統(又(you)稱基(ji)于PWM控(kong)制的(de)脈沖(chong)勵🐅磁(ci)系統(tong))。基于(yu)電流(liu)幅值(zhi)控🔴制(zhi)的勵(li)磁系(xi)統采(cai)用遲(chi)滞比(bi)較器(qi)來控(kong)制勵(li)磁電(dian)流18.9]。該(gai)勵磁(ci)系統(tong)依靠(kao)遲滞(zhi)比較(jiao)器的(de)上下(xia)門限(xian)将🌐勵(li)磁電(dian)流🏃維(wei)持在(zai)一個(ge)小範(fan)圍内(nei)波動(dong),既保(bao)持勵(li)磁電(dian)流在(zai)穩态(tai)過程(cheng)🌐相對(dui)穩定(ding),又使(shi)能量(liang)主要(yao)消耗(hao)在勵(li)磁線(xian)圈上(shang),避免(mian)電路(lu)發熱(re)。但是(shi),這種(zhong)勵磁(ci)系統(tong)沒有(you)考慮(lü):當勵(li)磁線(xian)圈的(de)電抗(kang)不同(tong)時,勵(li)磁電(dian)流上(shang)升的(de)曲線(xian)是🍓不(bu)同的(de),這樣(yang)勵磁(ci)電流(liu)上升(sheng)至🏒上(shang)門限(xian)值或(huo)者下(xia)降至(zhi)下門(men)限值(zhi)的時(shi)間.就(jiu)不同(tong),即👉當(dang)勵磁(ci)線圈(quan)不同(tong)時,勵(li)磁電(dian)流波(bo)動的(de)頻率(lü)就不(bu)同;勵(li)磁電(dian)流的(de)波動(dong)會㊙️引(yin)入遠(yuan)大于(yu)流量(liang)信号(hao)的微(wei)分幹(gan)擾,影(ying)響🐉流(liu)量的(de)測量(liang),而波(bo)動的(de)頻率(lü)因勵(li)磁線(xian)圈不(bu)同而(er)存在(zai)差異(yi),需要(yao)逐台(tai)對電(dian)磁流(liu)量計(ji)進✌️行(hang)處理(li),才能(neng)有效(xiao)地抑(yi)制🧡勵(li)磁電(dian)流波(bo)動的(de)影響(xiang),這在(zai)實際(ji)生産(chan)中很(hen)難實(shi)現。基(ji)于😘PWM(pulsewidthmodulation)控(kong)制的(de)勵磁(ci)系統(tong)的開(kai)關頻(pin)率是(shi)固定(ding)的9.10。勵(li)磁電(dian)流在(zai)穩态(tai)階段(duan)以固(gu)定的(de)頻率(lü)波🏒動(dong),不會(hui)随勵(li)磁線(xian)圈的(de)不同(tong)而變(bian)化,使(shi)我們(men)可以(yi)采用(yong)🔴相應(ying)的處(chu)理方(fang)法來(lai)消🏒除(chu)勵磁(ci)電流(liu)波動(dong)的影(ying)響。.但(dan)是,文(wen)獻[9,10]沒(mei)有披(pi)露關(guan)鍵的(de)技術(shu)細節(jie),也沒(mei)有給(gei)出深(shen)人的(de)分析(xi)和具(ju)體的(de)計算(suan)。
　　基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統的(de)工作(zuo)原理(li)和穩(wen)流控(kong)制方(fang)案,定(ding)量計(ji)算其(qi)勵.磁(ci)頻率(lü)、開關(guan)管的(de)開關(guan)頻率(lü)、勵磁(ci)系統(tong)功耗(hao)和勵(li)磁線(xian)🏃🏻圈阻(zu)抗,并(bing)給出(chu)具體(ti)的設(she)計參(can)數;研(yan)制了(le)基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)💰沖勵(li)磁系(xi)統的(de)電磁(ci)流量(liang)計,進(jin)行了(le)實驗(yan)驗證(zheng)。
2基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統
2.1工(gong)作原(yuan)理
　　針(zhen)對勵(li)磁線(xian)圈是(shi)感性(xing)負載(zai)、流過(guo)其電(dian)流不(bu)能突(tu)變❓的(de)特點(dian),PWM控制(zhi)電路(lu)控制(zhi)開關(guan)管将(jiang)勵磁(ci)電源(yuan)間斷(duan)地施(shi)加在(zai)勵磁(ci)線圈(quan)上,實(shi)現❓勵(li)磁電(dian)流的(de)變化(hua)和穩(wen)定,其(qi)工作(zuo)原理(li)如圖(tu)1所示(shi)。

　　取樣(yang)電阻(zu)與勵(li)磁線(xian)圈串(chuan)聯,其(qi)上的(de)壓降(jiang)反映(ying)流過(guo)📧勵😄磁(ci)線❄️圈(quan)的電(dian)流值(zhi)。PWM控制(zhi)電路(lu)根據(ju)勵磁(ci)電流(liu)值輸(shu)🌂出控(kong)制信(xin)号,由(you)驅動(dong)電路(lu)完成(cheng)電平(ping)轉換(huan)後導(dao)通和(he)關斷(duan)開關(guan)管,以(yi)控制(zhi)勵磁(ci)電流(liu)。在勵(li)磁⁉️電(dian)流上(shang)升時(shi),始終(zhong)導通(tong)開關(guan)管,将(jiang)勵磁(ci)電壓(ya)一直(zhi)加在(zai)勵磁(ci)線圈(quan).上,以(yi)加速(su)勵磁(ci)電流(liu)的上(shang)升;在(zai)勵磁(ci)電流(liu)達到(dao)穩态(tai)值時(shi),控制(zhi)開關(guan)管頻(pin)繁通(tong)斷,将(jiang)勵磁(ci)電源(yuan)電壓(ya)以固(gu)定的(de)頻率(lü)加在(zai)勵磁(ci)線圈(quan)🏒上,維(wei)持勵(li)磁電(dian)流的(de)基本(ben)🤞穩✍️定(ding)，即以(yi)固定(ding)的頻(pin)率進(jin)行很(hen)小幅(fu)度👉的(de)波動(dong)。在勵(li)磁電(dian)流.上(shang)升到(dao)穩态(tai)階段(duan)的過(guo)程中(zhong),加在(zai)勵磁(ci)線圈(quan)。上的(de)電壓(ya)E和勵(li)磁電(dian)流i随(sui)時間(jian)t變化(hua)的波(bo)形如(ru)圖2所(suo)🧡示,其(qi)中,實(shi)線✏️爲(wei)加在(zai)勵磁(ci)線圈(quan)上的(de)電壓(ya)變化(hua)情況(kuang),虛線(xian)爲勵(li)磁電(dian)流變(bian)化情(qing)況,Enx表(biao)示最(zui)大勵(li)磁電(dian)壓,1表(biao)示勵(li)磁電(dian)流的(de)穩态(tai)平均(jun)值。

　　該(gai)勵磁(ci)方式(shi)的特(te)點是(shi):在勵(li)磁電(dian)流穩(wen)态階(jie)段,開(kai)關管(guan)不停(ting)地🔴通(tong)斷,使(shi)勵磁(ci)電流(liu)做小(xiao)幅度(du)的穩(wen)定波(bo)動，将(jiang)勵磁(ci)電壓(ya)盡可(ke)能降(jiang)在勵(li)磁線(xian)圈上(shang),避免(mian)勵磁(ci)系統(tong)發熱(re)🚩,同時(shi),勵磁(ci)電流(liu)固定(ding)的💯波(bo)動頻(pin)率便(bian)于消(xiao)除其(qi)引人(ren)的幹(gan)擾。
2.2勵(li)磁頻(pin)率
　　基(ji)于PWM控(kong)制的(de)脈沖(chong)勵磁(ci)系統(tong)可以(yi)實現(xian)更高(gao)的勵(li)磁頻(pin)率🌈,以(yi)滿✂️足(zu)漿液(ye)流量(liang)測量(liang)和灌(guan)裝流(liu)量測(ce)量。在(zai)勵磁(ci)的開(kai)始階(jie)段,勵(li)磁電(dian)流在(zai)勵磁(ci)電源(yuan)的作(zuo)用下(xia)快速(su)上升(sheng)至穩(wen)态階(jie)段。勵(li)磁電(dian)流i與(yu)勵磁(ci)線圈(quan)上所(suo)加電(dian)壓E之(zhi)間☀️的(de)關系(xi)爲:

　　可(ke)見，勵(li)磁電(dian)流值(zhi)變化(hua)量相(xiang)同,其(qi)所需(xu)的時(shi)間與(yu)勵磁(ci)線圈(quan)兩端(duan)施加(jia)的電(dian)壓成(cheng)反比(bi)。所以(yi)，基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統可(ke)通🈲過(guo)提供(gong)更高(gao)的勵(li)磁電(dian)壓來(lai)減小(xiao)勵磁(ci)電流(liu)上升(sheng)到穩(wen)态值(zhi)的時(shi)間,實(shi)現更(geng)高的(de)勵磁(ci)頻率(lü)。勵磁(ci)電流(liu)的穩(wen)态平(ping)均值(zhi)1。在穩(wen)态階(jie)段的(de)時間(jian)需至(zhi)少保(bao)持t,以(yi)保證(zheng)電磁(ci)流量(liang)計的(de)測量(liang)。勵磁(ci)電流(liu)上升(sheng)的時(shi)✉️間🔞爲(wei):

　　式中(zhong)tg爲勵(li)磁時(shi)序的(de)死區(qu)時間(jian)。以DN40 電(dian)磁流(liu)量計(ji) 爲例(li),基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統中(zhong)勵磁(ci)電壓(ya)爲80V,勵(li)磁💔電(dian)流❤️爲(wei)240mA,勵🚩磁(ci)線圈(quan)電感(gan)值爲(wei)200mH、電阻(zu)值爲(wei)56Q,則勵(li)磁電(dian)🔅流上(shang)升時(shi)間t。爲(wei)650μs。若電(dian)磁流(liu)量計(ji)實現(xian)準确(que)測量(liang)需要(yao)💃勵磁(ci)電流(liu)保持(chi)2ms的穩(wen)态時(shi)間,其(qi)勵磁(ci)時序(xu)的死(si)區時(shi)⚽間爲(wei)150μs,則該(gai)勵磁(ci)系統(tong)能實(shi)現的(de)🔴最高(gao)勵磁(ci)頻率(lü)可以(yi)🔅達到(dao)約178Hz。如(ru)果進(jin)一步(bu)提高(gao)勵磁(ci)電源(yuan)的❤️電(dian)壓，.則(ze)可以(yi)✌️實現(xian)更高(gao)的勵(li)磁頻(pin)率,而(er)普通(tong)勵磁(ci)系統(tong)的勵(li)磁頻(pin)率僅(jin)爲5Hz和(he)6.25Hz。
2.3開關(guan)管的(de)開關(guan)頻率(lü)
　　基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統會(hui)在電(dian)磁流(liu)量計(ji)測量(liang)時❓引(yin)人微(wei)分幹(gan)擾,而(er)微分(fen)幹擾(rao)是由(you)勵磁(ci)電流(liu)波動(dong)🈲而造(zao)成的(de)周期(qi)信号(hao),其頻(pin)率與(yu)開關(guan)管的(de)開關(guan)頻率(lü)相等(deng),便于(yu)采用(yong)相應(ying)的方(fang)法來(lai)抑制(zhi)甚至(zhi)消除(chu);電磁(ci)❓流量(liang)計輸(shu)出的(de)流量(liang)信号(hao)也是(shi)周期(qi)信号(hao),其頻(pin)率與(yu)勵磁(ci)頻率(lü)相等(deng)。因此(ci),可以(yi)🏒把開(kai)關管(guan)的🌂開(kai)關頻(pin)率控(kong)制在(zai)遠遠(yuan)高⭕于(yu)流量(liang)信号(hao)頻率(lü)⭐的頻(pin)段,并(bing)采用(yong)硬件(jian)低通(tong)濾波(bo)器對(dui)微分(fen)幹擾(rao)進行(hang)衰減(jian)。
電磁(ci)流量(liang)計輸(shu)出流(liu)量信(xin)号頻(pin)段主(zhu)要在(zai)200Hz.以下(xia)。爲此(ci)🔞:設置(zhi)硬件(jian)低通(tong)濾波(bo)器的(de)截止(zhi)頻率(lü)爲流(liu)量信(xin)号頻(pin)率的(de)5~10倍,即(ji)大約(yue)🔆爲幾(ji)千Hz;設(she)置開(kai)關管(guan)的開(kai)關頻(pin)率爲(wei)✨硬件(jian)低通(tong)濾波(bo)器截(jie)止頻(pin)率的(de)10倍左(zuo)右，即(ji)大約(yue)爲幾(ji)十kHz。這(zhe)樣硬(ying)件低(di)通濾(lü)波器(qi)不僅(jin)✌️可以(yi)消除(chu)輸出(chu)信号(hao)中噪(zao)聲的(de)幹⭐擾(rao)，還可(ke)以極(ji)大地(di)抑制(zhi)電流(liu)波動(dong)所帶(dai)來的(de)微分(fen)幹🌈擾(rao)。
2.4勵磁(ci)功耗(hao)分析(xi).
　　在基(ji)于PWM控(kong)制的(de)脈沖(chong)勵磁(ci)系統(tong)中,開(kai)關管(guan)位于(yu)勵磁(ci)電源(yuan)和勵(li)磁🏃‍♀️線(xian)圈之(zhi)間，以(yi)維持(chi)勵磁(ci)電流(liu)的穩(wen)定,爲(wei)勵磁(ci)系統(tong)中功(gong)耗最(zui)大的(de)電路(lu)單元(yuan)。開關(guan)管的(de)損耗(hao)🔅主要(yao)表現(xian)爲導(dao)通損(sun)耗和(he)開關(guan)損耗(hao)。導通(tong)損耗(hao)是開(kai)關管(guan)在導(dao)🤞通狀(zhuang)态下(xia),開關(guan)管的(de)導通(tong)電阻(zu)的功(gong)率。由(you)于勵(li)磁電(dian)流爲(wei)數百(bai)mA,開關(guan)管的(de)導通(tong)電阻(zu)爲數(shu)十mI,所(suo)以，開(kai)關管(guan)的導(dao)通損(sun)耗非(fei)常小(xiao)。開關(guan)損耗(hao)爲開(kai)關管(guan)從導(dao)通(關(guan)斷)轉(zhuan)換爲(wei)關斷(duan)(導通(tong))時的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼所有(you)損耗(hao)。開關(guan)頻率(lü)越高(gao),開關(guan)損耗(hao)就越(yue)大,所(suo)以,開(kai)關管(guan)的開(kai)關損(sun)💋耗反(fan)映了(le)勵磁(ci)系統(tong)的🏒功(gong)耗。當(dang)開關(guan)管接(jie)勵磁(ci)線圈(quan)時,開(kai)關損(sun)耗爲(wei)[12]:

　　式中(zhong):Idmax爲流(liu)過開(kai)關管(guan)的最(zui)大電(dian)流;tc爲(wei)開關(guan)管由(you)關斷(duan)(導通(tong))到導(dao)通(關(guan)斷)的(de)轉換(huan)時間(jian);f.sw爲開(kai)關管(guan)的開(kai)關頻(pin)率。
以(yi)DN40電磁(ci)流量(liang)計爲(wei)例,基(ji)于PWM控(kong)制的(de)脈沖(chong)勵磁(ci)系統(tong)的勵(li)磁電(dian)‼️壓📞爲(wei)🔞80V，勵磁(ci)電流(liu)爲240mA,開(kai)關管(guan)的開(kai)關頻(pin)率爲(wei)20kHz,開關(guan)管開(kai)關的(de)轉換(huan)時間(jian)爲100ns,則(ze)開關(guan)管的(de)開關(guan)損耗(hao)約爲(wei)38.4mW。
2.5勵磁(ci)線圈(quan)阻抗(kang)
　　合理(li)地設(she)計勵(li)磁線(xian)圈的(de)直流(liu)電阻(zu)值和(he)電感(gan)值，有(you)👅助于(yu)減小(xiao)勵👅磁(ci)電流(liu)的波(bo)動幅(fu)值,使(shi)基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)♉磁系(xi)統工(gong)作在(zai)💘最佳(jia)狀态(tai)。
　　由式(shi)(1)和式(shi)(2)可知(zhi),當勵(li)磁電(dian)壓固(gu)定時(shi),勵磁(ci)電流(liu)的變(bian)化過(guo)📧程🐪取(qu)決于(yu)勵磁(ci)線圈(quan)的電(dian)感值(zhi)和直(zhi)流電(dian)阻值(zhi)。電感(gan)值由(you)勵磁(ci)線圈(quan)的匝(za)數決(jue)定。當(dang)勵磁(ci)線圈(quan)通人(ren)一--定(ding)的👄電(dian)流時(shi)🌈,測量(liang)管内(nei)的磁(ci)場與(yu)勵☂️磁(ci)線圈(quan).的匝(za)數成(cheng)正比(bi)🔞。爲了(le)保證(zheng)🧡電磁(ci)流量(liang)計正(zheng)常測(ce)♋量所(suo)需要(yao)的磁(ci)場強(qiang)度,勵(li)磁線(xian)圈的(de)匝數(shu)一般(ban)不宜(yi)變化(hua),此時(shi)♌,可以(yi)通過(guo)改🍉變(bian)勵磁(ci)線圈(quan)的線(xian)徑來(lai)調整(zheng)直流(liu)電阻(zu)。
忽略(lue)開關(guan)管上(shang)的壓(ya)降,那(na)麽,勵(li)磁線(xian)圈兩(liang)端的(de)電壓(ya)就等(deng)于勵(li)磁電(dian)壓:


式(shi)中Rmax爲(wei)勵磁(ci)線圈(quan)的直(zhi)流電(dian)阻值(zhi)的最(zui)大值(zhi)。
　　勵磁(ci)電流(liu)在穩(wen)态階(jie)段的(de)波形(xing)示意(yi)圖如(ru)圖3所(suo)示，其(qi)⚽中，勵(li)磁🚩電(dian)🈲流穩(wen)态階(jie)段的(de)Is波動(dong)周期(qi)爲Tf，波(bo)動幅(fu)值爲(wei)Ic，設允(yun)許勵(li)磁電(dian)流最(zui)大波(bo)動幅(fu)值爲(wei)Imax，則Ic＜Imax。近(jin)似認(ren)爲在(zai)穩态(tai)階段(duan)勵磁(ci)電流(liu)上升(sheng)的斜(xie)率是(shi)固定(ding)值，等(deng)于勵(li)💃🏻磁電(dian)流在(zai)穩态(tai)值處(chu)的斜(xie)率(圖(tu)3中a點(dian)處的(de)斜率(lü))。由于(yu)在勵(li)磁電(dian)流穩(wen)态階(jie)段，在(zai)開關(guan)管的(de)一個(ge)開關(guan)周期(qi)♍内，勵(li)磁電(dian)流的(de)變化(hua)量爲(wei)0，因此(ci)，僅研(yan)究勵(li)磁電(dian)流在(zai)穩态(tai)階段(duan)🏃‍♀️的上(shang)升過(guo)程。

　　所(suo)以，爲(wei)了使(shi)基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統在(zai)設定(ding)的開(kai)關頻(pin)率下(xia)正常(chang)工作(zuo)，且勵(li)磁電(dian)流值(zhi)在穩(wen)态階(jie)段的(de)波動(dong)幅值(zhi)小于(yu)Imax，勵磁(ci)線圈(quan)的直(zhi)流電(dian)阻值(zhi)需要(yao)滿足(zu)式(7)和(he)式(13)所(suo)決定(ding)的範(fan)圍。
　　考(kao)慮到(dao)勵磁(ci)線圈(quan)的直(zhi)流電(dian)阻值(zhi)受溫(wen)度影(ying)響較(jiao)大和(he)電磁(ci)‼️流量(liang)計的(de)整機(ji)功耗(hao)，勵磁(ci)線圈(quan)的直(zhi)流電(dian)阻值(zhi)一🈚般(ban)直接(jie)取下(xia)限值(zhi)。以DN40電(dian)磁流(liu)量計(ji)爲例(li)，勵磁(ci)電🔞壓(ya)爲80V，勵(li)磁電(dian)流🏃‍♂️在(zai)穩态(tai)階段(duan)的平(ping)均值(zhi)爲240mA，開(kai)關管(guan)的開(kai)關頻(pin)率爲(wei)20kHz，勵磁(ci)線圈(quan)的電(dian)感值(zhi)爲0.2H，勵(li)磁電(dian)流在(zai)穩态(tai)階段(duan)的波(bo)動幅(fu)值要(yao)小于(yu)5mA，勵磁(ci)線圈(quan)🏃‍♀️的直(zhi)流電(dian)阻🤟值(zhi)的取(qu)值範(fan)🙇🏻圍爲(wei)167Ω至333Ω。通(tong)過調(diao)整勵(li)磁線(xian)圈的(de)線徑(jing)把直(zhi)流電(dian)阻值(zhi)設置(zhi)成167Ω，這(zhe)樣既(ji)可以(yi)最大(da)限度(du)地克(ke)服溫(wen)升帶(dai)來的(de)影響(xiang)，又🔴可(ke)以使(shi)電磁(ci)流量(liang)計的(de)整機(ji)功耗(hao)最小(xiao)。
3PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統研(yan)制
3.1系(xi)統框(kuang)圖
　　研(yan)制的(de)基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統主(zhu)要由(you)勵磁(ci)電源(yuan)、能量(liang)回饋(kui)電路(lu)、勵磁(ci)線圈(quan)驅動(dong)電路(lu)、檢流(liu)電路(lu)、邏輯(ji)電路(lu)、PWM控制(zhi)電路(lu)和😄勵(li)磁時(shi)序産(chan)生電(dian)路組(zu)成，如(ru)圖4所(suo)示。其(qi)中，能(neng)量回(hui)饋電(dian)路

　　在(zai)開關(guan)管關(guan)斷時(shi)回收(shou)勵磁(ci)線圈(quan)中的(de)能量(liang)，并在(zai)開關(guan)管導(dao)通時(shi)🔞把收(shou)集的(de)能量(liang)回饋(kui)給勵(li)磁線(xian)圈，提(ti)高能(neng)量利(li)用率(lü);勵磁(ci)線圈(quan)驅動(dong)電路(lu)改變(bian)勵磁(ci)線圈(quan)中電(dian)流的(de)方向(xiang)，實現(xian)方波(bo)勵磁(ci)，抑制(zhi)電極(ji)極化(hua)，也維(wei)持勵(li)磁電(dian)流穩(wen)定，爲(wei)勵🔴磁(ci)線圈(quan)提供(gong)續流(liu)回路(lu);檢流(liu)電🔴路(lu)獲取(qu)流過(guo)勵磁(ci)線圈(quan)的電(dian)流值(zhi);邏輯(ji)電路(lu)爲勵(li)磁線(xian)圈驅(qu)動電(dian)路提(ti)供控(kong)制信(xin)号;PWM控(kong)制電(dian)路維(wei)持流(liu)過勵(li)磁線(xian)圈的(de)電流(liu)值，在(zai)電流(liu)值上(shang)升時(shi)，産生(sheng)占空(kong)比爲(wei)1的方(fang)波，加(jia)快勵(li)磁💘電(dian)流的(de)上升(sheng)，在電(dian)流值(zhi)達到(dao)穩🐆态(tai)值時(shi)産生(sheng)頻率(lü)固定(ding)🚩、占空(kong)比自(zi)可調(diao)的PWM波(bo)形，以(yi)在勵(li)磁線(xian)圈中(zhong)産生(sheng)穩定(ding)的電(dian)流值(zhi);勵磁(ci)時序(xu)産生(sheng)電路(lu)用來(lai)設定(ding)電磁(ci)流量(liang)計的(de)💞勵磁(ci)頻率(lü)。
3.2勵磁(ci)線圈(quan)驅動(dong)電路(lu)
　　勵磁(ci)線圈(quan)驅動(dong)電路(lu)主要(yao)由H橋(qiao)開關(guan)電路(lu)和H橋(qiao)驅動(dong)🈲電路(lu)組成(cheng)，如圖(tu)5所示(shi)。H橋開(kai)關電(dian)路由(you)4個NMOS管(guan)組成(cheng)，受H橋(qiao)驅動(dong)電路(lu)🏃🏻‍♂️控制(zhi)，其中(zhong)，Q3和Q4爲(wei)控制(zhi)勵磁(ci)電流(liu)穩定(ding)的開(kai)關管(guan)，實現(xian)脈沖(chong)😍勵磁(ci)，Q1和Q2用(yong)來改(gai)變勵(li)磁電(dian)流方(fang)向的(de)開關(guan)管;H橋(qiao)驅動(dong)電路(lu)主要(yao)由電(dian)平轉(zhuan)換電(dian)路和(he)光耦(ou)✍️組成(cheng)，其中(zhong)，P1和P2是(shi)光耦(ou)，T1和T2是(shi)電平(ping)轉換(huan)電路(lu)。CT_1，CT_2，CT_3和CT_4分(fen)别是(shi)Q1，Q2，Q3和Q4的(de)控制(zhi)信❄️号(hao);VFB是由(you)單刀(dao)雙擲(zhi)開關(guan)S1輸出(chu)的檢(jian)流電(dian)阻上(shang)的電(dian)壓信(xin)号。在(zai)H橋開(kai)關電(dian)路的(de)低端(duan)和地(di)之間(jian)接入(ru)兩個(ge)檢流(liu)電阻(zu)，這2個(ge)檢流(liu)電阻(zu)通過(guo)開關(guan)進行(hang)選擇(ze)，以保(bao)證在(zai)勵磁(ci)電流(liu)方向(xiang)切換(huan)時，單(dan)刀雙(shuang)擲開(kai)關輸(shu)出的(de)勵磁(ci)電☂️流(liu)值總(zong)爲正(zheng)，實現(xian)對勵(li)磁電(dian)流的(de)⁉️準确(que)控制(zhi)。

3.3PWM控制(zhi)電路(lu)
　　PWM控制(zhi)電路(lu)主要(yao)由誤(wu)差放(fang)大器(qi)和PWM電(dian)路組(zu)成，如(ru)圖6所(suo)示。誤(wu)差放(fang)大器(qi)對基(ji)準值(zhi)和電(dian)流值(zhi)進行(hang)比較(jiao)并放(fang)大誤(wu)差。PWM電(dian)路根(gen)🌈據放(fang)大後(hou)的誤(wu)差信(xin)号産(chan)生控(kong)制開(kai)🔞關管(guan)所需(xu)要的(de)信号(hao)。PWM控制(zhi)電路(lu)實時(shi)檢測(ce)勵磁(ci)電流(liu)值，并(bing)根據(ju)勵磁(ci)電流(liu)的大(da)小輸(shu)出頻(pin)率固(gu)定、占(zhan)空比(bi)自可(ke)調的(de)PWM波✔️形(xing)，以在(zai)勵磁(ci)線圈(quan)中産(chan)生波(bo)動較(jiao)小、穩(wen)定的(de)電流(liu)值。

4性(xing)能測(ce)試和(he)檢定(ding)實驗(yan)
　　爲了(le)考核(he)基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統的(de)性能(neng)，将其(qi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼與♋國(guo)♻️内某(mou)公司(si)生産(chan)的口(kou)徑爲(wei)40mm的電(dian)磁流(liu)量計(ji)一次(ci)儀表(biao)相配(pei)合，測(ce)試其(qi)能夠(gou)實現(xian)的最(zui)高勵(li)磁頻(pin)率、勵(li)磁電(dian)流在(zai)穩态(tai)段的(de)波動(dong)情況(kuang)和流(liu)量信(xin)号的(de)穩定(ding)性，對(dui)比不(bu)同勵(li)磁系(xi)統的(de)功耗(hao)，進行(hang)水流(liu)量檢(jian)定實(shi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼驗。
4.1勵(li)磁頻(pin)率測(ce)試
　　在(zai)80V勵磁(ci)電壓(ya)下，做(zuo)160Hz勵磁(ci)頻率(lü)的實(shi)驗測(ce)試。當(dang)勵磁(ci)電❤️流(liu)爲240mA時(shi)，約經(jing)0.8ms就進(jin)入了(le)穩态(tai)。而采(cai)用基(ji)于高(gao)低壓(ya)電源(yuan)切換(huan)的⁉️勵(li)磁✨方(fang)式⁉️，當(dang)高壓(ya)爲80V、維(wei)持電(dian)流穩(wen)定的(de)低壓(ya)爲17V、勵(li)磁電(dian)流爲(wei)180mA時，由(you)于電(dian)源的(de)切換(huan)導緻(zhi)勵磁(ci)系統(tong)需要(yao)從一(yi)個工(gong)作狀(zhuang)态轉(zhuan)移到(dao)另一(yi)個✏️工(gong)作狀(zhuang)态💃🏻，這(zhe)個轉(zhuan)移過(guo)👌程所(suo)需要(yao)的時(shi)間要(yao)大于(yu)💜勵磁(ci)電流(liu)的上(shang)升時(shi)間，因(yin)⛷️此，勵(li)磁電(dian)流無(wu)法進(jin)入穩(wen)态。
4.2勵(li)磁電(dian)流和(he)PWM控制(zhi)電路(lu)輸出(chu)電壓(ya)測試(shi)
　　分别(bie)用示(shi)波器(qi)的普(pu)通探(tan)頭和(he)電流(liu)探頭(tou)測試(shi)PWM控制(zhi)電💋路(lu)輸出(chu)的信(xin)号和(he)流過(guo)勵磁(ci)線圈(quan)的電(dian)流值(zhi)。測試(shi)結果(guo)🌈表明(ming):在勵(li)磁電(dian)流上(shang)升時(shi)，PWM控制(zhi)電路(lu)輸出(chu)占空(kong)比爲(wei)1的信(xin)号;在(zai)勵磁(ci)電流(liu)進入(ru)穩态(tai)時，發(fa)出頻(pin)率固(gu)定的(de)脈沖(chong)控制(zhi)信号(hao)。在勵(li)磁電(dian)流穩(wen)态段(duan)，開關(guan)管的(de)頻率(lü)約爲(wei)20kHz。勵磁(ci)電流(liu)經過(guo)截止(zhi)頻率(lü)爲2kHz的(de)四階(jie)巴特(te)沃斯(si)濾波(bo)後🈲，在(zai)♻️穩态(tai)段的(de)最大(da)波動(dong)值僅(jin)約爲(wei)3.7mA，比較(jiao)穩定(ding)。
4.3基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統功(gong)耗測(ce)試
　　由(you)于勵(li)磁電(dian)源輸(shu)入的(de)功率(lü)主要(yao)由基(ji)于PWM控(kong)制的(de)脈沖(chong)勵磁(ci)系統(tong)和勵(li)磁線(xian)圈承(cheng)擔，所(suo)以，隻(zhi)要測(ce)出勵(li)磁電(dian)源的(de)輸入(ru)功🐆率(lü)和勵(li)磁♋線(xian)圈的(de)功率(lü)，就可(ke)以得(de)到🈲基(ji)于PWM控(kong)😄制的(de)脈沖(chong)勵磁(ci)系統(tong)的功(gong)率。根(gen)據勵(li)磁電(dian)源🐕的(de)輸入(ru)電♋壓(ya)和輸(shu)入🙇🏻電(dian)流可(ke)以計(ji)算出(chu)輸入(ru)功率(lü)，根據(ju)勵磁(ci)電流(liu)和勵(li)磁線(xian)圈的(de)等效(xiao)直流(liu)電阻(zu)可以(yi)計算(suan)出勵(li)磁線(xian)圈的(de)功率(lü)。基于(yu)高低(di)壓電(dian)源切(qie)換勵(li)磁💁系(xi)統的(de)功率(lü)計算(suan)方法(fa)相同(tong)。
勵磁(ci)頻率(lü)設爲(wei)12.5Hz、所配(pei)DN40一次(ci)儀表(biao)的勵(li)磁線(xian)圈直(zhi)流電(dian)🔴阻爲(wei)56Ω時，比(bi)較基(ji)于高(gao)低壓(ya)電源(yuan)切換(huan)的勵(li)磁系(xi)統與(yu)🚩基于(yu)🐉PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)❗磁系(xi)統的(de)功耗(hao)。基于(yu)高低(di)壓電(dian)源切(qie)換勵(li)磁系(xi)統所(suo)用的(de)勵磁(ci)電源(yuan)的高(gao)壓爲(wei)80V，相應(ying)的輸(shu)入電(dian)流爲(wei)12mA;低壓(ya)爲24V，相(xiang)應的(de)🤟輸入(ru)電流(liu)爲176.8mA。根(gen)據一(yi)個勵(li)磁周(zhou)期内(nei)高壓(ya)和低(di)壓各(ge)自工(gong)作的(de)時間(jian)，計算(suan)出勵(li)磁電(dian)源輸(shu)入功(gong)率約(yue)爲5.20W。流(liu)過勵(li)磁線(xian)圈的(de)勵磁(ci)電流(liu)爲178mA，根(gen)據勵(li)磁線(xian)圈的(de)直流(liu)電阻(zu)，計算(suan)出勵(li)磁線(xian)圈💯消(xiao)耗的(de)功率(lü)約爲(wei)1.77W。因此(ci)，得出(chu)勵磁(ci)系統(tong)承擔(dan)的功(gong)率約(yue)爲3.43W。基(ji)于PWM控(kong)制的(de)脈沖(chong)勵磁(ci)系統(tong)的勵(li)磁電(dian)壓爲(wei)76V，輸入(ru)電流(liu)爲66.7mA，勵(li)磁電(dian)流爲(wei)240mA，所以(yi)，勵磁(ci)電源(yuan)🏃輸入(ru)功率(lü)約爲(wei)5.07W，勵磁(ci)線圈(quan)消耗(hao)的功(gong)率約(yue)爲3.23W，消(xiao)耗在(zai)該勵(li)磁系(xi)統上(shang)的功(gong)率約(yue)爲1.84W。
　　可(ke)見，基(ji)于PWM控(kong)制的(de)脈沖(chong)勵磁(ci)系統(tong)的勵(li)磁電(dian)流比(bi)基🈚于(yu)高💋低(di)壓😘電(dian)源切(qie)換勵(li)磁系(xi)統的(de)大了(le)34.83%，而前(qian)者承(cheng)擔的(de)功✉️率(lü)僅爲(wei)後者(zhe)的53.64%。這(zhe)說明(ming)基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統消(xiao)耗的(de)功🙇‍♀️率(lü)主要(yao)集中(zhong)在🛀一(yi)次儀(yi)表的(de)勵磁(ci)線圈(quan)，所以(yi)，可😍有(you)效地(di)解決(jue)勵磁(ci)系統(tong)的發(fa)熱問(wen)題。
4.4水(shui)流量(liang)檢定(ding)實驗(yan)
　　基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統可(ke)以實(shi)現更(geng)高的(de)勵磁(ci)✉️頻率(lü)，有效(xiao)地♋抑(yi)制漿(jiang)液噪(zao)聲，但(dan)是，能(neng)否保(bao)證水(shui)流量(liang)🔴測量(liang)的精(jing)度和(he)穩定(ding)性，需(xu)要實(shi)驗驗(yan)證。爲(wei)此，利(li)用精(jing)度等(deng)級爲(wei)0.2的水(shui)流量(liang)檢定(ding)裝置(zhi)，采用(yong)容積(ji)法，對(dui)研制(zhi)👣的基(ji)于PWM控(kong)制的(de)脈沖(chong)勵磁(ci)系統(tong)進行(hang)水流(liu)量檢(jian)定實(shi)驗。水(shui)流量(liang)檢定(ding)的最(zui)小流(liu)速爲(wei)0.49m/s，最大(da)流速(su)爲7.13m/s，共(gong)檢定(ding)了12個(ge)流量(liang)點，每(mei)點重(zhong)複檢(jian)定3次(ci)。實驗(yan)結果(guo)表明(ming)🤟:最大(da)測量(liang)誤差(cha)小于(yu)0.34%，重複(fu)性誤(wu)差小(xiao)于0.04%，精(jing)📞度優(you)于0.5級(ji)。
5結論(lun)
(1)設計(ji)了基(ji)于PWM控(kong)制的(de)脈沖(chong)勵磁(ci)系統(tong)方案(an)，分析(xi)了工(gong)作🔴原(yuan)理，計(ji)算了(le)勵磁(ci)頻率(lü)、勵磁(ci)電流(liu)穩态(tai)階段(duan)的調(diao)📧制頻(pin)🔱率、勵(li)磁功(gong)🈲耗和(he)阻抗(kang)。
(2)研制(zhi)基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統，實(shi)現了(le)更高(gao)的勵(li)磁☎️頻(pin)率。當(dang)勵磁(ci)供電(dian)電源(yuan)升高(gao)至80V時(shi)，勵磁(ci)電流(liu)進入(ru)穩态(tai)✨的時(shi)間僅(jin)爲0.8ms，可(ke)以實(shi)現160Hz的(de)勵磁(ci)頻率(lü)。勵磁(ci)系統(tong)能産(chan)生比(bi)較穩(wen)定的(de)勵磁(ci)電流(liu)值，在(zai)勵磁(ci)電流(liu)穩定(ding)時，勵(li)磁電(dian)流的(de)波動(dong)小于(yu)5mA。
(3)基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統的(de)勵磁(ci)電流(liu)更大(da)，而消(xiao)耗的(de)💁功🌈率(lü)僅爲(wei)基于(yu)高低(di)壓電(dian)源切(qie)換的(de)53.64%，有效(xiao)地解(jie)決了(le)勵磁(ci)系統(tong)的發(fa)熱問(wen)題。
(4)水(shui)流量(liang)檢定(ding)結果(guo)表明(ming)，基于(yu)PWM控制(zhi)的脈(mo)沖勵(li)磁系(xi)統的(de)電磁(ci)流量(liang)計的(de)測量(liang)精度(du)優于(yu)0.5級，這(zhe)說明(ming)研制(zhi)的⛷️勵(li)磁系(xi)統能(neng)爲電(dian)磁流(liu)量計(ji)的精(jing)度高(gao)測量(liang)提供(gong)保證(zheng)。

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