電磁流量(liàng)計 傳感器(qi)的空管狀(zhuang)态指管道(dào)未被液體(ti)充滿，導緻(zhì)電👉極部分(fèn)或全部裸(luǒ)露于空氣(qì)中，該狀态(tai)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(duì)空管狀态(tai)的檢測，主(zhǔ)要👅有增加(jia)電極、參數(shu)提取和附(fu)加激勵三(san)種方法［2－3］。增(zeng)加電極的(de)方法需對(duì)管道進行(háng)改造，在實(shi)際使用中(zhong)可行性不(bú)高；參數提(ti)取通過測(cè)量⁉️疊加于(yú)流量信号(hao)上💰的微分(fèn)幹擾和工(gōng)頻幹擾兩(liang)種信号，實(shi)現對管道(dào)的狀态判(pan)斷。由于幹(gan)擾信号幅(fú)值受工況(kuàng)🐉環境影響(xiang)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(yuan)兩類，電🔞壓(ya)源輸出阻(zu)抗小，并聯(lián)于電極回(hui)路，使儀表(biǎo)放🏃🏻‍♂️大器輸(shū)入阻抗減(jiǎn)🈲小，影響流(liu)量信号。電(dian)流源輸出(chu)阻抗高，對(duì)流量信号(hao)的影響可(ke)忽略，但電(diàn)流源輸出(chū)電流值不(bu)應過大，且(qiě)電❗流方向(xiàng)應可以改(gǎi)變以避免(miǎn)電極極🧑🏽‍🤝‍🧑🏻化(hua)引起的零(ling)點漂移問(wen)題［4］。
　　爲了實(shi)現對傳感(gan)器空管狀(zhuang)态更準确(què)、可靠的報(bào)警功💁能，一(yi)種電流源(yuán)激勵形式(shì)的電磁流(liu)量計空管(guǎn)檢測模塊(kuai)。
1電流源附(fù)加激勵下(xia)傳感器電(dian)極回路模(mo)型
　　圖1爲電(diàn)流源附加(jia)激勵下的(de)傳感器電(dian)極回路模(mo)型圖，E爲磁(ci)場作用下(xià)表征流速(su)信号的感(gǎn)應電動勢(shì)，RL爲📐測量電(dian)極📐對地等(děng)效電阻，Ri爲(wei)儀表放大(da)器的輸入(ru)電💚阻，Ie爲電(diàn)🐅流源。

　　電流(liu)源模塊與(yu)傳感器電(dian)極回路并(bìng)聯，由電流(liu)源輸出阻(zu)🏃‍♀️抗無窮大(da)特性可知(zhī)，電流源模(mo)塊不對流(liú)量信✔️号大(da)♋小産生影(yǐng)響。考慮實(shí)際使用情(qíng)況下，不同(tong)流體類型(xíng)的⭐流體阻(zǔ)㊙️抗大小不(bu)一，對于低(dī)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(shu)出值應根(gen)據流體類(lèi)🈲型大小可(kě)調✌️，且輸出(chu)電流💰大小(xiǎo)在微安級(jí)。另外，爲了(le)避免電極(jí)長時間受(shou)同一方向(xiàng)電流💚影響(xiang)而産生電(dian)極極化反(fan)應，導緻儀(yí)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(wei)實現電流(liú)源附加激(ji)勵形式的(de)空管檢測(cè)模塊能🌈夠(gou)準确實現(xiàn)空管報警(jǐng)功能，電流(liú)源需滿足(zú)如下三⭐點(diǎn)約束條件(jian)：微弱電流(liu)值恒流、電(diàn)流方向可(ke)控、電流值(zhi)可控。
2空管(guan)檢測模塊(kuai)系統框架(jià)

　　如圖2所示(shì)，空管檢測(ce)模塊系統(tong)由精密電(diàn)流源、電流(liú)控制電路(lu)、阻抗測量(liang)模塊三部(bu)分組成。其(qi)中，精密電(diàn)♋流源輸出(chū)恒定電流(liú)；電流控制(zhì)電路實現(xian)對電流源(yuán)輸出電流(liú)大小和方(fang)向控制；阻(zu)抗測量模(mo)塊對電極(jí)電勢進行(hang)👣采樣與電(dian)勢調整，後(hou)送入微處(chù)理器進行(háng)😄空管判斷(duan)。下面分别(bie)對三✂️部分(fen)電路設計(ji)進行介紹(shào)。
2．1精密電流(liu)源電路設(shè)計
　　電流源(yuan)并聯于傳(chuán)感器電極(ji)回路，爲了(le)不影響流(liu)量信号采(cai)集，電流源(yuan)内阻應爲(wèi)高阻抗。如(rú)圖3，Vi1、Vi2爲輸入(ru)電壓，VL爲負(fu)載端電壓(yā)，io爲㊙️電流👌源(yuán)輸出，A1、A2爲運(yùn)算放大器(qì)。

　　令(ling)isc爲負載短(duan)路電流，Ro爲(wèi)恒流源等(děng)效内阻大(da)小。由諾頓(dùn)定理，求負(fu)載短路下(xià)電路的短(duan)路電流［5］：

　　由(yóu)上述推導(dǎo)可知，電流(liu)源輸出阻(zǔ)抗無窮大(da)，輸出電🌐流(liú)大🧑🏾‍🤝‍🧑🏼小僅由(yóu)輸入電壓(yā)Vi1、Vi2和輸出電(dian)阻R決定，滿(mǎn)足空管檢(jiǎn)測模塊設(she)計📞要求。電(dian)路的不足(zu)在于，運算(suàn)放大器輸(shu)入端🆚易受(shou)外部信号(hào)幹擾，故采(cai)用三🌈運算(suàn)放大器結(jié)構替代🛀差(cha)分放大結(jié)構。在實際(jì)設計電路(lù)時，使用儀(yí)表放大器(qì)INA118替代圖3中(zhōng)運算放大(da)器A1，儀表放(fàng)大器INA118優❓點(dian)在于：
1）共模(mo)抑制比，輸(shū)入阻抗高(gao)達1010Ω；
2）低輸入(rù)偏置電流(liu)，最大值爲(wei)10nA；
3）内部精密(mi)電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較寬(kuān)的增益調(diao)節範圍，爲(wèi)1～10000。
　　反饋運放(fang)A2使用低輸(shū)入偏置電(dian)流運算放(fang)大器，使流(liú)入運放A2的(de)🌈損❓失電流(liú)可忽略不(bú)計。根據電(dian)路知識，使(shǐ)用儀表放(fang)🤩大器INA118和運(yùn)放OPA602後🌍電路(lu)輸出電流(liu)值：

　　RG爲增益(yì)電阻，改變(biàn)RG大小即可(ke)設定電流(liu)源輸出電(dian)流值🌂。電💞流(liú)源輸出電(diàn)流方向由(yóu)兩輸入端(duān)決定，當Vi1－Vi2＞0時(shí)，輸出電流(liú)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(lu)
　　電流控制(zhì)電路主要(yao)用于設定(dìng)電流源輸(shū)出電流值(zhí)大小以‼️及(jí)電流方向(xiàng)切換頻率(lü)。爲匹配不(bu)同類型的(de)📐傳感器，電(diàn)路應具有(you)電流值大(dà)小調整能(néng)力。該功能(neng)使用D/A轉換(huàn)芯片TLV5625實現(xian)，其特點如(ru)下：
1）雙通道(dao)、低功耗、8位(wei)電壓輸出(chu)型數模轉(zhuǎn)換器，軌對(duì)軌輸出🌂
2）可(kě)采用多種(zhong)通訊接口(kou)，如SPI、TMS320。在D/A芯片(pian)後增加模(mo)拟開關以(yi)保證電流(liú)源能夠按(àn)微處理器(qi)設置頻率(lǜ)進行開關(guān)控制，電流(liu)控制電路(lu)如圖4所示(shì)。

　　D/A轉換(huàn)芯片TLV5625采用(yòng)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(xīn)片輸出電(diàn)壓：

　　其中，電(diàn)壓基準Vref＝2．048V，由(you)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(fan)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(mó)塊
　　最後介(jiè)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(xin)号進行采(cai)集。該電勢(shì)信👈号采集(ji)由微處理(lǐ)器A/D轉換模(mo)塊實現，輸(shu)入電壓☎️範(fan)圍爲0V～3．3V，因此(ci)需對電極(ji)端電勢信(xin)号🌈做電壓(yā)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(ya)轉換🚶‍♀️電路(lu)如圖5所示(shi)。

　　如圖(tu)5所示，傳感(gan)器電極端(duān)電勢用Vin表(biǎo)示。在此信(xìn)号被送至(zhi)微處理器(qì)A/D模塊之前(qian)，對電壓值(zhi)進行調整(zheng)。考慮傳感(gǎn)器空管時(shí)，電極端電(diàn)勢兩種飽(bǎo)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(lǐ)器最大輸(shū)入範圍，令(ling)此電路滿(mǎn)足公🏃‍♂️式：

1）當(dang)電流爲流(liu)入電極方(fang)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(shì)（15）進行🐪電壓(ya)匹配☁️，可以(yǐ)确保無論(lun)電流方向(xiang)正負，管道(dao)空管時信(xìn)号飽和的(de)情況下，輸(shū)入微處理(lǐ)器的電勢(shi)信号不超(chāo)過其阈值(zhí)。下面對電(diàn)路阻值進(jìn)行計算，電(diàn)路總輸出(chu)電勢☀️爲：

　　由(yóu)負載端電(diàn)壓和負載(zǎi)電流值，可(ke)以得電極(ji)對地等效(xiào)阻抗值RL，将(jiang)RL與保存于(yú)微處理器(qì)中空管報(bào)警判斷的(de)阈🛀值進行(hang)比較，即實(shi)現對傳感(gan)器管道情(qíng)況判斷🛀🏻。
3結(jié)束語
　　相比(bi)于現有方(fāng)法，電磁流(liu)量計使用(yòng)電流源形(xíng)式的附加(jia)激勵模♌塊(kuai)，受傳感器(qi)負載類型(xing)影響小，有(yǒu)更廣的适(shì)用範圍和(hé)更高的可(ke)靠性。

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