電磁流量計傳感器的空管狀態指管道未被液體充滿，導致電極部分或全部裸露于空氣中，該狀態下儀表示數不規則，無法正確顯示流量值。

 

        現階段實現對空管狀態的檢測，主要有增加電極、參數提取和附加激勵三種方法。增加電極的方法需對管道進行改造，在實際使用中可行性不高；參數提取通過測量疊加于流量信號上的微分干擾和工頻干擾兩種信號，實現對管道的狀態判斷。由于干擾信號幅值受工況環境影響大，該方法適用范圍較小；附加激勵源的方法又分為電壓源和電流源兩類，電壓源輸出阻抗小，并聯于電極回路，使儀表放大器輸入阻抗減小，影響流量信號。電流源輸出阻抗高，對流量信號的影響可忽略，但電流源輸出電流值不應過大，且電流方向應可以改變以避免電極極化引起的零點漂移問題。

 

        為了實現對傳感器空管狀態更準確、可靠的報警功能，本文提出并設計了一種電流源激勵形式的電磁流量計空管檢測模塊。

 

1     電流源附加激勵下傳感器電極回路模型

        圖1為電流源附加激勵下的傳感器電極回路模型圖，E為磁場作用下表征流速信號的感應電動勢，RL為測量電極對地等效電阻，Ri為儀表放大器的輸入電阻，Ie為電流源。

        電流源模塊與傳感器電極回路并聯，由電流源輸出阻抗無窮大特性可知，電流源模塊不對流量信號大小產生影響。考慮實際使用情況下，不同流體類型的流體阻抗大小不一，對于低電導率類型流體，其流體阻抗大，為避免采樣電勢信號飽和，電流源輸出值應根據流體類型大小可調，且輸出電流大小在微安級。另外，為了避免電極長時間受同一方向電流影響而產生電極極化反應，導致儀表零點漂移影響儀表精度，電流源流向需可控。

 

        綜上所述，為實現電流源附加激勵形式的空管檢測模塊能夠準確實現空管報警功能，電流源需滿足如下三點約束條件：微弱電流值恒流、電流方向可控、電流值可控。

 

2      空管檢測模塊系統框架

        如圖2所示，空管檢測模塊系統由精密電流源、電流控制電路、阻抗測量模塊三部分組成。其中，精密電流源輸出恒定電流；電流控制電路實現對電流源輸出電流大小和方向控制；阻抗測量模塊對電極電勢進行采樣與電勢調整，后送入微處理器進行空管判斷。下面分別對三部分電路設計進行介紹。

 

2．1精密電流源電路設計

        電流源并聯于傳感器電極回路，為了不影響流量信號采集，電流源內阻應為高阻抗。

 

        如圖3，Vi1、Vi2為輸入電壓，VL為負載端電壓，io為電流源輸出，A1、A2為運算放大器。

        令isc為負載短路電流，Ro為恒流源等效內阻大小。由諾頓定理，求負載短路下電路的短路電流：

        

        顯然，若取R1＝R2＝R3＝R4，則恒流源等效內阻Ro無窮大。恒流源輸出電流可簡化為：

        

        由上述推導可知，電流源輸出阻抗無窮大，輸出電流大小僅由輸入電壓Vi1、Vi2和輸出電阻R決定，滿足空管檢測模塊設計要求。電路的不足在于，運算放大器輸入端易受外部信號干擾，故采用三運算放大器結構替代差分放大結構。在實際設計電路時，使用儀表放大器INA118替代圖3中運算放大器A1，儀表放大器INA118優點在于：

        1）高共模抑制比，輸入阻抗高達1010Ω；

        2）低輸入偏置電流，最大值為10nA；

        3）內部高精密電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；

        4）較寬的增益調節范圍，為1～10000。

 

        反饋運放A2使用低輸入偏置電流運算放大器，使流入運放A2的損失電流可忽略不計。根據電路知識，使用儀表放大器INA118和運放OPA602后電路輸出電流值：

        其中，G為儀表放大器放大倍數：

 

        RG為增益電阻，改變RG大小即可設定電流源輸出電流值。電流源輸出電流方向由兩輸入端決定，當Vi1－Vi2＞0時，輸出電流流入負載；當Vi1－Vi2＜0時，電流從負載流入儀表放大器。