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消防水池补水流量计励磁系(xì)统研制的实验与测试

点击(jī)次数:2015 发布时间:2021-09-04 02:50:31
摘要:为了提高方波(bō)励磁频(pín)率,以便在浆液测量中克服浆液噪声的影响,提出基于能(néng)量回馈和电流旁路的消(xiāo)防水(shuǐ)池(chí)补水流量计(jì)高低压励磁控制方案(àn)。通过采用(yòng)高低压切(qiē)换的方式,加快方波励磁过(guò)程中励磁电流(liú)的恒流控制响应速度;引(yǐn)入电流旁路电路(lù),实现(xiàn)励磁电流的响应超调;采用能量回(huí)馈(kuì)电路降低电路能耗。经实验验证,该励磁系统能够显著加快励磁电流的响应速度,恒流控制响应速度(dù)提升400%,励磁电路(lù)工作稳定可靠,励磁恒流控制精度高,系统的能量回馈电路效率达78.2%。
1、引言
目前,消防(fáng)水池补水流量计大(dà)多采用低(dī)频矩形波(bō)励磁方式,以使传感器输出信号获得较长时间的平稳段,保证(zhèng)其测量精度。当测量浆液流量时,由于浆(jiāng)液中的固体颗粒(lì)划过电*表面,导致传感器输出信号跳变,该跳变(biàn)即为浆液噪声。研究发现,浆液噪声的特(tè)性满足1/f分布。所以,为了(le)减小浆液噪声对输出信号的影响,要求提高励磁频率。然而,由于消防水池补水流量计的励磁线圈为感性负载,提高励磁频(pín)率将会造(zào)成励磁电流在半励磁周期内的稳定段变短,不利于流量的测量。特别是当励磁线圈的电感值较大(dà)时,若提高励磁频率,就有可能使(shǐ)励磁电流无法进入(rù)稳态,从而无法进行流量的测量。国外(wài)大多采用PWM反馈控制或在H桥低端设置恒流晶体管来进行(háng)恒流控制。前一种方法的电流响应速度较(jiào)慢(màn),且电(diàn)流(liú)纹波较严重(chóng);后一种方法(fǎ)由于恒流控制电路会造成H桥(qiáo)低端电(diàn)压波动较大,不利于H桥的开关控(kòng)制。国(guó)内生产企业大多采用国外较为落后励磁技术,励磁电(diàn)流在51ms左右才进入(rù)稳态,因此励磁频率难以提高,频率多为2.5~5Hz。为此,国内也进行了励磁方法的相关改进研究,文献提出了(le)基于线性电源的励磁控(kòng)制方(fāng)案,文献提(tí)出了基于高(gāo)低(dī)压电(diàn)源切换的励磁控(kòng)制方案。基于线(xiàn)性电源的励磁控制方案仅适用于励磁线圈电感值相对较(jiào)小的传感器的高频励磁。高低(dī)压电(diàn)源切换励磁控制方案则由于采用更高压电源加速电流响应速度,能在一定程度上提高励磁频率。但是,文献披露(lù)的高低(dī)压电(diàn)源切换的励磁控制方案,对(duì)于励磁线圈电感值较大的传感(gǎn)器,励磁电流响应速度难以(yǐ)进一步提高(gāo),从(cóng)而限制了励磁频率进一步提高的可能。并(bìng)且励磁方向切换时(shí),励磁线圈中储存的电能全部由泄放电路消耗掉,能量利用率低,造成能量浪费和电路(lù)温升。特(tè)别是励磁线圈电感值较大时(shí),电路能耗更大,不利于电路长期稳(wěn)定工作。
为此,针对高低压励磁方式,提(tí)出具(jù)有(yǒu)能量回馈(kuì)和电流旁路的(de)高低压励(lì)磁控制方案。为了加快励磁电流的响应速(sù)度,采用旁路励磁电路与恒流控(kòng)制电路相结合的励(lì)磁方(fāng)式,进一步(bù)改善高压段励磁效果,加速励(lì)磁电流进入稳态(tài);为了提高能量利用率,减小系统发热,引入能量回馈(kuì)电路。
2、实验(yàn)与测试
励磁系统研制完成后,对其性能进行(háng)测试:1)对于高频励磁,要求励(lì)磁电流进入稳态所需时(shí)间短、响应速度快,考察励磁电流进入稳态的响应时间。2)对于能量回馈电路,主要测试其对线(xiàn)圈中能量的吸(xī)收与回(huí)馈的效率。3)为了说明旁路电路对励磁电路的励磁效果的(de)改善,则对比采用旁(páng)路电路励磁前后,励磁电流进(jìn)入稳(wěn)态的响应时间。4)为了考察恒流(liú)控制电路(lù)输出的励磁电流在(zài)一段时间内的波动情况,进行了励磁电(diàn)流长期稳定性测试。由于(yú)在(zài)实际测量时,流(liú)过传感器的被测流体的(de)流速,与励(lì)磁电(diàn)流流过(guò)励磁线圈建立的磁场场强度成正比,为了使传感器(qì)获得平稳的信号输出,要求励磁线(xiàn)圈中的励磁电流在进入稳态后波动值较小。
2.1 励磁电流(liú)响(xiǎng)应时间性(xìng)能测试
将(jiāng)1台(tái)50mm口径的消防(fáng)水池补(bǔ)水(shuǐ)流量计一次仪(yí)表安装在水流量标定装置(zhì)上进行方波励磁实验。该一次仪表励磁(cí)线圈的直流电(diàn)阻为45Ω,电感值约为1.14H。实验中,采用DPO4054B示波器对励磁系统的(de)励磁电流信号进行监测。
*先,采用(yòng)某公司生产的二(èr)次仪表匹配一次仪表进行励磁(cí)。该二次仪表(biǎo)采用在H桥低端设置(zhì)恒流晶(jīng)体管(guǎn)进行恒流控制的方法,其励磁曲线结果如图6所示,励磁频(pín)率为3.125Hz,励(lì)磁方式为(wéi)三值波励磁,励磁电流大约(yuē)在51.16ms左右进入稳态,励磁电流(liú)稳态段波动较大。
其次,采用本文研制的二次仪表匹配一次仪表进行励(lì)磁。励磁电流稳态值设(shè)定(dìng)为(wéi)178mA,迟滞比较电路的阈(yù)值上限设定为(wéi)205mA,阈值下限(xiàn)设定为165mA。方波励磁频率设为12.5Hz,低压励磁电源(yuán)设(shè)定为17V。示波器采集绘制得到(dào)的励磁结果(guǒ)曲线如图7所示。其中图(a)为励磁电流曲线(xiàn);图(b)为恒(héng)流控制电路中,恒流源的输入输出端电压幅值曲线;图(c)为单路励磁(cí)时(shí)序控制信号。从曲线(b)可以看到,在励(lì)磁系统切换(huàn)至低压供电时,由于三端稳压芯片的(de)负载感抗较大,其输出调(diào)节需经历过渡过程,待输入输出压差稳(wěn)定后(hòu),励磁电流随后进入稳态,进入稳态所需时间约为13ms。

经过对比上(shàng)述(shù)实(shí)验结果可知,相(xiàng)对于某公(gōng)司采用的在(zài)H桥低端设置恒流晶体管进行恒(héng)流控制的方法,本(běn)文研制的励磁系统,励磁电流响(xiǎng)应速度(dù)提升4倍,从而保(bǎo)证励磁电流在励磁周期内具有较长的稳定(dìng)段,并保证传感器输出信号的零点稳定性(xìng)。综上,本系统可(kě)以显著提高励磁频率。


2.2 能量回馈效率性能测试
由图7曲线(xiàn)结合图2可知,在励磁方向切换后,检流电路检测到的图7(a)中的励磁电流瞬间为负,此(cǐ)时励磁线圈处(chù)于(yú)电能泄放(fàng)状态并向能量反馈电路中的储能电容充电(diàn)。由于储能电容充电,高、低压切换电路的输出电压从80V逐渐升高;待励磁线圈能量泄放完即励磁电流为零时,储能电容两端电压达到*高86V并开始放电,励磁电流开始上升;储能电容电(diàn)压(yā)降低至80V时,高低压切换电路趋(qū)于80V的稳定输出状态(tài),此时励磁电流继续上升;待励磁电流(liú)上升至设定的超调量205 mA后,迟滞比较电路控制高低压切换电(diàn)路切换至17V低(dī)压源作为励磁工作电源,恒流电路在17V低压源输入下进行恒流控制输(shū)出。
根据测得的励磁电流和储(chǔ)能电容的电压信号,参考电感和电容的(de)能量计算公(gōng)式,可计算得到励(lì)磁方向切换时(shí)励(lì)磁线圈泄放的能量约(yuē)为0.01972J,储能电容储(chǔ)存和回馈的能量约为0.01542J,能量回馈效率达到78.2%,相较于现有技术中励磁线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(miǎn)电路温升,从而保证系(xì)统可靠工作。
2.3 旁路电路(lù)性能(néng)测试实验(yàn)
为比较电流旁路电路对励磁恒流控制(zhì)的影响,将迟滞比(bǐ)较电路对电流旁路电路的控制断开,即电流旁路电路始终处于断(duàn)开状态。另外为保(bǎo)证励磁(cí)电(diàn)流(liú)达到稳态后高低压切换电路能正常切换至低压,迟滞比(bǐ)较电路的(de)滞环阈值上限(xiàn)设置为(wéi)172mA,低于励磁电流稳态设定值;阈值下限为112mA。针对50mm口径的消防水(shuǐ)池补水流量计一次仪表,采用25Hz方波励磁的结果曲线如图8所示。将图7所示实验结果曲线进行局部放大如图9所示。由图8可知,在励磁电(diàn)流上(shàng)升至迟滞比较电路滞环阈值上限后(hòu),高低压切换电路立刻切换低压源,作为(wéi)励磁工作电源给恒(héng)流控(kòng)制电路。在输入掉压瞬间,由(yóu)于恒流控制电路中的(de)三端(duān)线性稳压(yā)器自身的工作特性,导(dǎo)致输出电流也出现瞬间波动。*后,恒流控制电路在低压源供电(diàn)的情况下,控制输出励磁电流增大至(zhì)稳态设定值。

实验结果表明,高压源向低压源切换后,三端稳压器的工作特性致使的电流波动和低压源供(gòng)电情况下(xià)的恒流控制,会大幅(fú)延长励磁电流(liú)的稳态响应时间。图8所示励磁电流(liú)约在17ms左右进入稳态,图(tú)9所示励磁电流的稳态响应时(shí)间约为12ms。这表明,在采(cǎi)用三端稳压(yā)器搭建恒流控制电路的情况下(xià),电流旁路电路能有效克服三端稳压器工作特性的影响,并能方便的实现电流超(chāo)调,加(jiā)快(kuài)励磁电流的响应速度。


2.4 励磁电(diàn)流长期运(yùn)行(háng)稳定性测试
为了评测所研(yán)制励磁系统长期运行稳定性和电(diàn)流精度,本(běn)文进行了长(zhǎng)时间运行测试实验,实验时间为72h。实验中仍(réng)采用50mm口径(jìng)的消防水池补水流量计(jì)一次仪表(biǎo),励磁电流设为(wéi)178mA,励磁(cí)频率设为12.5Hz。实验时,励磁电流幅值通过消防水池补水流量计二次仪表的信(xìn)号调理采(cǎi)集模(mó)块(kuài),转换成数字信号送给DSP。DSP每隔18s将(jiāng)一个励磁电流平(píng)稳段的采(cǎi)样点数据保存至(zhì)外扩的64kW的SARAM中(zhōng)。72h的励磁电流采集结果如图10所(suǒ)示。

由图可知,励磁系统在上电(diàn)工作后需要大约2,h进行预热,随后励磁电流进入稳态,系统工作稳定(dìng)。不考虑系统预热过程,由采集得到的励磁电流数据计算可得励磁电流(liú)在72h内的波动率约为0.0156%,从(cóng)而表明该励(lì)磁系统在长时间运行下能够(gòu)可靠稳定工作。
2.5 水流(liú)量标定实验
为了评测系统的实际应用效(xiào)果,进行了水(shuǐ)流量标定实验。分别针对50mm口径与100mm口径的传感(gǎn)器进行标定。系统励磁(cí)方式采用方(fāng)波励磁,励磁频率为12.5Hz,管道*大流速为(wéi)7m/s左右,*小流速(sù)为0.3 m/s左右,标定结果如表1所示(shì)。

由标定结果可知(zhī),所(suǒ)研制的(de)消防水池补水流量(liàng)计系统针对50mm口径的水流量标定示值误差小于(yú)0.41%,重复性误差小于0.11%。针对100mm口径的水流量标定示值误差小于(yú)0.21%,重复性误差小(xiǎo)于0.12%。据此可知,所研制(zhì)的消防水池补水流量计系统针对50mm与100mm口径(jìng)的水流量标定精度均优于0.5级。
3、结论
1) 由能量回馈效率性能测试实验(yàn)可知,采用能量回馈电路对励磁(cí)方向切(qiē)换后,线圈中剩余的能量进行存储并利用,该方法较于(yú)国内普遍通过转化为热量进行(háng)消耗的方法而言,能够提(tí)高系统78.2%的能量利(lì)用效率,降(jiàng)低电路能量耗散(sàn),保证(zhèng)电(diàn)路长期可靠工作。
2) 由励磁电流响应时间性能(néng)测试(shì)以及旁(páng)路电(diàn)路性能测试实验可知,相较于PWM反馈控制(zhì)的方法或是(shì)在H桥低端设置恒流晶体管进行恒流控制(zhì)的(de)方法,采用电流旁路电路的高低压励磁方式(shì)能够使得励磁(cí)电流产(chǎn)生响(xiǎng)应(yīng)超(chāo)调,加快(kuài)恒流(liú)控制(zhì)的(de)响(xiǎng)应速度,使得励磁电流(liú)响应时间(jiān)从51ms缩(suō)短(duǎn)到(dào)12ms,恒流控制响应速度提升至400%,从(cóng)而有利于(yú)进一步提高消防(fáng)水(shuǐ)池补水流量计的励磁频率(lǜ),减小浆液测量(liàng)中的浆液(yè)干(gàn)扰(rǎo)。
3) 由励磁电流长期运行稳定性测试实验可(kě)知,较于(yú)采用PWM反馈控制方法,励磁电流稳态段纹波严重,研制的励磁系统72h内励磁电流波动率为0.0156%,从而表明长时间(jiān)运行下,本系(xì)统能够稳定可靠工作且励磁电流波动率较小。
4)由水流量标定实验可(kě)知,针对50mm与100mm口径传感器,标定示值(zhí)误差小于0.41%,重复性(xìng)误差小于0.11%,表明研制(zhì)的励磁系统能够为消防水池(chí)补水流量计的高精(jīng)度测量提供保(bǎo)证。

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