浅析电容式电磁流量计的信号工作原理及检出方式优缺点

　　1 引言
电容式电磁流量计是近年来电磁流量计的研究热点，由于采用大面积电极，并且电极与被测流体间有绝缘衬里隔离，从根本上解决了电极表面附着、腐蚀、摩擦等问题，对电极式电磁流量计难以测量的流体类型，如低电导率流体、泥浆混入型流体、附着型流体等，可以很好地完成检测，在很大程度上拓展了电磁流量计的适用范围，在造纸、制糖、化工、冶炼等行业有着良好的应用前景。电容式电磁流量计是利用静电电容来检测感应电动势的，由大面积电极板与所测流体通过绝缘衬里组成检测电容，其电容值一般为几十pF，因此要使信号顺利通过，要求激磁频率比较高，一般为几百Hz，并且随着流体电导率的下降，信号内阻变得很大，干扰影响加剧，零点稳定困难，使准确检出流速信号难度增大。为了提高测试精度，除了改进传感器和激磁电路，研究信号的检出方式，提高信号检出能力也是非常重要的。目前应用的信号检出方式主要有两种：一是直接检测信号电压，通过提高前置放大器的输入电阻，尽量减少信号电压的衰减，保证足够的精度。二是采用“虚地” 技术，通过检测信号电流，来获得流速信号。电容式电磁流量计的设计中，如何准确、有效地检测出微弱的流速信号一直是研究的重点。本文对两种典型的信号检出方法——电压检测和电流检测的基本原理进行了比较，分析了它们存在的优缺点。

 
　　2电压检测方式
目前国内市场上电容式电磁流量计都是采用电压检测作为信号检出方式。为了保证足够的检测精度，除了良好的屏蔽外，主要是要提高前置放大器的输入电阻，为了达到足够高的输入阻抗，一般需要采用自举高阻抗输入电路n，其基本电路如图1所示：

其基本原理为：通过电容c的正反馈，把电阻R2上的电位抬高(自举)，使电阻R1的两端几乎为等电位状态，于是，输入回路的电流几乎为零，从而实现了高的输入阻抗。其输入阻抗可近似由式(1)进行计算：Ri≈R1+R2+j(t’R1R。C (1)
 
通过合理选择参数，输入电阻Ri可以达到1012Q以上，可以在内阻很大的情况下获得足够的信号测量精度。当然这只是一个基本的电路，实际应用时，由于运放的输入电容的影响不能忽略，还需要在电路上进行一些调整口]。
 
　　3电流检测方式
电流检测的方法是McHale提出的，激励磁场B是一个三角波信号，通过测量与感应电势变化率成比例的电流信号，采用“虚地”的方式，前置放大电路相当于一个电流／电压转换器，合理选择反馈电阻的阻值，可以获得很高的转换比，并且通过在线的电容检测，保证了检测的精度。其基本电路如图2所示：
 

 
　　其基本原理是：电容式电磁流量计是通过大面积电极同被测流体形成的电容来耦合电磁感应产生的与流速相关的感应电势的，根据电容的特性，在检测电极上存贮的电量：
　　Q—CE (2)
　　式中：C为电极电容值，E为感应电势。而感应电势是与流速v、磁场B及测量管管径D成正比的。可表示成式(3)，其中K为比例系数。
　　Q—KCvBD (3)
　　因此信号电流i，可以由Q对时间的微分得到：
　　iF—dQ／dt—KCvD(dB／dt) (4)
由于激励磁场B是三角波，dB／dt和i，都是方波信号，因此，只要C可以准确得到，通过检测i，就可以实现对流体流速的检测。由于c值会随着流体的温度、压力的变化而变化，因此，MeHale通过在流体与系统地之间增加一个比磁场激励信号频率低一倍的三角波电场激励，由于i。=Cdvc／dt，在电极上就会叠加上一个与电极电容值成比例的电流信号i。，因此，电极上检出的电流信号实际包含了流速信号i，和电容信号i。，两个极板上的i，信号大小相等，方向相反，通过一个加法器进行放大，就可以将i。信号检出；而i。信号是大小相等，方向相同的，信号放大电路中对i，采用的是差分放大，信号中的i。分量会被当作共模信号去除，不会影响流速信号的检测，从而通过式(4)实现对流体流速的检测。
 
　　4比较与讨论
综上分析我们不难看出，两种信号检出方式各有特点，但都没有完全解决信号检测问题。
 
电压检出方式可以充分利用成熟的电极式电磁流量计的检测技术，激磁电路简单，但高输入阻抗使电容的泄漏电流影响明显，检出信号的误差增大。同时，干扰的影响更为显著，信噪比SNR很低，特别是当被测流体的电导率进一步降低时更加明显，采取这种信号检出方式，其电导率下限大致为0．01／m。
 
　　电流检出采用“虚地”的方式，检测电路相当于一个电流／电压转换器，从根本上消除电容的泄漏电流的影响，对传感器、前置放大器的要求降低了，对被测流体电导率几乎没有限制。但这种方式使激磁电路变得比较复杂，目前仍限于实验室研究，还没有此类的商品型电磁流量计。


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