CN110244129A - 一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，涉及电磁传感器技术领域，该磁场发生器主要由C形磁环(1)、激励线圈(2)、零点与幅值调整电路(3)、前向运算放大电路(4)、功率放大电路(5)、霍尔传感器(6)、差动放大电路(7)、恒流源电路(8)组成，各环节连接起来构成一个闭环负反馈磁场控制系统，通过该闭环系统的控制作用使得激励线圈(2)在C形磁环(1)中产生的磁场跟随输入波形的变化，从而产生与输入波形一致的圆环状受控激励磁场，从而解决了感应式电导率传感器由于磁环的磁滞及磁饱和效应而造成的激励磁场时域波形畸变以及由于磁环温度系数造成的激励磁场大小随温度变化的问题。
Description
技术领域
本发明专利涉及电磁传感器技术领域，更具体地说，本发明专利涉及一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器。
背景技术
感应式电导率传感器相较于电极式电导率传感器具有耐腐蚀、无极化效应及电容效应等优点，从而被广泛应用于工业上液体介质电导率的测量。感应式电导率由激励线圈部分及感应线圈部分组成，在激励线圈侧输入激励信号，基于电磁感应原理，通过被测介质对电磁能量的传导及耦合作用，可在感应线圈侧感应出与被测介质电导率相关的交流电压信号，从而实现对液体介质电导率的测量。
通常，感应式电导率传感器的激励线圈部分及感应线圈部分均为采用O形磁环(径向无气隙的环形磁芯)绕制的磁芯线圈，并且两部分磁环平行同轴安装。为了通过电磁感应方式实现对电导率的测量，需要在激励线圈侧施加随时间变化的电磁能量，现有感应式电导率传感器采用的激励方式均是在激励线圈两端施加正弦电压信号或通入正弦电流信号，则可在激励磁环中产生变化的磁场，进而在感应线圈中产生交流电压信号。例如，CN102124321B公开了一种电感式电导率传感器，采用两个环形线圈共面且同轴安装实现电导率的测量；CN103412009B公开了一种测量流体电导率的装置和方法，其发射线圈和接收线圈为同心设置的2个环形线圈，并且由电源为发射线圈提供交流电；CN106199203A公开了一种感应电导率传感器及其生产方法，其设计成旋转对称的环形线圈(“螺绕环”)的发射器线圈和接收器线圈一个接另一个地同轴布置，并且发射器线圈被输入信号即交变电压激励或流经；CN108445298A公开了一种电场耦合型感应式电导率传感器及其特性补偿器，该传感器的激励线圈、感应线圈分别紧密绕制在铁氧体磁环上构成环形磁芯线圈，两个环形磁芯线圈同轴安装，并且在激励线圈两端施加了交流电压信号。
然而，现有的感应式电导率传感器均采用O形磁环激励线圈，并直接通以正弦交流电压源或电流源作为激励，相当于磁环中的磁场发生处于开环而不可控的状态，又由于磁环的磁滞及磁饱和效应，在正弦激励电压或电流的作用下，磁环中的圆环状磁场源往往会发生时域波形畸变而为非正弦波，从而使感应线圈最终输出的电压波形有更大的畸变，产生高次谐波，影响测量的线性度和精度；另外，由于激励磁环的温度系数，在恒定的激励电压或电流作用下，磁环中产生的磁场大小会随温度的变化而有较大的变化，激励磁场的稳定性差，从而使传感器的测量有较大的温度系数。
为了克服上述问题，激励线圈在磁环中产生激励磁场的过程需要进行闭环控制，而要进行闭环控制，磁环的结构设计、磁场的反馈和控制过程均较为复杂，从而有很大的实现难度。为此，本发明专利提供了一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器。
发明专利内容
本发明专利所要解决的技术问题是直接采用正弦交流电压或电流激励，即激励磁场不可控时，由于磁环的磁滞及磁饱和效应而造成的激励磁场时域波形畸变以及由于磁环温度系数造成的激励磁场大小随温度变化的问题，从而改善传感器的测量性能。
为了解决所述技术问题，本发明专利提供了一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，该磁场发生器主要由C形磁环、激励线圈、零点与幅值调整电路、前向运算放大电路、功率放大电路、霍尔传感器、差动放大电路、恒流源电路组成，其中，激励线圈绕制于C形磁环上，波形输入端接至零点与幅值调整电路的输入端，零点与幅值调整电路的输出端接至前向运算放大电路的正相输入端，前向运算放大电路的输出端接至功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端及系统参考地端分别接至激励线圈的两端，霍尔传感器安装于C形磁环的气隙中，恒流源电路的电流输出端接至霍尔传感器的激励电流输入端，且霍尔传感器的电压输出端接至差动放大电路的差分输入端，差动放大电路的输出端接至前向运算放大电路的反相输入端，各环节连接起来构成一个闭环负反馈磁场控制系统，通过该闭环系统的控制作用使得激励线圈在C形磁环中产生的磁场跟随输入波形的变化，从而产生与输入波形一致的圆环状受控激励磁场，可为感应式电导率传感器提供一种可控激励磁场源。
所述C形磁环为采用相对磁导率大于1000软磁材料制成的开气隙磁环，磁环沿径向开有2mm气隙，所述激励线圈以螺绕环的形式均匀绕制于C形磁环上。
所述零点与幅值调整电路由反相放大器及反相加法器级联组成，且反相放大器及反相加法器均由运算放大器构成，第一级为反相放大器，且增益被设置为1，第二级为反相加法器，反相放大器的输出端接至反相加法器的第一输入端，在正电源和负电源之间接入第一电位器作为零点调整电位器，零点调整电位器的中心抽头接至反相加法器的第二输入端，反相加法器的反馈通道接入第二电位器作为幅值调整电位器。
所述前向运算放大电路采用开环放大倍数大于1×106的集成运算放大器构成，使得整个闭环负反馈磁场控制系统为闭环深度负反馈磁场控制系统。
所述功率放大电路为主要由互补型NPN及PNP功率三极管组成的甲乙类互补对称型功率放大电路，并在两个三极管的基极之间接有同向串联的克服交越失真的二极管，且功率放大电路的输入信号从两个二极管的串联中间点接入，其输出信号从两个互补对称三极管的射极串联中间点接出。
所述霍尔传感器采用TO-92封装的线性霍尔传感器，薄片状的霍尔传感器平行安装于C形磁环的气隙中央。
所述差动放大电路采用差模输入阻抗大于1MΩ的仪表放大器构成，霍尔传感器的两个电压输出端分别接至仪表放大器的两个差分输入端，并在该电路中接有磁场反馈系数调整电位器以及磁场反馈零点残余电压消除电位器。
所述恒流源电路采用主要由电压基准芯片、运算放大器、电流放大三极管、反馈电阻组成的电流串联型负反馈电路构成，电压基准芯片输出的恒定电压输入至运算放大器的正相输入端，运算放大器的输出端接至电流放大三极管的基极，电流放大三极管的集电极接至正电源，电流放大三极管的发射极接至霍尔传感器的激励电流流入端，霍尔传感器的激励电流流出端接至运算放大器的反相输入端，反馈电阻接在运算放大器的反相输入端和负电源端之间。
本发明专利至少包括以下有益效果：
(1)采用闭环负反馈控制的方式对激励磁环产生的磁场进行控制，激励磁场处于可控状态，可以使磁场波形完全跟随输入波形的变化，闭环调节作用使得磁场时域波形不会由于磁环的磁滞及磁饱和效应而发生畸变，保证激励磁场波形为完整的正弦波，避免产生高次谐波。
(2)磁场的闭环负反馈控制具有抗各类干扰的作用，特别是可以克服温度对激励磁场的大小的影响，使得激励磁场波形幅值不随温度变化而发生相应变化，提高了激励磁场的稳定性。
(3)为传感器整机性能的改善提供了一种技术思路和技术手段，有利于提高测量线性度、精度，降低温度系数。
本发明专利的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明专利的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明专利所述的感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器的组成原理示意图，图中磁环内的椭圆虚线为该发生器产生的可控激励磁场的磁感线；
图2为本发明专利所述的感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器的具体实施电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
为了解决所述技术问题，本发明专利提供了一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，如图1所示，该磁场发生器主要由C形磁环1、激励线圈2、零点与幅值调整电路3、前向运算放大电路4、功率放大电路5、霍尔传感器6、差动放大电路7、恒流源电路8组成，其中，激励线圈2绕制于C形磁环1上，波形输入端接至零点与幅值调整电路3的输入端，零点与幅值调整电路3的输出端接至前向运算放大电路4的正相输入端，前向运算放大电路4的输出端接至功率放大电路5的输入端，功率放大电路5的输出端及系统参考地端分别接至激励线圈2的两端，霍尔传感器6安装于C形磁环1的气隙中，恒流源电路8的电流输出端接至霍尔传感器6的激励电流输入端，且霍尔传感器6的电压输出端接至差动放大电路7的差分输入端，差动放大电路7的输出端接至前向运算放大电路4的反相输入端，各环节连接起来构成一个闭环负反馈磁场控制系统，通过该闭环系统的控制作用使得激励线圈2在C形磁环1中产生的磁场跟随输入波形的变化，从而产生与输入波形一致的圆环状受控激励磁场，可为感应式电导率传感器提供一种可控激励磁场源。
如图1所示，所述C形磁环1为采用相对磁导率大于1000的叠层状硅钢片制成的开气隙磁环，磁环沿径向开有2mm气隙，所述激励线圈2以螺绕环的形式均匀绕制于C形磁环1上。
如图2所示，所述零点与幅值调整电路3由反相放大器及反相加法器级联组成，且反相放大器及反相加法器均由运算放大器LF353构成，第一级为反相放大器，且其输入电阻R1＝10kΩ，反馈电阻R2＝10kΩ，故增益被设置为1，第二级为反相加法器，反相放大器的输出端接至反相加法器的第一输入端，在正电源VCC和负电源VSS之间接入电位器R3＝1kΩ作为零点调整电位器，零点调整电位器R3的中心抽头接至反相加法器的第二输入端，反相加法器的两个输入端的输入电阻分别为R4＝10kΩ、R5＝10kΩ，反相加法器的反馈通道接入电位器R6＝50kΩ作为幅值调整电位器，故反相加法器的增益可在0～5之间进行调整，方便输入波形幅值的调整。
如图2所示，所述前向运算放大电路4采用开环放大倍数大于1×106的集成运算放大器OP27构成，由于采用的放大器开环放大倍数极大，从而远远大于磁场反馈通道的反馈系数，使得整个闭环负反馈磁场控制系统为闭环深度负反馈磁场控制系统。
如图2所示，所述功率放大电路5为主要由互补型NPN功率三极管TIP31及PNP功率三极管TIP32组成的甲乙类互补对称型功率放大电路，并在两个功率三极管Q1、Q2的基极之间接有同向串联的克服交越失真的二极管D1、D2，且功率放大电路5的输入信号从两个二极管的串联中间点接入，并在输入回路接有R7＝2kΩ、R8＝2kΩ限流电阻，功率放大电路5的输出信号从两个互补对称三极管的射极串联中间点接出。
如图1所示，所述霍尔传感器6采用TO-92封装的线性霍尔传感器HG-302C，薄片状的霍尔传感器6平行安装于C形磁环1的气隙中央，激励电流在C形磁环1中产生的圆环状激励磁场B垂直穿过霍尔传感器6的上下两个表面，并在霍尔传感器6的激励电流输入端通入恒定电流IH，则霍尔传感器6的输出电压UH可表示为
UH＝UH+-UH-＝kIHB (1)
式中，k为霍尔传感器6的霍尔系数，UH+、UH-分别为则霍尔传感器6的正相输出端及反相输出端的电势，IH为通入霍尔传感器6激励电流输入端的恒定电流，B为C形磁环1中产生的圆环状激励磁场的磁感强度。
如图2所示，所述差动放大电路7采用差模输入阻抗大于1MΩ的仪表放大器AD627构成，霍尔传感器6的两个电压输出端分别接至仪表放大器的两个差分输入端，并且AD627的1号和8号脚之间接入增益调整电位器R9，AD627的输出偏置端即5号脚接入由电位器R10＝10kΩ的中心抽头输出的电压Uz，则差动放大电路7的输出电压UF可表示为
UF＝UH×(5+200/R9)+Uz (2)
式中，UF即为闭环磁场控制系统的磁场反馈电压信号，R9为增益调整电位器的阻值，其取值范围为0～50kΩ，用以调整磁场反馈通道的反馈系数，R10中心抽头输出的电压Uz用以抵消霍尔传感器6的零点残余电压，即R9作为磁场反馈系数调整电位器，R10作为磁场反馈零点残余电压消除电位器。
如图2所示，所述恒流源电路8采用主要由电压基准芯片TL431、运算放大器OP07、电流放大三极管9014、反馈电阻R14＝250Ω组成的电流串联型负反馈电路构成，并在正电源端VCC和TL431的输出端之间串联有R11＝2kΩ分压电阻，TL431内部有2.5V基准电压源，并在TL431的输出端和负电源端VSS之间串联有R12＝10kΩ、R13＝10kΩ两个电阻，R12、R13的串联中间点接至TL431的反馈输入端，TL431的反馈系数被设置为0.5，则TL431输出相对于负电源端VSS为5V的恒定电压，电压基准芯片TL431输出的5V恒定电压输入至运算放大器OP07的正相输入端，运算放大器OP07的输出端接至电流放大三极管9014的基极，电流放大三极管9014的集电极接至正电源VCC，电流放大三极管的9014发射极接至霍尔传感器6的激励电流流入端，霍尔传感器6的激励电流流出端接至运算放大器OP07的反相输入端，反馈电阻R14接在运算放大器OP07的反相输入端和负电源端VSS之间，故根据电流串联型负反馈的输入电压和输出电流的稳态关系可知，输入至霍尔传感器6的激励电流为IH＝5V/250Ω＝20mA。
另外，在实施例中采用正负对称双电源VCC与VSS对系统供电，VCC的取值范围为5～12V，VSS的取值范围为-5～-12V。
尽管本发明专利的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明专利的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明专利并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，其特征在于：该磁场发生器主要由C形磁环(1)、激励线圈(2)、零点与幅值调整电路(3)、前向运算放大电路(4)、功率放大电路(5)、霍尔传感器(6)、差动放大电路(7)、恒流源电路(8)组成，其中，激励线圈(2)绕制于C形磁环(1)上，波形输入端接至零点与幅值调整电路(3)的输入端，零点与幅值调整电路(3)的输出端接至前向运算放大电路(4)的正相输入端，前向运算放大电路(4)的输出端接至功率放大电路(5)的输入端，功率放大电路(5)的输出端及系统参考地端分别接至激励线圈(2)的两端，霍尔传感器(6)安装于C形磁环(1)的气隙中，恒流源电路(8)的电流输出端接至霍尔传感器(6)的激励电流输入端，且霍尔传感器(6)的电压输出端接至差动放大电路(7)的差分输入端，差动放大电路(7)的输出端接至前向运算放大电路(4)的反相输入端，各环节连接起来构成一个闭环负反馈磁场控制系统，通过该闭环系统的控制作用使得激励线圈(2)在C形磁环(1)中产生的磁场跟随输入波形的变化，从而产生与输入波形一致的圆环状受控激励磁场。
2.根据权利要求1所述的一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，其特征在于：所述C形磁环(1)为采用相对磁导率大于1000软磁材料制成的开气隙磁环，磁环沿径向开有2mm气隙，所述激励线圈(2)以螺绕环的形式均匀绕制于C形磁环(1)上。
3.根据权利要求1所述的一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，其特征在于：所述零点与幅值调整电路(3)由反相放大器及反相加法器级联组成，且反相放大器及反相加法器均由运算放大器构成，第一级为反相放大器，且增益被设置为1，第二级为反相加法器，反相放大器的输出端接至反相加法器的第一输入端，在正电源和负电源之间接入第一电位器作为零点调整电位器，零点调整电位器的中心抽头接至反相加法器的第二输入端，反相加法器的反馈通道接入第二电位器作为幅值调整电位器。
4.根据权利要求1所述的一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，其特征在于：所述前向运算放大电路(4)采用开环放大倍数大于1×106的集成运算放大器构成，使得整个闭环负反馈磁场控制系统为闭环深度负反馈磁场控制系统。
5.根据权利要求1所述的一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，其特征在于：所述功率放大电路(5)为主要由互补型NPN及PNP功率三极管组成的甲乙类互补对称型功率放大电路，并在两个三极管的基极之间接有同向串联的克服交越失真的二极管，且功率放大电路(5)的输入信号从两个二极管的串联中间点接入，其输出信号从两个互补对称三极管的射极串联中间点接出。
6.根据权利要求1所述的一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，所述霍尔传感器(6)采用TO-92封装的线性霍尔传感器，薄片状的霍尔传感器(6)平行安装于C形磁环(1)的气隙中央。
7.根据权利要求1所述的一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，其特征在于：所述差动放大电路(7)采用差模输入阻抗大于1MΩ的仪表放大器构成，霍尔传感器(6)的两个电压输出端分别接至仪表放大器的两个差分输入端，并在该电路中接有磁场反馈系数调整电位器以及磁场反馈零点残余电压消除电位器。
8.根据权利要求1所述的一种感应式电导率传感器反馈式可控激励磁场发生器，其特征在于：所述恒流源电路(8)采用主要由电压基准芯片、运算放大器、电流放大三极管、反馈电阻组成的电流串联型负反馈电路构成，电压基准芯片输出的恒定电压输入至运算放大器的正相输入端，运算放大器的输出端接至电流放大三极管的基极，电流放大三极管的集电极接至正电源，电流放大三极管的发射极接至霍尔传感器(6)的激励电流流入端，霍尔传感器(6)的激励电流流出端接至运算放大器的反相输入端，反馈电阻接在运算放大器的反相输入端和负电源端之间。
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