CN110941895B - 一种验证微分干扰变化的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种验证微分干扰变化的电路，属于电磁测量领域。所述的微分验证模型包括：由类似于“变压器效应”叠加到流量信号上的微分信号，主要由励磁线圈等效电感和测量回路等效电感组成；由测量电极接触电阻、电荷传递电阻、双电层电容组成的等效电极阻抗；双输入通道的差分放大器。选择合适的励磁电流方式、频率和验证模型参数后，依次验证微分干扰与所提出的三种因素对干扰的作用效果，弥补了当前相关微分大小验证研究空白的状况。
Description
技术领域
本发明涉及一种验证电磁流量计中微分干扰变化的电路，属于流量计测量领域。
背景技术
电磁流量计是基于“法拉第电磁感应定律”的流量仪表，由传感器和变送器组成，前者将流体转换成可检测电信号，后者对其进行一系列的处理变成实际的流量。理想情况下电极上感应出的电势与流体流速成正比，但在实际中电极信号掺杂许多干扰如微分干扰、同向干扰、工频干扰、共模干扰、串模干扰、浆液干扰和极化干扰等。为确保流量计测量准确性需抑制上述干扰：常采用交流励磁克服极化；高共模抑制比差分放大器克服共模；励磁频率与工频具有整数倍关系克服工频；良好接地技术和静电屏蔽克服串模；高励磁克服浆液噪声。
消除上述干扰后，电磁流量中主要干扰是微分，采用交流励磁时，励磁线圈等效电感使励磁电流在切换中存在渐变过程，从而磁感应强度处于非稳定状态，变化的磁场穿过由被测流体、测量电极、电极引出线和变送器共同组成的不能与磁力线保持平行的闭合回路，此时，线圈相当于变压器的初级，回路等价于一匝的次级线圈(大小可等效为回路电感)。根据“变压器效应”将有一个尖峰即微分干扰叠加在电极上，影响流量测量。
针对在测量时产生的微分干扰问题进行深入的分析，研究其产生的原因、影响因素是电磁流量计在今后的发展应用中需要解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的是针对电磁流量计中的三种影响微分干扰大小的因素以及它如何随之变化的问题，提出了一种验证微分干扰变化的电路。
为达到上述目的，本发明的构思是：
本发明在原有电极回路模型基础上(OK.Saito,Y.Sakurai,T.Okayama.Study onStabilized Zero-point of Electromagnetic Flow meter Rapid Excitation[J].1994.5(2):829-832)，采用类似于“变压器原理”得到干扰并将它以串联形式接入原模型中构成新的测量结构，充分考虑到励磁线圈等效电感2.1和测量回路电感2.2对干扰的效果。而正电极等效阻抗4、负电极等效阻抗7的值与被测流体性质有关，同样影响微分干扰值。
本发明提供一种验证微分干扰变化的电路，包括正电极电路A、负电极电路B和差分放大器8；其特征在于：正电极电路A和负电极电路B并联后再接入到差分放大器8的两端；正电极电路A包含放大倍数为K1的放大元件1、由类似于“变压器原理”形成的电感元件2、同向加法器3和正电极等效阻抗元件4；负电极电路B包含放大倍数为负K2的放大元件5、类似于“变压器原理”形成的电感元件2、反向加法器6和负电极等效阻抗元件7；工作原理是三值波励磁电流信号经过放大元件1后得到与流体流量信号幅值成正比的正感应电势信号，同时励磁电流信号通过类似“变压器原理”形成的电感元件2后等效于对励磁电流求微分得到微分干扰信号，正感应电势信号和微分干扰信号经过同向加法器3后得到正混合信号，再将正混合信号通过正电极等效阻抗元件4后得正电极电路A的检测信号。同理三值波励磁电流信号经过放大元件5后也得到与流体流量信号幅值成正比的负感应电势信号，且与正电极电路A得到的正感应电势信号大小相等方向相反，同样将负感应电势信号和微分干扰信号经过反向加法器6后得到负混合信号，再将负混合信号通过负电极等效阻抗元件7后得负电极电路B的检测信号。正电极电路A的检测信号、负电极电路B的检测信号分别引入到差分放大器8的正向输入端和反向输入端，在差分放大器8内部做运算最终得出电极检测信号。
本发明中，三值励磁电流VI经过放大倍数为K1的放大元件1后的输出信号VU1是与流体流量成正比的正感应电势信号，VU1与由“变压器原理”引入的微分干扰信号P1经过同向加法器3叠加得正混合信号VE1，VE1再次经过正电极等效阻抗4得到正电极电路A的检测信号VE11。同样，三值励磁电流VI经过放大倍数为负K2的放大元件5后的输出信号VU2也是与流体流量信号幅值成正比的负感应电势信号，且与正电极电路A得到的正感应电势信号VU1大小相等方向相反，VU2与微分干扰信号P1经过反向加法器6叠加得信号VE2，VE2再经负电极等效阻抗7最终得到负电极电路B的检测信号VE22。
本发明提供一种高输入阻抗的差分放大器8，信号VE11和VE22分别接到放大器8的两端，输出结果：VOUT＝A0VE11-VE22，P1与励磁线圈等效电感值2.1、测量回路等效电感值2.2、电极等效阻抗值4和7值有关，干扰值随三者中的值增加而增加，减小而减小。对正电极电路A、负电极电路B进行等效电路分析，根据运算阻抗法求出感应电势信号非零和零时差分放大器8的输出表达式分别为：
根据上述发明构思，本发明应用下述技术方案：
一种验证微分干扰变化的电路包括正电极电路、负电极电路和差分放大器。其特征在于正电极电路和负电极电路并联后再接入到差分放大器的两端；正电极电路由一个放大倍数为K1的放大元件和一个由类似于“变压器原理”形成的电感元件经一个同向加法器连接一个正电极等效阻抗元件构成；负电极电路由一个放大倍数为负K2的放大元件和一个类似于“变压器工作原理”形成的电感元件经一个反向加法器连接一个负电极等效阻抗元件构成；简要工作原理是三值波励磁电流信号经过放大元件后得到与流体流量信号幅值成正比的正感应电势信号，同时励磁电流信号通过类似“变压器原理”形成的电感元件后等效于对励磁电流求微分得到微分干扰信号，正感应电势信号和微分干扰信号经过同向加法器后得到正混合信号，再将正混合信号通过正电极等效阻抗元件后得正电极电路的检测信号；同理三值波励磁电流信号经过放大元件后也得到与流体流量信号幅值成正比的负感应电势信号，且与正电极电路得到的正感应电势信号大小相等方向相反，同样将负感应电势信号和微分干扰信号经过反向加法器后得到负混合信号，再将负混合信号通过负电极等效阻抗元件后得负电极电路的检测信号；正电极电路的检测信号、负电极电路的检测信号分别引入到差分放大器的正向输入端和反向输入端，在差分放大器内部做运算最终得出电极检测信号。
所述类似“变压器原理”形成的电感元件由一个励磁线圈等效电感配合一个测量回路等效电感构成；正电极等效阻抗元件由一个正测量电极接触电阻连接一个电荷传递电阻和一个双电层电容构成；负电极等效阻抗元件由一个负测量电极接触电阻连接一个电荷传递电阻和一个双电层电容构成；差分放大器由具有高输入阻抗元件连接构成。
所述微分干扰大小与励磁线圈等效电感值、测量回路等效电感值、正电极等效阻抗元件值和负电极等效阻抗值有关；具体为微分干扰大小均随三者值的增大而增大，反之亦然。
对正电极电路、负电极电路进行等效电路分析，根据运算阻抗法求出正负感应电势信号非零和零时差分放大器的输出表达式分别为：
所述验证微分干扰变化的电路仅改变励磁线圈等效电感值、测量回路等效电感值、电极等效阻抗元件中的任一值，保持其它取值不变，观察微分干扰大小随励磁线圈等效电感值、测量回路等效电感值、电极等效阻抗值增加而增加，减小而减小的变化情况。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明提供的验证微分干扰变化的电路，微分干扰与正负感应电势信号VU1、VU2无关将其设置为零即此时被测流体处于静止状态，选择合适的初始参数取值，仅改变励磁线圈等效电感值、测量回路等效电感值、电极等效阻抗元件值中的任一值，保持其它取值不变，观察微分大小变化趋势。
附图说明
图1为本发明涉及的微分验证模型的结构框图。
图2为MATLAB仿真实验波形图
图3为仅改变励磁线圈等效电感值2.1时的MATLAB仿真实验波形图
图4为仅改变测量回路等效电感值2.2的MATLAB仿真实验波形图
图5为仅改变电极等效阻抗4和7的值时的MATLAB仿真实验波形图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和优选实施例，对本发明进行进一步详细说明。以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此。
实施例一：
参见图1，本发明验证微分干扰变化的电路包括正电极电路A、负电极电路B和差分放大器8；其特征在于：正电极电路A和负电极电路B并联后再接入到差分放大器8的两端；正电极电路A由一个放大倍数为K1的放大元件1和一个由类似于“变压器原理”形成的电感元件2经一个同向加法器3连接一个正电极等效阻抗元件4构成；负电极电路B由一个放大倍数为负K2的放大元件5和一个类似于“变压器工作原理”形成的电感元件2经一个反向加法器6连接一个负电极等效阻抗元件7构成；简要工作原理是三值波励磁电流信号经过放大元件1后得到与流体流量信号幅值成正比的正感应电势信号，同时励磁电流信号通过类似“变压器原理”形成的电感元件2后等效于对励磁电流求微分得到微分干扰信号，正感应电势信号和微分干扰信号经过同向加法器3后得到正混合信号，再将正混合信号通过正电极等效阻抗元件4后得正电极电路A的检测信号；同理三值波励磁电流信号经过放大元件5后也得到与流体流量信号幅值成正比的负感应电势信号，且与正电极电路A得到的正感应电势信号大小相等方向相反，同样将负感应电势信号和微分干扰信号经过反向加法器6后得到负混合信号，再将负混合信号通过负电极等效阻抗元件7后得负电极电路B的检测信号；正电极电路A的检测信号、负电极电路B的检测信号分别引入到差分放大器8的正向输入端和反向输入端，在差分放大器8内部做运算最终得出电极检测信号。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述类似“变压器原理”形成的电感元件2由一个励磁线圈等效电感2.1配合一个测量回路等效电感2.2构成；正电极等效阻抗元件4由一个正测量电极接触电阻4.1连接一个电荷传递电阻4.2和一个双电层电容4.3构成；负电极等效阻抗元件7由一个负测量电极接触电阻7.1连接一个电荷传递电阻7.2和一个双电层电容7.3构成；差分放大器8由一个具有高输入阻抗的8.1连接一个8.2构成,其放大倍数为8.3。
所述微分干扰大小与励磁线圈等效电感2.1值、测量回路等效电感2.2值、正电极等效阻抗元件4值和负电极等效阻抗7值有关；具体为微分干扰大小均随三者值的增大而增大，反之亦然。
对正电极电路A、负电极电路B进行等效电路分析，根据运算阻抗法求出正负感应电势信号非零和零时差分放大器8的输出表达式分别为：
所述验证微分干扰变化的电路仅改变励磁线圈等效电感2.1值、测量回路等效电感2.2值、电极等效阻抗元件4和7值中的任一值，保持其它取值不变，观察微分干扰大小随励磁线圈等效电感2.1值、测量回路等效电感2.2值、电极等效阻抗4和7的值增加而增加，减小而减小的变化情况。
实施例三：
如图1所示为本发明涉及的干扰验证电路系统结构框图。所描述的验证模型具体实施实例，初始参数设置如下：正电极电路A的放大倍数K1为0.05，负电极电路B的放大倍数K2为-0.05；励磁线圈等效电感值2.1、测量回路等效电感值2.2分别为204mH、0.01mH；输入电阻8.1和8.2均为10M，放大倍数A0为0.5；正电极等效阻抗4中的正测量电极接触电阻4.1为15K，负电极等效阻抗7中的负测量电极接触电阻7.1为14.5K；电荷传递电阻4.2、4.3为50欧姆，双电层电容4.3、7.3为20uF。计算得T1＝0.001、T2＝9.9x10-4。
以频率为25Hz、幅值为0.2A的三值矩形波正值、零值、负值信号作为励磁电流信号VI，励磁电流输入信号VI、差分放大器8的输出信号VOUT与微分信号P1的仿真波形在图2中给出。在一个周期内，当励磁电流信号VI从负零值跳变到正值时，在正上升沿阶段，使得微分干扰信号P1表现为一个正向尖峰。当励磁电流信号VI从正值跳变到正零值时，在正下降沿阶段，微分干扰信号P1表现为一个负向尖峰。当励磁电流信号VI从正零值跳变到负值时，在负上升沿阶段，微分干扰信号P1表现为一个负向尖峰。当励磁电流信号VI从负值跳变到负零值时，在负下降沿阶段，微分干扰信号P1表现为一个正向尖峰。电流稳定段时尖峰消失。
将正电极电路A的放大倍数K1、负电极电路B的放大倍数K2均设为0。第一次验证励磁线圈等效电感值2.1对干扰的作用，仅改变2.1LX的取值，测量回路等效电感值2.2和电极等效阻抗4和7的值不变，图3为部分仿真波形图，可得随着励磁线圈等效电感值2.1值的增大范围：144～268mH，干扰依次呈现增大的趋势。第二次验证测量回路等效电感值2.2对干扰的作用，仅改变2.2L1的取值，保持励磁线圈等效电感值2.1和极等效阻抗4和7的值不变，图4为部分仿真波形图，可得随着测量回路等效电感值2.2值的增大范围：0.01～0.13mH，干扰也依次呈现增大的趋势。第三次验证电极等效阻抗4和7对干扰的作用，仅改变4和7的取值，保持励磁线圈等效电感值2.1和测量回路等效电感值2.2值不变，图5为部分仿真波形图，可得随着电极等效阻抗4和7增大，干扰同样呈现增大的趋势。微分干扰对参数变化时的敏感度为第二次大于第一次和第三次，且第三次小于第一次。
Claims (5)
1.一种验证微分干扰变化的电路：包括正电极电路(A)、负电极电路(B)和差分放大器(8)；其特征在于：正电极电路(A)和负电极电路(B)并联后再接入到差分放大器(8)的两端；正电极电路(A)由一个放大倍数为K1的放大元件(1)和一个“变压器原理”形成的电感元件(2)经一个同向加法器(3)连接一个正电极等效阻抗元件(4)构成；负电极电路(B)由一个放大倍数为负K2的放大元件(5)和一个“变压器工作原理”形成的电感元件(2)经一个反向加法器(6)连接一个负电极等效阻抗元件(7)构成；工作原理是三值波励磁电流信号经过放大倍数为K1的放大元件(1)后得到与流体流量信号幅值成正比的正感应电势信号，同时励磁电流信号通过类似“变压器原理”形成的电感元件(2)后等效于对励磁电流求微分得到微分干扰信号，正感应电势信号和微分干扰信号经过同向加法器(3)后得到正混合信号，再将正混合信号通过正电极等效阻抗元件(4)后得正电极电路(A)的检测信号；同理三值波励磁电流信号经过放大倍数为负K2的放大元件(5)后也得到与流体流量信号幅值成正比的负感应电势信号，且与正电极电路(A)得到的正感应电势信号大小相等方向相反，同样将负感应电势信号和微分干扰信号经过反向加法器(6)后得到负混合信号，再将负混合信号通过负电极等效阻抗元件(7)后得负电极电路(B)的检测信号；正电极电路(A)的检测信号、负电极电路(B)的检测信号分别引入到差分放大器(8)的正向输入端和反向输入端，在差分放大器(8)内部做运算最终得出电极检测信号。
2.根据权利要求1所述验证微分干扰变化的电路，其特征在于：所述类似“变压器原理”形成的电感元件(2)由一个励磁线圈等效电感(2.1)配合一个测量回路等效电感(2.2)构成；正电极等效阻抗元件(4)由一个正测量电极接触电阻(4.1)连接一个第一电荷传递电阻(4.2)和一个第一双电层电容(4.3)构成；负电极等效阻抗元件(7)由一个负测量电极接触电阻(7.1)连接一个第二电荷传递电阻(7.2)和一个第二双电层电容(7.3)构成；差分放大器(8)由一个具有高输入阻抗的(8.1)连接一个(8.2)构成,其放大倍数为(8.3)。
3.根据权利要求2所述验证微分干扰变化的电路，其特征在于：所述微分干扰信号大小与励磁线圈等效电感(2.1)值、测量回路等效电感(2.2)值、正电极等效阻抗元件(4)值和负电极等效阻抗元件(7)值有关；具体为微分干扰大小均随三者值的增大而增大，反之亦然。
4.根据权利要求1所述验证微分干扰变化的电路，其特征在于：对正电极电路(A)、负电极电路(B)进行等效电路分析，根据运算阻抗法求出正负感应电势信号非零和零时差分放大器(8)的输出表达式分别为：
其中：RT1、RT2为正负测量电极接触电阻；RS1、RS2为电荷传递电阻；C1、C2为双电层电容；R1、R2为差分放大器输入电阻；A0为差分放大器放大倍数；VU1、VU2为正负感应电势信号；P1为微分干扰信号；VE1、VE2为正负混合信号；LX为励磁线圈等效电感(2.1)；L1为测量回路等效电感(2.2)；T1、T2为时间常数；VOUT为感应电势信号非零时差分放大器(8)的输出信号；VOUT0为感应电势信号非零即只有微分干扰信号时差分放大器(8)的输出信号。
5.根据权利要求1、2、3、4中任意一项所述验证微分干扰变化的电路，其特征在于：仅改变励磁线圈等效电感(2.1)值、测量回路等效电感(2.2)值、正电极等效阻抗元件(4)和负电极等效阻抗元件(7)值中的任一值，保持其它取值不变，观察微分干扰大小随励磁线圈等效电感(2.1)值、测量回路等效电感(2.2)值、正电极等效阻抗元件(4)和负电极等效阻抗元件(7)值的增加而增加，减小而减小的变化情况。
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| GR01 | Patent grant | ||
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