1、引言
電容式電磁流量計(jì)是近年來電磁流量計(jì)的研究熱點(diǎn)，由于采用大面積電極，并且電極與被測(cè)流體間有絕緣襯里隔離，從根本上解決了電極表面附著、腐蝕、摩擦等問題，對(duì)電極式電磁流量計(jì)難以測(cè)量的流體類型，如低電導(dǎo)率流體、泥漿混入型流體、附著型流體等，可以很好地完成檢測(cè)，在很大程度上拓展了電磁流量計(jì)的適用范圍，在造紙、制糖、化工、冶煉等行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。電容式電磁流量計(jì)是利用靜電電容來檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的，由大面積電極板與所測(cè)流體通過絕緣襯里組成檢測(cè)電容，其電容值一般為幾十pf，因此要使信號(hào)順利通過，要求激磁頻率比較高，一般為幾百hz，并且隨著流體電導(dǎo)率的下降，信號(hào)內(nèi)阻變得很大，干擾影響加劇，零點(diǎn)穩(wěn)定困難，使準(zhǔn)確檢出流速信號(hào)難度增大。為了提高測(cè)試精度，除了改進(jìn)傳感器和激磁電路，研究信號(hào)的檢出方式，提高信號(hào)檢出能力也是非常重要的。目前應(yīng)用的信號(hào)檢出方式主要有兩種：一是直接檢測(cè)信號(hào)電壓，通過提高前置放大器的輸入電阻，盡量減少信號(hào)電壓的衰減，保證足夠的精度。二是采用“虛地” 技術(shù)，通過檢測(cè)信號(hào)電流，來獲得流速信號(hào)。電容式電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)中，如何準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)出微弱的流速信號(hào)一直是研究的重點(diǎn)。本文對(duì)兩種典型的信號(hào)檢出方法——電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)的基本原理進(jìn)行了比較，分析了它們存在的優(yōu)缺點(diǎn)。
2、電壓檢測(cè)方式
目前國內(nèi)市場(chǎng)上電容式電磁流量計(jì)都是采用電壓檢測(cè)作為信號(hào)檢出方式。為了保證足夠的檢測(cè)精度，除了良好的屏蔽外，主要是要提高前置放大器的輸入電阻，為了達(dá)到足夠高的輸入阻抗，一般需要采用自舉高阻抗輸入電路n，其基本電路如圖1所示：
其基本原理為：通過電容c的正反饋，把電阻r2上的電位抬高(自舉)，使電阻r1的兩端幾乎為等電位狀態(tài)，于是，輸入回路的電流幾乎為零，從而實(shí)現(xiàn)了高的輸入阻抗。其輸入阻抗可近似由式(1)進(jìn)行計(jì)算：ri≈r1+r2+j(t’r1r。c (1)
通過合理選擇參數(shù)，輸入電阻ri可以達(dá)到1012q以上，可以在內(nèi)阻很大的情況下獲得足夠的信號(hào)測(cè)量精度。當(dāng)然這只是一個(gè)基本的電路，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于運(yùn)放的輸入電容的影響不能忽略，還需要在電路上進(jìn)行一些調(diào)整口]。
3、電流檢測(cè)方式
電流檢測(cè)的方法是mchale提出的，激勵(lì)磁場(chǎng)b是一個(gè)三角波信號(hào)，通過測(cè)量與感應(yīng)電勢(shì)變化率成比例的電流信號(hào)，采用“虛地”的方式，前置放大電路相當(dāng)于一個(gè)電流／電壓轉(zhuǎn)換器，合理選擇反饋電阻的阻值，可以獲得很高的轉(zhuǎn)換比，并且通過在線的電容檢測(cè)，保證了檢測(cè)的精度。其基本電路如圖2所示：
其基本原理是：電容式電磁流量計(jì)是通過大面積電極同被測(cè)流體形成的電容來耦合電磁感應(yīng)產(chǎn)生的與流速相關(guān)的感應(yīng)電勢(shì)的，根據(jù)電容的特性，在檢測(cè)電極上存貯的電量：
q—ce (2)
式中：c為電極電容值，e為感應(yīng)電勢(shì)。而感應(yīng)電勢(shì)是與流速v、磁場(chǎng)b及測(cè)量管管徑d成正比的?？杀硎境墒?3)，其中k為比例系數(shù)。
q—kcvbd (3)
因此信號(hào)電流i，可以由q對(duì)時(shí)間的微分得到：
if—dq／dt—kcvd(db／dt) (4)
由于激勵(lì)磁場(chǎng)b是三角波，db／dt和i，都是方波信號(hào)，因此，只要c可以準(zhǔn)確得到，通過檢測(cè)i，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流速的檢測(cè)。由于c值會(huì)隨著流體的溫度、壓力的變化而變化，因此，mehale通過在流體與系統(tǒng)地之間增加一個(gè)比磁場(chǎng)激勵(lì)信號(hào)頻率低一倍的三角波電場(chǎng)激勵(lì)，由于i。=cdvc／dt，在電極上就會(huì)疊加上一個(gè)與電極電容值成比例的電流信號(hào)i。，因此，電極上檢出的電流信號(hào)實(shí)際包含了流速信號(hào)i，和電容信號(hào)i。，兩個(gè)極板上的i，信號(hào)大小相等，方向相反，通過一個(gè)加法器進(jìn)行放大，就可以將i。信號(hào)檢出；而i。信號(hào)是大小相等，方向相同的，信號(hào)放大電路中對(duì)i，采用的是差分放大，信號(hào)中的i。分量會(huì)被當(dāng)作共模信號(hào)去除，不會(huì)影響流速信號(hào)的檢測(cè)，從而通過式(4)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流速的檢測(cè)。
4、比較與討論
綜上分析我們不難看出，兩種信號(hào)檢出方式各有特點(diǎn)，但都沒有完*信號(hào)檢測(cè)問題。
電壓檢出方式可以充分利用成熟的電極式電磁流量計(jì)的檢測(cè)技術(shù)，激磁電路簡單，但高輸入阻抗使電容的泄漏電流影響明顯，檢出信號(hào)的誤差增大。同時(shí)，干擾的影響更為顯著，信噪比snr很低，特別是當(dāng)被測(cè)流體的電導(dǎo)率進(jìn)一步降低時(shí)更加明顯，采取這種信號(hào)檢出方式，其電導(dǎo)率下限大致為0．01／m。
電流檢出采用“虛地”的方式，檢測(cè)電路相當(dāng)于一個(gè)電流／電壓轉(zhuǎn)換器，從根本上消除電容的泄漏電流的影響，對(duì)傳感器、前置放大器的要求降低了，對(duì)被測(cè)流體電導(dǎo)率幾乎沒有限制。但這種方式使激磁電路變得比較復(fù)雜，目前仍限于實(shí)驗(yàn)室研究，還沒有此類的商品型電磁流量計(jì)。