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 李澤松1,2,3  左富強(qiáng)1  王欣欣1  姚  靈1

 （寧波水表股份有限公司1，浙江寧波315033：

 寧波市計(jì)量測試研究院2，浙江寧波315048；浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院3，浙江杭州310027）

摘要：針對目前因恒流源勵(lì)磁方法功耗過大而無法滿足電磁水表微功耗要求的問題，提出了基于剩磁原理的微功耗脈沖勵(lì)磁方法。通過對電磁流量傳感器磁場的工作方式進(jìn)行分析，選擇具有高剩磁、低矯頑力的矩形磁滯材料制作磁路，采用雙向窄脈沖電壓為勵(lì)磁線圈供電，使磁場穩(wěn)定反轉(zhuǎn)。根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)了脈沖勵(lì)磁磁路和雙向脈沖發(fā)生電路，并進(jìn)行試驗(yàn)測試。測試結(jié)果表明，相對于恒流勵(lì)磁方法，基于剩磁原理的脈沖勵(lì)磁方法可以大幅度降低勵(lì)磁功耗，并且得到穩(wěn)定的工作磁場，有利于提高電磁水表的使用壽命和流量信號的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電磁水表流量計(jì)微功耗脈沖勵(lì)磁矩形磁滯材料剩磁矯頑力磁路

中圖分類號：TH814；TP2  DOI:10. 16086/j．cnki．issn  1000 - 0380. 201606022

0引言

 電磁水表作為一種功能強(qiáng)大的智能水表，相對于傳統(tǒng)機(jī)械式水表而言，具有測量精度高、響應(yīng)速度快、壓力損失小等優(yōu)勢；且由于其內(nèi)部沒有運(yùn)動(dòng)部件，基表的使用壽命長，因此具有很好的應(yīng)用前景。目前，具有相同工作原理的電磁流量計(jì)已普遍應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，但電磁水表并未得到普及，甚至市場上都很少見到相關(guān)產(chǎn)品。這主要是由于電磁水表無法像電磁流量計(jì)那樣方便地從市電網(wǎng)絡(luò)獲取工作能源，而最可行的電池供電方式限制了其使用壽命。

 為了避免測量電極由于電荷積累產(chǎn)生過大的極化電勢，電磁流量傳感器需采用具有一定頻率的交變磁場，使累積電荷在反向磁場的作用下充分釋放。因此，在工作中須對磁路雙向勵(lì)磁，以改變磁場方向。磁路須采用軟磁材料，為維持工作磁場，在工作期間須保持恒定的勵(lì)磁電流。這使得電磁流量傳感器的能量主要消耗在為勵(lì)磁電路提供工作磁場上，因此很難降低功耗，從而嚴(yán)重制約了電池使用壽命。

 本文從磁性材料磁滯特性分析出發(fā)，利用矩磁材料的本構(gòu)特征，研究基于剩磁原理的微功耗脈沖勵(lì)磁方法，從根本上改變持續(xù)電流勵(lì)磁模式，大幅降低電磁流量傳感器的功耗、延長電池使用壽命，以解決制約電磁水表發(fā)展的技術(shù)難題。

1  基于剩磁原理的脈沖勵(lì)磁方法機(jī)理

 為增強(qiáng)工作磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，電磁流量傳感器通常采用軟磁材料制作磁路元件，勵(lì)磁線圈從恒流源獲得持續(xù)的勵(lì)磁電流，使磁路間隙中產(chǎn)生與電流成正比的磁通。這在一般的電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)中具有明顯的優(yōu)勢，既可以節(jié)省設(shè)計(jì)成本，又便于簡化工藝流程、提高生產(chǎn)效率，而且可以通過計(jì)算磁路的銅損和鐵損來補(bǔ)償其產(chǎn)生的設(shè)計(jì)誤差，獲得較好的效果。

 對于采用電池供電的電磁水表而言，節(jié)省功耗是首要問題。為降低水表工作的整體功耗，大多數(shù)研究者采用分段恒流勵(lì)磁的方法。該方法可以在一定程度上起到節(jié)能的效果，但由于無法實(shí)現(xiàn)微功耗，不能解決根本問題。由于勵(lì)磁功耗主要由持續(xù)的勵(lì)磁電流引起，因此，必須盡量縮短勵(lì)磁時(shí)間，以降低功耗。

 考慮到電磁流量傳感器工作磁場為交變矩形波形這一特點(diǎn)，選擇矩磁材料制作磁路元件。矩磁材料屬于特殊的軟磁材料，既有軟磁材料矯頑力小的特點(diǎn)，又具有很高的剩磁。其矩形比Br／Bs一般大于0.8，磁滯回線如圖1所示。

 由圖1可知：矩磁材料磁滯回線外形與硬磁材料近似，但由于矯頑力H c很小，因此只需很小的磁動(dòng)勢，便可實(shí)現(xiàn)磁場方向的反轉(zhuǎn)；且由于矩形比高，剩磁密度日，與飽和磁通密度Bs相差很小，勵(lì)磁信號消失后，磁路中可保持與飽和磁通很接近且穩(wěn)定的剩磁通。

 此外，從圖1所示的磁滯回線中可看出，當(dāng)勵(lì)磁磁場從零增加到矯頑力H c時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度從-B，變?yōu)?Br，或反向變化。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B在0～H。的范圍內(nèi)緩變，當(dāng)磁場強(qiáng)度H<H c時(shí)，B幾乎不變；但在H c附近產(chǎn)生驟變，H稍大于H c便發(fā)生方向反轉(zhuǎn)，從-Br變?yōu)?Br。當(dāng)磁場強(qiáng)度從H c減小到0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)保持方向反轉(zhuǎn)后的大小，直到下一次反向的H c出現(xiàn)。由此可見，在連續(xù)的磁場強(qiáng)度變化過程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度日的變化屬于開關(guān)式，在-Br和+Br這兩個(gè)狀態(tài)之間切換。結(jié)合電磁流量傳感器的要求可以看出，矩磁材料的磁特性能大大提高工作磁場的性能。首先，可以避免采用恒流源持續(xù)供電的勵(lì)磁方式，大大降低勵(lì)磁功耗；其次，可以提高工作磁場的穩(wěn)定性，減小由于勵(lì)磁電流波動(dòng)引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化。

2  脈沖電壓勵(lì)磁過程分析

 通過上述分析可知，采用矩磁材料制作電磁流量傳感器磁路，主要是利用其剩磁高、矯頑力小的特點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)，在勵(lì)磁電路設(shè)計(jì)中不僅可將持續(xù)電流勵(lì)磁模式改為脈沖勵(lì)磁模式，還可采用直接電壓源供電，避免恒流源轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，從而進(jìn)一步降低功耗。

 圖2為脈沖勵(lì)磁磁路與電路模型。在勵(lì)磁線圈兩端輸入勵(lì)磁電壓u，在線圈中將產(chǎn)生相應(yīng)的勵(lì)磁電流i對磁場進(jìn)行激勵(lì)，磁動(dòng)勢為勵(lì)磁電流與線圈匝數(shù)的乘積N。與恒流源勵(lì)磁方式不同，脈沖勵(lì)磁電路要考慮與磁場變化相對應(yīng)的電流建立過程。因此，對圖2(a)所示的等效電路瞬態(tài)變化進(jìn)行分析，以便掌握勵(lì)磁脈沖與磁場的對應(yīng)關(guān)系。

 式(3)可與圖1中的磁滯回線對應(yīng)，當(dāng)H<H c時(shí)，B隨H的變化非常小，線圈近似于空心螺線管，相應(yīng)的電感L以及對電流的抑制作用均很小；日接近H c，B發(fā)生突變，L值及對電流的抑制均很大。因此，圖2(b)所示的等效電路可分三個(gè)階段：電流上升階段、磁場反轉(zhuǎn)

階段和電流消失階段。在電流上升階段，在線圈兩端施加電壓u，使線圈電感變小，電流快速上升，但磁感應(yīng)強(qiáng)度變化小；在磁場反轉(zhuǎn)階段，由于電感很大，電流上升緩慢，很小的電流變化便可使磁場發(fā)生方向反轉(zhuǎn)；在電流消失階段，勵(lì)磁電壓u完成磁場的反轉(zhuǎn)后結(jié)束，由于電感的作用，電線圈中電流不會(huì)馬上消失，而是從最大值衰減至0，同時(shí)磁路中的磁通也從最大值向穩(wěn)定的剩磁過渡。結(jié)合式(3)和圖1可以看出，電感值在電流上升階段和電流消失階段均很低，線圈中電流會(huì)快速上升或衰減；在磁場反轉(zhuǎn)階段電感值很大，線圈中電流變化很小，但磁場變化很大。

 在電流上升階段開始時(shí)，磁路中磁場穩(wěn)定，線圈中沒有電流。在這一初始狀態(tài)下給線圈兩端施加電壓u，圖2(b)所示的電路瞬態(tài)過程即為零狀態(tài)響應(yīng)。根據(jù)電路原理，零狀態(tài)響應(yīng)時(shí)，線圈中電流為：

 在磁場反轉(zhuǎn)階段開始時(shí)，線圈兩端無電壓輸入，但存在電流消失階段結(jié)束時(shí)的電流I0，電路處于零輸入狀態(tài)，線圈中的電流為：

速衰減至0，磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度從Bs過渡到Br。磁場反轉(zhuǎn)階段結(jié)束后，電路處于斷路、磁路處于穩(wěn)定狀態(tài)，為測量管路提供了工作磁場Br。在下一個(gè)反向脈沖到來時(shí)，電路和磁路重復(fù)上述過程，只是方向發(fā)生改變。

 圖3為電壓、電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度三者的時(shí)間序列對應(yīng)關(guān)系。從圖3中可以看出，采用矩磁材料制作的磁路可以通過脈沖勵(lì)磁電壓對磁路進(jìn)行激勵(lì)，在很短的時(shí)間內(nèi)完成磁場的反轉(zhuǎn)，并獲得穩(wěn)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電磁流量傳感器的磁路變換頻率很低，一般為工頻的1/4、1/8甚至更低，因此采用脈沖勵(lì)磁可以在很小的占空比下工作，從而大幅降低勵(lì)磁功耗。

3試驗(yàn)測試與分析

 采用如圖4所示的H橋電路，可提供勵(lì)磁系統(tǒng)所需的電壓脈沖序列。在每半個(gè)周期分別向S3、S4這2個(gè)MOSFET的柵極輸入控制脈沖，實(shí)現(xiàn)橋式電路的脈沖電壓輸出，為線圈提供如圖3(a)所示的脈沖序列。

 為驗(yàn)證本文方法的可行性，采用1J83矩磁合金材料制作磁路，配合圖4中的脈沖電路及相應(yīng)線圈，采用霍爾元件及后續(xù)信號放大電路對產(chǎn)生的磁場進(jìn)行測量。

 測量結(jié)果表明，采用330 μs脈寬的脈沖電壓對磁路進(jìn)行激勵(lì)，可使磁場方向在脈沖發(fā)生時(shí)正常翻轉(zhuǎn)，并且保持相鄰兩脈沖之間具有足夠移強(qiáng)度的穩(wěn)定磁場；而勵(lì)磁功耗只發(fā)生在330μs內(nèi)，功耗極低。表1為現(xiàn)有三值波勵(lì)磁方法與本文基于剩磁原理的脈沖勵(lì)磁方法的參數(shù)對比，可知脈沖勵(lì)磁方法在微功耗方面的優(yōu)勢明顯。

4結(jié)束語

 電磁流量傳感器勵(lì)磁功耗問題是影響其應(yīng)用的瓶頸之一，傳統(tǒng)的勵(lì)磁方法難以解決根本問題。本文研究的基于剩磁原理微功耗脈沖勵(lì)磁方法，突破傳統(tǒng)軟磁材料恒流源勵(lì)磁方法的思路，以矩磁材料為基礎(chǔ)，利用其剩磁高、矯頑力小的特點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)生雙向窄脈沖的H橋轉(zhuǎn)換電路，不僅大幅降低勵(lì)磁系統(tǒng)的功耗，且獲得的磁場更穩(wěn)定，有利于提高流量信號測量的準(zhǔn)確性。