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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)。 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)主要有德國科隆公司、日本橫河電機(jī)和杭州大河科技等幾家公司的產(chǎn)品,它們都是采用電壓檢測(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[1~3],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: 
通過合理選擇參數(shù),輸入電阻Ri可以達(dá)到1012Ω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[3]。
3電流檢測(cè)方式 電流檢測(cè)的方法是McHale提出的[4],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: 
由于激勵(lì)磁場(chǎng)B是三角波,dB/dt和iF都是方波信號(hào),因此,只要C可以準(zhǔn)確得到,通過檢測(cè)iF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,McHale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iC= 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)iC,因此,電極上檢出的電流信號(hào)實(shí)際包含了流速信號(hào)iF和電容信號(hào)iC,兩個(gè)極板上的iF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iC信號(hào)檢出;而iC信號(hào)是大小相等,方向相同的,信號(hào)放大電路中對(duì)iF采用的是差分放大,信號(hào)中的iC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),但都沒有完全解決信號(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(jiǎn)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0.01μS/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[4,5]。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)。 摘自：中國計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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