電磁流量計傳感器的空管狀態(tài)指管道未被液體充滿，導(dǎo)致電極部分或全部裸露于空氣中，該狀態(tài)下儀表示數(shù)不規(guī)則，無法正確顯示流量值［1］。
　　現(xiàn)階段電磁流量計實現(xiàn)對空管狀態(tài)的檢測，主要有增加電極、參數(shù)提取和附加激勵三種方法［2－3］。增加電極的方法需對管道進(jìn)行改造，在實際使用中可行性不高；參數(shù)提取通過測量疊加于流量信號上的微分干擾和工頻干擾兩種信號，實現(xiàn)對管道的狀態(tài)判斷。由于干擾信號幅值受工況環(huán)境影響大，該方法適用范圍較��；附加激勵源的方法又分為電壓源和電流源兩類，電壓源輸出阻抗小，并聯(lián)于電極回路，使儀表放大器輸入阻抗減小，影響流量信號。電流源輸出阻抗高，對流量信號的影響可忽略，但電流源輸出電流值不應(yīng)過大，且電流方向應(yīng)可以改變以避免電極極化引起的零點漂移問題［4］。
　　為了實現(xiàn)對傳感器空管狀態(tài)更準(zhǔn)確、可靠的報警功能，一種電流源激勵形式的電磁流量計空管檢測模塊。
1電流源附加激勵下傳感器電極回路模型
　　圖1為電流源附加激勵下的傳感器電極回路模型圖，E為磁場作用下表征流速信號的感應(yīng)電動勢，RL為測量電極對地等效電阻，Ri為儀表放大器的輸入電阻，Ie為電流源。

　　電流源模塊與傳感器電極回路并聯(lián)，由電流源輸出阻抗無窮大特性可知，電流源模塊不對流量信號大小產(chǎn)生影響�？紤]實際使用情況下，不同流體類型的流體阻抗大小不一，對于低電導(dǎo)率類型流體，其流體阻抗大，為避免采樣電勢信號飽和，電流源輸出值應(yīng)根據(jù)流體類型大小可調(diào)，且輸出電流大小在微安級。另外，為了避免電極長時間受同一方向電流影響而產(chǎn)生電極極化反應(yīng)，導(dǎo)致儀表零點漂移影響儀表精度，電流源流向需可控。
　　綜上所述，為實現(xiàn)電流源附加激勵形式的空管檢測模塊能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)空管報警功能，電流源需滿足如下三點約束條件：微弱電流值恒流、電流方向可控、電流值可控。
2空管檢測模塊系統(tǒng)框架

　　如圖2所示，空管檢測模塊系統(tǒng)由精密電流源、電流控制電路、阻抗測量模塊三部分組成。其中，精密電流源輸出恒定電流；電流控制電路實現(xiàn)對電流源輸出電流大小和方向控制；阻抗測量模塊對電極電勢進(jìn)行采樣與電勢調(diào)整，后送入微處理器進(jìn)行空管判斷。下面分別對三部分電路設(shè)計進(jìn)行介紹。
2．1精密電流源電路設(shè)計
　　電流源并聯(lián)于傳感器電極回路，為了不影響流量信號采集，電流源內(nèi)阻應(yīng)為高阻抗。如圖3，Vi1、Vi2為輸入電壓，VL為負(fù)載端電壓，io為電流源輸出，A1、A2為運算放大器。

　　令isc為負(fù)載短路電流，Ro為恒流源等效內(nèi)阻大小。由諾頓定理，求負(fù)載短路下電路的短路電流［5］：

　　由上述推導(dǎo)可知，電流源輸出阻抗無窮大，輸出電流大小僅由輸入電壓Vi1、Vi2和輸出電阻R決定，滿足空管檢測模塊設(shè)計要求。電路的不足在于，運算放大器輸入端易受外部信號干擾，故采用三運算放大器結(jié)構(gòu)替代差分放大結(jié)構(gòu)。在實際設(shè)計電路時，使用儀表放大器INA118替代圖3中運算放大器A1，儀表放大器INA118優(yōu)點在于：
1）共模抑制比，輸入阻抗高達(dá)1010Ω；
2）低輸入偏置電流，最大值為10nA；
3）內(nèi)部精密電阻R1＝R2＝R3＝R4＝60kΩ；
4）較寬的增益調(diào)節(jié)范圍，為1～10000。
　　反饋運放A2使用低輸入偏置電流運算放大器，使流入運放A2的損失電流可忽略不計。根據(jù)電路知識，使用儀表放大器INA118和運放OPA602后電路輸出電流值：

　　RG為增益電阻，改變RG大小即可設(shè)定電流源輸出電流值。電流源輸出電流方向由兩輸入端決定，當(dāng)Vi1－Vi2＞0時，輸出電流流入負(fù)載；當(dāng)Vi1－Vi2＜0時，電流從負(fù)載流入儀表放大器。
2．2電流控制電路
　　電流控制電路主要用于設(shè)定電流源輸出電流值大小以及電流方向切換頻率。為匹配不同類型的傳感器，電路應(yīng)具有電流值大小調(diào)整能力。該功能使用D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5625實現(xiàn)，其特點如下：
1）雙通道、低功耗、8位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，軌對軌輸出
2）可采用多種通訊接口，如SPI、TMS320。在D/A芯片后增加模擬開關(guān)以保證電流源能夠按微處理器設(shè)置頻率進(jìn)行開關(guān)控制，電流控制電路如圖4所示。

　　D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5625采用SPI通訊方式，MCU＿DIN為數(shù)據(jù)信號，MCU＿SCLK為時鐘信號，MCU＿CS為片選信號。芯片輸出電壓：

　　其中，電壓基準(zhǔn)Vref＝2．048V，由基準(zhǔn)芯片提供，code為微處理器控制的電壓值大小，范圍為0～255。此電路輸出電壓范圍Vout：0～4．096V。
2．3阻抗測量模塊
　　最后介紹阻抗測量模塊電路。由電流源將電流輸出至負(fù)載（傳感器兩電極）端，并對電極端電勢信號進(jìn)行采集。該電勢信號采集由微處理器A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)，輸入電壓范圍為0V～3．3V，因此需對電極端電勢信號做電壓轉(zhuǎn)換以滿足微處理器A/D模塊的輸入電壓范圍，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

　　如圖5所示，傳感器電極端電勢用Vin表示。在此信號被送至微處理器A/D模塊之前，對電壓值進(jìn)行調(diào)整�？紤]傳感器空管時，電極端電勢兩種飽和狀態(tài)，Vin變化范圍－6V～＋6V。為了避免模塊輸出端電壓值超過微處理器最大輸入范圍，令此電路滿足公式：

1）當(dāng)電流為流入電極方向，若管道飽和，Vin≈6V，VMCU＿AD≈0V。
2）當(dāng)電流為流出電極方向，若管道飽和，Vin≈－6V，VMCU＿AD≈3V。按公式（15）進(jìn)行電壓匹配，可以確保無論電流方向正負(fù)，管道空管時信號飽和的情況下，輸入微處理器的電勢信號不超過其閾值。下面對電路阻值進(jìn)行計算，電路總輸出電勢為：

　　由負(fù)載端電壓和負(fù)載電流值，可以得電極對地等效阻抗值RL，將RL與保存于微處理器中空管報警判斷的閾值進(jìn)行比較，即實現(xiàn)對傳感器管道情況判斷。
3結(jié)束語
　　相比于現(xiàn)有方法，電磁流量計使用電流源形式的附加激勵模塊，受傳感器負(fù)載類型影響小，有更廣的適用范圍和更高的可靠性。

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