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摘要：本文在分析和比较已有极化控制方法的基础上，提出了动态反馈极化控制方法，并对该方法进行了详细的论述与推导。基于设计的传感器和信号处理方法，完成了整个恒磁式电磁流量计系统的设计（包括硬件部分和软件部分）。在该系统中，极化电压被控制在某一个恒定的数值，反应流体流量的感应电动势就能稳定、准确的测量出来。
关键词：磁钢励磁；极化；动态反馈；电磁流量计
【中图分类号】O441
恒磁式电磁流量计设计过程中的主要问题就是金属测量电极的极化问题。电磁流量计励磁技术随着电磁流量计的发展，其励磁技术主要包括低频励磁、双频励磁和直流励磁三种方式。就恒磁式电磁流量计目前的研究而言，主要难点集中体现在以下几点：一是极化电压与电极材料、液体性质有关，且影响感应电动势；二是直流极化电压随机性大，且远远大于反应流速的感应电动势；三是实际测量过程中，两电极上叠加了一系列的干扰信号；四是尽管磁感应强度增大了很多，但与极化电压相比，反应流速的感应电动势仍然非常微弱。
以上众多问题使得从一个较大的无规律随机变化的极化电压中提取出有用
的微弱感应电动势十分困难，也是目前电磁流量计研究的难点之一。本文针对磁钢励磁的特点，试探性地從极化电压的角度出发，在参考和借鉴电极结构、极化现象产生机理和双电层理论[3]的基础上，提出了一种动态跟踪极化电压并反馈控制的方法来有效地抑制极化电压，从而提取出反应流体流速的感应电动势。
一、动态反馈控制极化方法
动态反馈极化控制方法，即采用对每个电极进行周期性的测量时段与控制时段相交替的工作方式，使每个周期内控制时段的电极电势总值等于负的测量时段的电极电势总值，从而有效地消除电极信号中的极化电压，把极化电压控制在某一稳定的值，并可直接从两个电极电势信号的差值得出反映流体流速的感应电动势值。从而使永磁式电磁流量计应用于一般导电性液体流量的测量成为可能，并可充分发挥恒磁式电磁流量计的高动态响应和低功耗的特点。其系统结构原理框图如图1（a）．
（a） （b）
图1 动态反馈极化控制方法的系统结构原理框图
上述动态反馈极化控制方法中，采用反馈控制方法使控制时段的电极电势值等于负的测量时段的电极电势值，调整测量时段和控制时段的时间间隔，使测量时段和控制时段的电极电势值和时间的乘积相等，主观上认为可以完全抑制电极上的极化电压。但是，由于对极化电压的原理还不是十分了解，无法确定极化电压和反馈电压是否完全等效，因而无法确定极化是否可以完全控制住。本文在对动态反馈极化控制方法进行了相关的实验与研究的基础上，对上述的动态反馈极化控制方法进行了改进。改进后的动态反馈极化控制方法的系统结构原理框图如图1（b）所示。
在改进后的系统中，极化电压是直流信号，其变化相对缓慢，变化频率与模拟开关的控制频率以及控制-测量的频率相比小得多。而感应电动势是由于微观粒子在洛仑兹力的作用下发生偏转而产生的，微观粒子的偏转速度极快，当流体在管道流动时，感应电动势能在瞬间就建立起来。感应电动势的产生速度远远大于模拟开关的控制频率。
因此，上述负反馈控制．测量时序对宏观上的极化电压有抑制作用，而对由微观粒子的偏转产生的感应电动势并没有影响。所以，在连续控制-测量时序的作用下，极化电压完全可以控制到某一个恒定值。而在测量时段，模拟开关断开，电极上无反馈电压信号，并且极化电压还来不及变化，因此在控制极化电压的前提下，采集电极上反映流体流量的感应电动势信号。
二、硬件电路的总体设计
系统硬件电路的设计主要包括信号调理、A/D 转换、LCD 显示、极化控制电路及单片机相关的外围电路等部分。
整个系统包含模拟和数字两大部分，模拟部分的作用是把微弱的流量信号放大，将差动的双端流量信号变换为单端的流量信号，即完成流量信号的检测并将有效信号放大。A/D转换电路完成将检测出来的流量信号线性转换为数字信号的功能。微处理器C8051F410完成整个系统的控制功能及信号处理功能，使得测量输出更加稳定、可靠、精度更高，增强了测量的稳定性和可靠性。经CPU进行数值处理后的信号，通过RS-232串口发送到上位机进行进一步的分析处理。
其中，传感器信号采集和转换器电路的核心和难点在于将极化电压控制到某一重复稳定的值，并提取出微弱的感应电动势，并将其调整到后续电路可处理的适当范围。由于采用动态跟踪反馈控制的思想，转换器电路由单片机进行控制。单片机相关的外围电路主要包括时钟电路、复位电路、按键和RS-232串口电路等部分。
三、软件总体设计
本系统的软件部分侧重于时序控制、对极化电压和感应电动势的数字运算和处理，最终用液晶准确显示测量流速，或者通过RS-232串口发送到上位机进行分析、处理。
为了提高程序的可读性，系统的软件设计采用了结构化和模块化的设计思想，整个系统程序包括主程序模块、初始化子程序、定时器中断子程序和A/D中断子程序等组成。
主程序是整个软件的核心和框架，它主要包括以下功能：单片机及外设初始化（看门狗定时器设置，I/O口设置、LCD初始化和 I2C总线时序初始化）、A/D 转换及I2C通信，数据处理，按键查询及液晶显示。
四、定性测量
为了检验动态反馈极化控制方法对极化电压的控制能力，包括控制的稳定性以及稳定后极化电压的准确性（和设定值相比），在硬件和软件系统都调试通过的基础上，对该恒磁式电磁流量计系统进行了定性的实验，其实验结果见图2.
图2 单电极上极化电压和模拟开关控制波形图
从上图不难看出，当信号端的极化电压发生变化时，经过一段时间的调整，输出端的极化电压稳定值都是预先设定值（1.8V），纹波的峰-峰值仅为40mV，折合到信号端的变化量仅为50?V，比反映流量的感应电动势小一个数量级以上，完全可以忽略不计，对极化电压的控制达到了预期的效果。信号的初始零点稳定在1.8V，而且随着时间的推移，初始零点始终稳定在1.8V不变。由此可见，仪表的初始零点稳定性良好。
参考文献：
[1] 蔡武昌，马中元，瞿国芳，王松良.电磁流量计[M].北京：中国石化出版社，2004.3.
[2] 胡婷，梁原华.电磁流量计几种激磁方式的分析[J].哈尔滨理工大学学报，2001，6（2）： 104-106.
[3] 李斌，曹金亮，詹鹏飞. 电磁流量计信号转换器的校验器[P]. 中国专利申请号 ：200510025258.
作者简介：刘国庆（1991.07—），男，山东胶南市人，曲阜师范大学电气信息与自动化学院测控技术与仪器专业本科生
关键词：磁钢励磁；极化；动态反馈；电磁流量计
【中图分类号】O441
恒磁式电磁流量计设计过程中的主要问题就是金属测量电极的极化问题。电磁流量计励磁技术随着电磁流量计的发展，其励磁技术主要包括低频励磁、双频励磁和直流励磁三种方式。就恒磁式电磁流量计目前的研究而言，主要难点集中体现在以下几点：一是极化电压与电极材料、液体性质有关，且影响感应电动势；二是直流极化电压随机性大，且远远大于反应流速的感应电动势；三是实际测量过程中，两电极上叠加了一系列的干扰信号；四是尽管磁感应强度增大了很多，但与极化电压相比，反应流速的感应电动势仍然非常微弱。
以上众多问题使得从一个较大的无规律随机变化的极化电压中提取出有用
的微弱感应电动势十分困难，也是目前电磁流量计研究的难点之一。本文针对磁钢励磁的特点，试探性地從极化电压的角度出发，在参考和借鉴电极结构、极化现象产生机理和双电层理论[3]的基础上，提出了一种动态跟踪极化电压并反馈控制的方法来有效地抑制极化电压，从而提取出反应流体流速的感应电动势。
一、动态反馈控制极化方法
动态反馈极化控制方法，即采用对每个电极进行周期性的测量时段与控制时段相交替的工作方式，使每个周期内控制时段的电极电势总值等于负的测量时段的电极电势总值，从而有效地消除电极信号中的极化电压，把极化电压控制在某一稳定的值，并可直接从两个电极电势信号的差值得出反映流体流速的感应电动势值。从而使永磁式电磁流量计应用于一般导电性液体流量的测量成为可能，并可充分发挥恒磁式电磁流量计的高动态响应和低功耗的特点。其系统结构原理框图如图1（a）．
（a） （b）
图1 动态反馈极化控制方法的系统结构原理框图
上述动态反馈极化控制方法中，采用反馈控制方法使控制时段的电极电势值等于负的测量时段的电极电势值，调整测量时段和控制时段的时间间隔，使测量时段和控制时段的电极电势值和时间的乘积相等，主观上认为可以完全抑制电极上的极化电压。但是，由于对极化电压的原理还不是十分了解，无法确定极化电压和反馈电压是否完全等效，因而无法确定极化是否可以完全控制住。本文在对动态反馈极化控制方法进行了相关的实验与研究的基础上，对上述的动态反馈极化控制方法进行了改进。改进后的动态反馈极化控制方法的系统结构原理框图如图1（b）所示。
在改进后的系统中，极化电压是直流信号，其变化相对缓慢，变化频率与模拟开关的控制频率以及控制-测量的频率相比小得多。而感应电动势是由于微观粒子在洛仑兹力的作用下发生偏转而产生的，微观粒子的偏转速度极快，当流体在管道流动时，感应电动势能在瞬间就建立起来。感应电动势的产生速度远远大于模拟开关的控制频率。
因此，上述负反馈控制．测量时序对宏观上的极化电压有抑制作用，而对由微观粒子的偏转产生的感应电动势并没有影响。所以，在连续控制-测量时序的作用下，极化电压完全可以控制到某一个恒定值。而在测量时段，模拟开关断开，电极上无反馈电压信号，并且极化电压还来不及变化，因此在控制极化电压的前提下，采集电极上反映流体流量的感应电动势信号。
二、硬件电路的总体设计
系统硬件电路的设计主要包括信号调理、A/D 转换、LCD 显示、极化控制电路及单片机相关的外围电路等部分。
整个系统包含模拟和数字两大部分，模拟部分的作用是把微弱的流量信号放大，将差动的双端流量信号变换为单端的流量信号，即完成流量信号的检测并将有效信号放大。A/D转换电路完成将检测出来的流量信号线性转换为数字信号的功能。微处理器C8051F410完成整个系统的控制功能及信号处理功能，使得测量输出更加稳定、可靠、精度更高，增强了测量的稳定性和可靠性。经CPU进行数值处理后的信号，通过RS-232串口发送到上位机进行进一步的分析处理。
其中，传感器信号采集和转换器电路的核心和难点在于将极化电压控制到某一重复稳定的值，并提取出微弱的感应电动势，并将其调整到后续电路可处理的适当范围。由于采用动态跟踪反馈控制的思想，转换器电路由单片机进行控制。单片机相关的外围电路主要包括时钟电路、复位电路、按键和RS-232串口电路等部分。
三、软件总体设计
本系统的软件部分侧重于时序控制、对极化电压和感应电动势的数字运算和处理，最终用液晶准确显示测量流速，或者通过RS-232串口发送到上位机进行分析、处理。
为了提高程序的可读性，系统的软件设计采用了结构化和模块化的设计思想，整个系统程序包括主程序模块、初始化子程序、定时器中断子程序和A/D中断子程序等组成。
主程序是整个软件的核心和框架，它主要包括以下功能：单片机及外设初始化（看门狗定时器设置，I/O口设置、LCD初始化和 I2C总线时序初始化）、A/D 转换及I2C通信，数据处理，按键查询及液晶显示。
四、定性测量
为了检验动态反馈极化控制方法对极化电压的控制能力，包括控制的稳定性以及稳定后极化电压的准确性（和设定值相比），在硬件和软件系统都调试通过的基础上，对该恒磁式电磁流量计系统进行了定性的实验，其实验结果见图2.
图2 单电极上极化电压和模拟开关控制波形图
从上图不难看出，当信号端的极化电压发生变化时，经过一段时间的调整，输出端的极化电压稳定值都是预先设定值（1.8V），纹波的峰-峰值仅为40mV，折合到信号端的变化量仅为50?V，比反映流量的感应电动势小一个数量级以上，完全可以忽略不计，对极化电压的控制达到了预期的效果。信号的初始零点稳定在1.8V，而且随着时间的推移，初始零点始终稳定在1.8V不变。由此可见，仪表的初始零点稳定性良好。
参考文献：
[1] 蔡武昌，马中元，瞿国芳，王松良.电磁流量计[M].北京：中国石化出版社，2004.3.
[2] 胡婷，梁原华.电磁流量计几种激磁方式的分析[J].哈尔滨理工大学学报，2001，6（2）： 104-106.
[3] 李斌，曹金亮，詹鹏飞. 电磁流量计信号转换器的校验器[P]. 中国专利申请号 ：200510025258.
作者简介：刘国庆（1991.07—），男，山东胶南市人，曲阜师范大学电气信息与自动化学院测控技术与仪器专业本科生