ResearchontheMagnetizingMethodwithSharpPulsesandMicro-PowerConsumptionBasedonMagneticRemanence-基于剩磁原理的微功耗脈沖勵(lì)磁方法研究.docx

基于剩磁原理的微功耗脈沖勵(lì)磁方法研究Research on the Magnetizing Method with Sharp Pulses and Micro-Power Consumption Based on Magnetic Remanence摘要：針對(duì)目前恒流源勵(lì)磁方法功耗過(guò)大而無(wú)法滿足電磁水表微功耗要求的問(wèn)題，提出基于剩磁原理的微功耗脈沖勵(lì)磁方法。通過(guò)對(duì)電磁流量傳感器磁場(chǎng)的工作方式分析，選擇具有高剩磁、低矯頑力的矩磁材料制作磁路，采用雙向窄脈沖電壓為勵(lì)磁線圈供電，使磁場(chǎng)發(fā)生反轉(zhuǎn)并穩(wěn)定。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)行了試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)恒流勵(lì)磁方法，基于剩磁原理的脈沖勵(lì)磁方法可以將勵(lì)磁功耗大大降低，并且得到穩(wěn)定的工作磁場(chǎng)，有利于提高電磁水表的使用壽命和流量信號(hào)的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：電磁水表； 微功耗；脈沖勵(lì)磁；剩磁；矩磁材料；矯頑力中圖分類號(hào)：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AAbstract: To solve the power consumption problem in electromagnetic water meters, a new micro-power consumption magnetizing method was proposed based on magnetic romance by using sharp pulses, comparing to the traditional constant-current magnetizing method. The operating magnetic field of the electromagnetic flow sensor was explored, and the rectangular hysteresis material was selected to fabricate magnetic circuits because of its characters of high remanence and low coercive force. Therefore, the magnetic direction can be switched and stable by bidirectional sharp voltage pulses. According to this method, the magnetic circuit and electric circuit were established to be tested. It was demonstrated by the test results that power consumption of this method was reduced enormously comparing to the constant-current method. Moreover, the magnetic field was more stable so that the lifetime of the electromagnetic water meter and its signals stability can be enhanced.Key Words：Electromagnetic water meter; Micro-power consumption; Voltage pulse magnetizing; Remanence；Rectangular hysteresis material；Coercive force0 引言電磁水表作為一種功能強(qiáng)大的智能水表，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械式水表具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、壓力損失小等優(yōu)勢(shì)，且由于其內(nèi)部沒有運(yùn)動(dòng)部件，基表的使用壽命長(zhǎng)，因此具有很好的應(yīng)用前景1,2。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，但是電磁水表并未得到普及，甚至市場(chǎng)上產(chǎn)品都很少見。這主要是由于工作環(huán)境問(wèn)題，電磁水表無(wú)法象電磁流量計(jì)那樣方便地從市電網(wǎng)絡(luò)獲取工作能源。采用電池供電是電磁水表最可行的能量獲取方式，這同時(shí)也限制了其使用壽命。為了避免測(cè)量電極上由于電荷積累產(chǎn)生過(guò)大的極化電勢(shì)，電磁流量傳感器需采用具有一定頻率的交變磁場(chǎng)，使累積電荷在反向磁場(chǎng)的作用下充分釋放3。因此，在工作中，需對(duì)磁路進(jìn)行雙向勵(lì)磁，改變磁場(chǎng)方向。磁路需采用軟磁材料，為了維持工作磁場(chǎng)，在工作期間，需保持恒定的勵(lì)磁電流，這使得電磁流量傳感器的能量主要消耗在勵(lì)磁電路中，提供工作磁場(chǎng)，因此很難將功耗降低，嚴(yán)重制約了電池的使用壽命。勵(lì)磁功耗大是制約電磁水表發(fā)展的重要原因，為此必須改變傳統(tǒng)持續(xù)電流勵(lì)磁模式，降低功耗，才能解決這一問(wèn)題。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，大大降低電磁流量傳感器的功耗，延長(zhǎng)電池使用壽命，解決制約電磁水表發(fā)展的瓶頸技術(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(chǎng)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(shì)，即可以節(jié)省設(shè)計(jì)成本，又便于簡(jiǎn)化工藝流程，提高生產(chǎn)效率，而且可以通過(guò)計(jì)算磁路的銅損和鐵損補(bǔ)償由于簡(jiǎn)化帶來(lái)的設(shè)計(jì)誤差，獲得較好的效果4。對(duì)于采用電池供電的電磁水表而言，節(jié)省功耗是首先要考慮的問(wèn)題。為了降低水表工作的整體功耗，大多研究者采用分段恒流勵(lì)磁的方法，這可以在一定程度上起到節(jié)能的效果5-8。但是不能從根本上解決勵(lì)磁功耗大的問(wèn)題，達(dá)不到微功耗的效果。由于勵(lì)磁功耗主要由持續(xù)的勵(lì)磁電流引起，因此，盡量縮短勵(lì)磁時(shí)間是降低功耗必須解決的問(wèn)題?？紤]到電磁流量傳感器工作磁場(chǎng)為交變矩形波形，本文根據(jù)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，其磁滯回線如圖1所示。從圖中可以看，矩磁材料磁滯回線外形與硬磁材料近似，但是由于矯頑力HC很小，因此只需要很小的磁動(dòng)勢(shì)，便可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)方向的反轉(zhuǎn)，且由于矩形比高，剩磁密度Br與飽和磁通密度Bs相差很小，勵(lì)磁信號(hào)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。圖1 矩磁材料磁滯回線Fig.1 The B-H loop of rectangular hysteresis material此外，從圖1所示的磁滯回線中可看出，當(dāng)勵(lì)磁磁場(chǎng)從零增加到矯頑力HC時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度從-Br變到+Br，或反向變化。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B在0HC范圍內(nèi)緩變，磁場(chǎng)強(qiáng)度HHC時(shí)幾乎不變，在HC附近是驟變，H稍大于HC，便發(fā)生方向反轉(zhuǎn)，從-Br變到+Br。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度從HC減小到0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)保持方向翻轉(zhuǎn)后的大小，直到下一次反向的HC出現(xiàn)。由此可見，在連續(xù)的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化過(guò)程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化屬于開關(guān)式，在兩個(gè)狀態(tài)（-Br，+Br）之間切換。結(jié)合電磁流量傳感器的要求，可以看出，矩磁材料的磁特性可以大大提高工作磁場(chǎng)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(chǎng)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(guò)程分析通過(guò)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)中不僅可以將持續(xù)電流勵(lì)磁模式改為脈沖勵(lì)磁模式，還可以采用直接電壓源供電，避免恒流源轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，進(jìn)一步降低功耗。圖2為脈沖勵(lì)磁磁路與電路模型。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(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行激勵(lì)，磁動(dòng)勢(shì)為勵(lì)磁電流與線圈匝數(shù)的乘積Ni。與恒流源勵(lì)磁方式不同，脈沖勵(lì)磁電路要考慮與磁場(chǎng)變化向?qū)?yīng)的電流建立過(guò)程，因此要對(duì)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(chǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系。（a）脈沖勵(lì)磁磁路 （b）電路模型圖2 脈沖勵(lì)磁磁路與電路模型Fig.2 The impulse exciting magnetic circuit and electric model忽略線圈自身寄生電容的影響，電感L主要由線圈中電流i與磁路磁通鏈=N的變化關(guān)系決定。這一關(guān)系只在電流和磁場(chǎng)的建立過(guò)程中存在，在具有穩(wěn)定電流的線圈中，i和都是恒定的，線圈表現(xiàn)為純電阻特性，電感L不存在。因此，在恒流源勵(lì)磁系統(tǒng)中只考慮穩(wěn)態(tài)特性，不考慮瞬態(tài)特性，而在脈沖勵(lì)磁系統(tǒng)，則只考慮瞬態(tài)過(guò)程。如圖2（a）所示，線圈兩端增加電壓u，電流i從0開始變大，磁路中磁通也同時(shí)變化，在圖2（b）所示的等效電路中，電感L兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律9-11，有： （1）假設(shè)線圈截面積為A，匝數(shù)為N，則上式可改寫為： （2）由上式可導(dǎo)出電感L的計(jì)算公式為： （3）上式可對(duì)應(yīng)與圖1中的磁滯回線，在HHC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值也非常小，對(duì)電流的抑制作用也很?。籋接近HC，B發(fā)生突變，L值非常大，對(duì)電流的抑制也很大。因此對(duì)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(chǎng)反轉(zhuǎn)階段和電流消失階段。在電流上升階段，線圈兩端施加電壓u，線圈電感小，電流快速上升，但磁感應(yīng)強(qiáng)度變化?。辉诖艌?chǎng)反轉(zhuǎn)階段，由于電感很大，電流上升緩慢，但很小的電流變化便可使磁場(chǎng)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(chǎng)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(guò)渡。結(jié)合式（3）和圖1可以看出，電流上升階段和電流消失階段電感值很低，線圈中電流會(huì)快速上升或衰減；磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)階段電感值很大，線圈中電流變化很小，但磁場(chǎng)變化很大。在電流上升階段開始時(shí)，磁路中磁場(chǎng)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，因此，圖2（b）所示的電路瞬態(tài)過(guò)程為零狀態(tài)響應(yīng)。根據(jù)電路原理，零狀態(tài)相應(yīng)中，線圈中電流為： （4）式中：為電路穩(wěn)態(tài)電流；電路的時(shí)間常數(shù)影響電流上升的速度，R為線圈內(nèi)阻，不隨電流大小改變（忽略溫度效應(yīng)和集膚效應(yīng)）。越大電流上升越慢。從上述分析可知，在電流上升階段，電感L值小，時(shí)間常數(shù)也小，電流快速上升；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H增加接近HC時(shí)，時(shí)間常數(shù)隨著電感L的變小而增大，電流上升緩慢，直至磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)束，電壓u消失。在磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)階段開始時(shí)，線圈兩端無(wú)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： （5） 由于這一階段電感L很小，時(shí)間常數(shù)較大，電流i快速衰減至0，磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度也從Bs過(guò)渡到Br。磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)階段結(jié)束后，電路處于斷路狀態(tài)，磁路處于穩(wěn)定狀態(tài)，為測(cè)量管路提供工作磁場(chǎng)Br。在下一個(gè)反向脈沖來(lái)時(shí)，電路和磁路重復(fù)上述過(guò)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(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，采用矩磁材料制作的磁路可以通過(guò)脈沖勵(lì)磁電壓對(duì)磁路進(jìn)行激勵(lì)，在很短的時(shí)間內(nèi)完成磁場(chǎng)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)磁可以再很小的占空比下工作，勵(lì)磁功耗可大大降低。(a) 勵(lì)磁脈沖波形(b) 勵(lì)磁電流波形(c) 磁感應(yīng)強(qiáng)度波形圖3 電路和磁路參數(shù)波形圖Fig.3 Waveforms of electric and magnetic parameters3、 試驗(yàn)測(cè)試與分析采用如圖4所示的H橋電路可以提供勵(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、S4兩個(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。圖4 H橋脈沖勵(lì)磁電路原理Fig.4 H-Bridge circuit of impulse-voltage exciting為驗(yàn)證本文所述方法的可行性，采用1J83矩磁合金材料制作磁路，配合圖4所示的脈沖電路及相應(yīng)的線圈，并采用霍爾元件及后續(xù)信號(hào)放大電路對(duì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，采用330s脈寬的脈沖電壓對(duì)磁路進(jìn)行激勵(lì)，可以使磁場(chǎng)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的具有足夠強(qiáng)度的穩(wěn)定磁場(chǎng)；而勵(lì)磁功耗只發(fā)生在330s時(shí)間內(nèi)，功耗極低。表1為現(xiàn)有三值波勵(lì)磁方法與本文所述的基于剩磁原理的脈沖勵(lì)磁方法的參數(shù)對(duì)比。從對(duì)比中可以明顯看出脈沖勵(lì)磁方法在微功耗方面的優(yōu)勢(shì)。表1三值波勵(lì)磁與脈沖勵(lì)磁參數(shù)對(duì)比參數(shù)三值波勵(lì)磁脈沖勵(lì)磁工作電壓u/V3.63.6工作電流/mA50300穩(wěn)定磁感應(yīng)強(qiáng)度B/Gs1022占空比D3/81/3000平均勵(lì)磁功率P/mW67.50.3244、 結(jié)束語(yǔ) 電磁流量傳感器勵(lì)磁功耗問(wèn)題是影響其應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題之一，采用傳統(tǒng)的勵(lì)磁方法難以從根本上解決電池使用壽命問(wèn)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，采用矩磁材料作為基礎(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，不僅大大降低了勵(lì)磁系統(tǒng)的功耗，而且使獲得的磁場(chǎng)更加穩(wěn)定，有利于提高流量信號(hào)的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)1 姚靈. 電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù)J. 自動(dòng)化儀表，2009,30(3):1-5.2 姚靈.電磁流量傳感器與電磁電子水表J.上海計(jì)量測(cè)試，2012,6(232): 2-5.3 梁國(guó)偉,蔡武昌. 流量測(cè)量技術(shù)及儀表M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.4 蔡武昌,馬中元,瞿國(guó)芳,等. 電磁流量計(jì)M. 北京：中國(guó)石化出版社，2004.5 宮通勝. 新型電池供電電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)D. 杭