基于剩磁原理的微功耗脉冲励磁方法研究

李泽松　左富强　王欣欣　姚　灵

(宁波水表股份有限公司1，浙江 宁波　315033；宁波市计量测试研究院2，浙江 宁波　315048；浙江大学控制科学与工程学院3，浙江 杭州　310027)

基于剩磁原理的微功耗脉冲励磁方法研究

李泽松1,2,3左富强1王欣欣1姚灵1

(宁波水表股份有限公司1，浙江 宁波315033；宁波市计量测试研究院2，浙江 宁波315048；浙江大学控制科学与工程学院3，浙江 杭州310027)

摘要：针对目前因恒流源励磁方法功耗过大而无法满足电磁水表微功耗要求的问题，提出了基于剩磁原理的微功耗脉冲励磁方法。通过对电磁流量传感器磁场的工作方式进行分析，选择具有高剩磁、低矫顽力的矩形磁滞材料制作磁路，采用双向窄脉冲电压为励磁线圈供电，使磁场稳定反转。根据这一原理，设计了脉冲励磁磁路和双向脉冲发生电路，并进行试验测试。测试结果表明，相对于恒流励磁方法，基于剩磁原理的脉冲励磁方法可以大幅度降低励磁功耗，并且得到稳定的工作磁场，有利于提高电磁水表的使用寿命和流量信号的稳定性。

关键词：电磁水表流量计微功耗脉冲励磁矩形磁滞材料剩磁矫顽力磁路

0引言

电磁水表作为一种功能强大的智能水表，相对于传统机械式水表而言，具有测量精度高、响应速度快、压力损失小等优势；且由于其内部没有运动部件，基表的使用寿命长，因此具有很好的应用前景[1-2]。目前，具有相同工作原理的电磁流量计已普遍应用在工业控制领域，但电磁水表并未得到普及，甚至市场上都很少见到相关产品。这主要是由于电磁水表无法像电磁流量计那样方便地从市电网络获取工作能源，而最可行的电池供电方式限制了其使用寿命。

为了避免测量电极由于电荷积累产生过大的极化电势，电磁流量传感器需采用具有一定频率的交变磁场，使累积电荷在反向磁场的作用下充分释放[3]。因此，在工作中须对磁路双向励磁，以改变磁场方向。磁路须采用软磁材料，为维持工作磁场，在工作期间须保持恒定的励磁电流。这使得电磁流量传感器的能量主要消耗在为励磁电路提供工作磁场上，因此很难降低功耗，从而严重制约了电池使用寿命。

本文从磁性材料磁滞特性分析出发，利用矩磁材料的本构特征，研究基于剩磁原理的微功耗脉冲励磁方法，从根本上改变持续电流励磁模式，大幅降低电磁流量传感器的功耗、延长电池使用寿命，以解决制约电磁水表发展的技术难题。

1基于剩磁原理的脉冲励磁方法机理

为增强工作磁场的磁感应强度，电磁流量传感器通常采用软磁材料制作磁路元件，励磁线圈从恒流源获得持续的励磁电流，使磁路间隙中产生与电流成正比的磁通。这在一般的电磁流量计的设计中具有明显的优势，既可以节省设计成本，又便于简化工艺流程、提高生产效率，而且可以通过计算磁路的铜损和铁损来补偿其产生的设计误差，获得较好的效果[4]。

对于采用电池供电的电磁水表而言，节省功耗是首要问题。为降低水表工作的整体功耗，大多数研究者采用分段恒流励磁的方法。该方法可以在一定程度上起到节能的效果[5-8],但由于无法实现微功耗，不能解决根本问题。由于励磁功耗主要由持续的励磁电流引起，因此，必须尽量缩短励磁时间，以降低功耗。

考虑到电磁流量传感器工作磁场为交变矩形波形这一特点，选择矩磁材料制作磁路元件。矩磁材料属于特殊的软磁材料，既有软磁材料矫顽力小的特点，又具有很高的剩磁。其矩形比Br/Bs一般大于0.8，磁滞回线如图1所示。

图1　矩磁材料磁滞回线

由图1可知：矩磁材料磁滞回线外形与硬磁材料近似，但由于矫顽力HC很小，因此只需很小的磁动势，便可实现磁场方向的反转；且由于矩形比高，剩磁密度Br与饱和磁通密度Bs相差很小，励磁信号消失后，磁路中可保持与饱和磁通很接近且稳定的剩磁通。

此外，从图1所示的磁滞回线中可看出，当励磁磁场从零增加到矫顽力HC时，磁感应强度从-Br变为+Br，或反向变化。由于磁感应强度B在0～HC的范围内缓变，当磁场强度H

2脉冲电压励磁过程分析

通过上述分析可知，采用矩磁材料制作电磁流量传感器磁路，主要是利用其剩磁高、矫顽力小的特点。根据这一特点，在励磁电路设计中不仅可将持续电流励磁模式改为脉冲励磁模式，还可采用直接电压源供电，避免恒流源转换的环节，从而进一步降低功耗。

图2为脉冲励磁磁路与电路模型。在励磁线圈两端输入励磁电压u，在线圈中将产生相应的励磁电流i对磁场进行激励，磁动势为励磁电流与线圈匝数的乘积Ni。与恒流源励磁方式不同，脉冲励磁电路要考虑与磁场变化相对应的电流建立过程。因此，对图2(a)所示的等效电路瞬态变化进行分析，以便掌握励磁脉冲与磁场的对应关系。

图2　脉冲励磁磁路与电路模型

忽略线圈自身寄生电容的影响，电感L主要由线圈中电流i与磁路磁通链Ψ=Nφ的变化关系决定。这一关系只在电流和磁场的建立过程中存在。在电流稳定的线圈中，i和Ψ都是恒定的，线圈表现为纯电阻特性，电感L不存在。因此，在恒流源励磁系统中只考虑稳态特性；而在脉冲励磁系统则只考虑瞬态过程。

如图2(a)所示，线圈两端增加电压u，电流i从0开始变大，磁路中磁通也同时变化。如图2(b)所示，电感L两端产生感应电动势。根据电磁感应定律[9-11]，有：

(1)

假设线圈截面积为A，匝数为N，则式(1)可改写为：

(2)

由式(2)可推导出电感L的计算公式为：

(3)

式(3)可与图1中的磁滞回线对应，当H

在电流上升阶段开始时，磁路中磁场稳定，线圈中没有电流。在这一初始状态下给线圈两端施加电压u，图2(b)所示的电路瞬态过程即为零状态响应。根据电路原理，零状态响应时，线圈中电流为：

(4)

从上述分析可知，在电流上升阶段，电感L值小，时间常数τ也小，电流快速上升；当磁场强度H增加接近HC时，时间常数τ随电感L的变小而增大，电流上升缓慢，直至磁场反转结束，电压u消失。

在磁场反转阶段开始时，线圈两端无电压输入，但存在电流消失阶段结束时的电流I0，电路处于零输入状态，线圈中的电流为：

(5)

由于该阶段电感L很小，时间常数τ较大，电流i快速衰减至0，磁路中磁感应强度从Bs过渡到Br。磁场反转阶段结束后，电路处于断路、磁路处于稳定状态，为测量管路提供了工作磁场Br。在下一个反向脉冲到来时，电路和磁路重复上述过程，只是方向发生改变。

图3为电压、电流、磁感应强度三者的时间序列对应关系。从图3中可以看出，采用矩磁材料制作的磁路可以通过脉冲励磁电压对磁路进行激励，在很短的时间内完成磁场的反转，并获得稳定的磁感应强度。电磁流量传感器的磁路变换频率很低，一般为工频的1/4、1/8甚至更低，因此采用脉冲励磁可以在很小的占空比下工作，从而大幅降低励磁功耗。

图3　电路和磁路参数波形图

3试验测试与分析

采用如图4所示的H桥电路，可提供励磁系统所需的电压脉冲序列。在每半个周期分别向S3、S4这2个MOSFET的栅极输入控制脉冲，实现桥式电路的脉冲电压输出，为线圈提供如图3(a)所示的脉冲序列。

图4　H桥脉冲励磁电路原理图

为验证本文方法的可行性，采用1J83矩磁合金材料制作磁路，配合图4中的脉冲电路及相应线圈，采用霍尔元件及后续信号放大电路对产生的磁场进行测量。

测量结果表明，采用330 μs脉宽的脉冲电压对磁路进行激励，可使磁场方向在脉冲发生时正常翻转，并且保持相邻两脉冲之间具有足够移强度的稳定磁场；而励磁功耗只发生在330 μs内，功耗极低。表1为现

有三值波励磁方法与本文基于剩磁原理的脉冲励磁方法的参数对比，可知脉冲励磁方法在微功耗方面的优势明显。

表1　三值波励磁与脉冲励磁参数对比

4结束语

电磁流量传感器励磁功耗问题是影响其应用的瓶颈之一，传统的励磁方法难以解决根本问题。本文研究的基于剩磁原理微功耗脉冲励磁方法，突破传统软磁材料恒流源励磁方法的思路，以矩磁材料为基础，利用其剩磁高、矫顽力小的特点，结合产生双向窄脉冲的H桥转换电路，不仅大幅降低励磁系统的功耗，且获得的磁场更稳定，有利于提高流量信号测量的准确性。

参考文献

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Research on the Pulse Excitation Method Based on Remanence Principle with Micro Power Consumption

Abstract：Aiming at the problem that the power consumption of constant current source excitation method is too large, so the low power consumption requirement of electromagnetic water meter cannot be achieved, a new micro-power consumption pulse excitation method based on remanence principle is proposed.By analyzing the operating mode of the magnetic field of electromagnetic flow sensor, the rectangular hysteresis material featuring high remanence and low coercive force is selected to make the magnetic circuit.The excitation coil is powered by bi-directional narrow pulse voltage; the magnetic field is reversed and stable.In accordance with this principle, the pulse excitation magnetic circuit and bi-directional pulse generating circuit are designed and tested.The results of test indicate that comparing with constant current excitation method, the method based on remanence principle greatly reduces power consumption of excitation, and obtains stable operating magnetic field; these are beneficial to improve the lifetime of the electromagnetic water meter, and the stability of the flow signal.

Keywords:Electromagnetic water meterFlowmeterMicro-power consumptionPulse excitationRectangular hysteresis materialRemanenceCoercive forceMagnetic circuit

中图分类号：TH814;TP2

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606022

浙江省质量技术监督系统科研计划基金资助项目(编号：20150340);

宁波市自然科学基金资助项目(编号：2016A610204)

修改稿收到日期：2016-01-05。

第一作者李泽松(1978-)，男，2010年毕业于浙江大学机械电子工程专业，获博士学位，工程师；主要从事电磁流量测量技术方向的研究。