基于新型勵(lì)磁方式的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)

基于新型勵(lì)磁方式的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)
   摘.. 要: 針對(duì)現(xiàn)有勵(lì)磁方式的缺陷, 提出了一種新型的三值正弦矩形波勵(lì)磁方式, 采用具有16 位ADC 采集模塊的M SP430F4793單片機(jī)作為MCU, 構(gòu)建了電磁流量計(jì)樣機(jī)。論文詳細(xì)地分析了新型勵(lì)磁方式的特點(diǎn)并介紹了軟、硬件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 新型勵(lì)磁方式有效地提高了信號(hào)的穩(wěn)定性, 克服了矩形波勵(lì)磁方式帶來(lái)的微分干擾難題, 也解決了正弦波勵(lì)磁中的正交干擾的影響, 減小了測(cè)量誤差, 對(duì)小流速階段的測(cè)量準(zhǔn)確度改善明顯。
   關(guān)鍵詞: 電磁流量計(jì); 三值正弦矩形波勵(lì)磁方式; 實(shí)驗(yàn); MSP430F4793 
    電磁流量計(jì)是隨著電子技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的新型流量測(cè)量?jī)x表, 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)電液體的流量測(cè)量。但是在測(cè)量以下液體時(shí)仍然存在困難: .. 低電導(dǎo)率的液體; .. 低流速液體; .. 含有顆粒的高濃度漿狀液體; ..黏性液體。通過(guò)改進(jìn)勵(lì)磁方式來(lái)提高信噪比是解決這些問(wèn)題有效方法之一[ 1- 3] 。激磁技術(shù)是電磁流量計(jì)中最關(guān)鍵的技術(shù), 其經(jīng)歷了直流激磁、工頻正弦激磁、低頻矩形波激磁、三值低頻矩形波激磁、雙頻矩形波激磁等5個(gè)階段[ 4- 5] 。直流激磁方式由于在小流量測(cè)量時(shí)要求信號(hào)的直流穩(wěn)定度必須在幾分之一微伏之內(nèi), 而使得它的應(yīng)用范圍受限; 工頻正弦激磁方式由于電磁感應(yīng)造成幅值與頻率成正比, 從而產(chǎn)生了相位比流量信號(hào)滯后90..的正交干擾; 低頻矩形波激磁、三值低頻矩形波激磁和雙頻矩形波激磁這三種激磁方式會(huì)不同程度的在電平快速切換時(shí)而引入微分干擾等難題[ 6 - 9] 。本文提出了一種新型的勵(lì)磁方式.. .. .. 三值正弦矩形波勵(lì)磁方式, 它不僅克服了微分干擾的難題, 而且解決了正交干擾的影響。基于此勵(lì)磁方式, 采用德州儀器公司( T I)的具有16 位A /D 轉(zhuǎn)換模塊的MSP430F4793單片機(jī)作為MCU, 設(shè)計(jì)了一款具有較高穩(wěn)定性和測(cè)量精度的電磁流量計(jì)。
   1.. 勵(lì)磁方式分析
   1. 1.. 測(cè)量原理
   電磁流量計(jì)的測(cè)量原理為法拉第電磁感應(yīng)定律, 如圖1所示。當(dāng)流體在管道內(nèi)流過(guò)一個(gè)橫向磁場(chǎng)B 的時(shí)候, 相當(dāng)于有一定電導(dǎo)率的導(dǎo)體在切割磁力線, 形成電動(dòng)勢(shì)E, 其大小與磁場(chǎng)B、流速v和管徑D 成正比[ 10 - 11] , 如公式( 1): 圖1.. 電磁流量傳感器工作原理圖E = B vD + dB /dt+ d2B /dt2 + ec + ed + ez ( 1) 其中B vD 為流速信號(hào), 即真實(shí)測(cè)量值。dB /dt為微分干擾, 它主要源于..變壓器效應(yīng)..[ 12- 13] , 其大小與流量無(wú)關(guān), 即使是在流速等于零, 沒(méi)有流量信號(hào)感應(yīng)的情況下也會(huì)存在, 是電磁流量計(jì)的主要干擾[ 14 ] 。d2B /dt2 為同相干擾, 是微分干擾的二次微分得到的, 所以只要盡量降低微分干擾, 同相干擾也會(huì)降低。ec、ed 和ez 分別是共模干擾、串模干擾和直流極化電壓, 均為電磁流量計(jì)的次要干擾源[ 15- 16 ] 。
   1. 2.. 三值正弦矩形波勵(lì)磁方式
   對(duì)于當(dāng)前廣泛應(yīng)用的矩形波勵(lì)磁方式來(lái)說(shuō), 由于正、負(fù)值勵(lì)磁狀態(tài)的瞬間跳變, 造成在切換點(diǎn)的磁場(chǎng)變化率dB /dt趨于無(wú)窮大(波形上表現(xiàn)為一個(gè)尖峰), 形成的微分干擾極大, 足以使得前級(jí)放大器達(dá)到飽和, 導(dǎo)致信號(hào)穩(wěn)定性的降低, 信號(hào)如圖3( a)所示。圖2.. 三值正弦矩形勵(lì)磁波本文對(duì)當(dāng)前矩形波勵(lì)磁方式改進(jìn)后提出了一種新型的三值正弦矩形波勵(lì)磁方式, 波形如圖2所示, 數(shù)學(xué)表達(dá)式如式( 2)。B ( t ) = A2 ( 1+ sin..t- ..2 ) ( - 1)k ( 0+ kT2 .. t< T10+ kT2 ) A ( - 1) k ( T10+ kT2 .. t< 3T 10+ kT2 ) A2 [ 1+ sin( .. ( t- 3T 10) + ..2 ) ] ( - 1) k ( 3T 10+ kT2 .. t< 2T5 + kT2 ) 0 ( 2T5 + kT2 .. t< T2 + kT2 ) ( 2) 式中k 為自然數(shù), T 為一個(gè)波形周期。在零值與正、負(fù)電平的切換過(guò)程中加入了正弦波段作為過(guò)渡, 使得勵(lì)磁信號(hào)變得相對(duì)平滑。選取的正弦波上升沿、平臺(tái)、正弦波下降沿和零值的時(shí)間比為1..2..1..1。0- T /2這段正弦波上升沿可知, 波形段內(nèi)的磁場(chǎng)變化率dB /dt= ( 2..f ) A cos( ..t- ../2) /2, 是連續(xù)平穩(wěn)變化的, 幅值在0- ..fA 之間, 其中f 為勵(lì)磁頻率。端點(diǎn)a右側(cè)dB /dt= A .. cos( - ../2) /2= 0, 左側(cè)磁場(chǎng)變化率為0, 兩者相等。端點(diǎn)b右側(cè)dB /dt= 0, 左側(cè)dB /dt= A.. cos( ../2) /2 = 0, 亦相等。因此, 在兩端點(diǎn)處的磁場(chǎng)變化率也是連續(xù)的, 沒(méi)有發(fā)生跳變。同理推得, 整個(gè)周期內(nèi)其余正弦波段的磁場(chǎng)變化率都是連續(xù)的, 這樣就有效地降低了微分干擾, 抑制了尖峰, 提升了信號(hào)的穩(wěn)定性, 使得電磁流量計(jì)在小流速測(cè)量階段也能夠達(dá)到較好的測(cè)量準(zhǔn)確度。在正、負(fù)勵(lì)磁波段, 由于磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定, 微分干擾和同相干擾都很微弱, 所以在這個(gè)階段對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣, 能夠取得較為穩(wěn)定的幅值, 從而提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。同時(shí), 利用零值勵(lì)磁階段的電極信號(hào)來(lái)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償在正、負(fù)勵(lì)磁階段的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)中的零點(diǎn)部分, 減小了零點(diǎn)漂移, 增加了零點(diǎn)穩(wěn)定性。圖3.. 不同勵(lì)磁方式下經(jīng)信號(hào)處理電路處理后的流量信號(hào)考慮到工頻干擾, 波形的周期要為工頻周期的整數(shù)倍, 而我國(guó)的市電工頻干擾的頻率為50H z[ 17] , 所以本方案中選取頻率f 為5H z的波形, 這樣在一個(gè)200 ms的周期內(nèi)工頻干擾的正負(fù)面積相等, 平均值等于零, 工頻干擾得到了有效的克服。采用三值正弦波勵(lì)磁方式后, 經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路得到的流量信號(hào)如圖3( b)。
   2.. 硬件系統(tǒng)
   2. 1.. 硬件電路總體設(shè)計(jì)
   三值正弦矩形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)的硬件部分主要由傳感器、電源電路、勵(lì)磁電路、流量信號(hào)處理電路、MCU、液晶和鍵盤等模塊構(gòu)成。硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中傳感器直接由廠家制作, 這里不做詳細(xì)介紹。電源電路提供.. 24 V、.. 12 V、.. 5 V以及3. 3 V。圖4.. 硬件總體結(jié)構(gòu)圖
   2. 2.. 勵(lì)磁電路
   勵(lì)磁系統(tǒng)決定著傳感器的工作磁場(chǎng), 是轉(zhuǎn)換電路中非常重要的部分。本文中的勵(lì)磁電路由兩部分構(gòu)成, 如圖5所示。圖5.. 勵(lì)磁電路其中, 電路( .. )是由4只光耦和2片場(chǎng)效應(yīng)管IRF7343(每片中有一只N 溝道和一只P溝道型的場(chǎng)效應(yīng)管)組成的橋式開(kāi)關(guān)電路。通過(guò)兩路控制信號(hào)C trl_A和C trl_B 的高低電平來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷, 從而實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁線圈中電流方向的切換。電路( .. )是由一片運(yùn)算放大器OP07、一只NPN 型三極管S9013、一只NPN 型三極管T IP122和4只39 .. 采樣電阻組成的恒流源。由MCU 的定時(shí)器脈沖寬度調(diào)制( PWM ) 輸出經(jīng)過(guò)RC 電路濾波后來(lái)控制流過(guò)勵(lì)磁線圈的電流I, 從而產(chǎn)生三值正弦矩形波。
   2. 3.. 信號(hào)處理及采集電路
   電極輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)(微伏至毫伏級(jí)的交變信號(hào))首先經(jīng)過(guò)RC 電路濾除部分高頻干擾信號(hào), 然后送入儀用放大器AD620進(jìn)行差分放大, 但是由于干擾成份較多, 且有的干擾信號(hào)幅值遠(yuǎn)大于信號(hào)本身, 因此AD620的增益不宜設(shè)置得過(guò)大, 10 ~ 20倍為佳。流量信號(hào)經(jīng)過(guò)AD620放大后, 采用單端輸出(對(duì)地電壓)方式后通過(guò)電容隔直, 濾去了直流分量, 僅保留信號(hào)的交流分量。由于測(cè)量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾, 特別是50H z的工頻干擾, 有必要對(duì)信號(hào)再次濾波, 在此選取了雙T 帶阻濾波, 電容C 取0. 1 ..F, 中心頻率f 0為50H z, 則R = 1 / ( ..0C ) = 1 / ( 2..f 0C ) .. 32 k..。最后把正負(fù)交變的信號(hào)進(jìn)行電壓平移, 即整體提升信號(hào)幅值, 使之都為正值后送入MCU 的ADC引腳。圖6.. 信號(hào)處理電路
   2. 4.. 單片機(jī)系統(tǒng)
 采用TI公司的MSP430F4793作為電磁流量計(jì)的MCU, 與顯示模塊和鍵盤模塊共同構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。MSP430F4793片內(nèi)含2個(gè)16位定時(shí)器, 每個(gè)定時(shí)器各帶3個(gè)捕獲/比較存儲(chǔ)器和PWN 輸出功能; 3 路具有可編程增益放大( PGA )功能的高精度16位.. - ..型ADC; RAM 為2. 5KB, FLASH 存儲(chǔ)器多達(dá)60KB, 并且擁有4個(gè)通用同步/異步通信接口。
   3.. 軟件系統(tǒng)
   智能電磁流量計(jì)有四種工作模式: 標(biāo)定模式、測(cè)量模式、測(cè)試模式和空管檢測(cè)模式。儀表上電后, 程序完成一系列初始化, 隨后便進(jìn)入測(cè)量模式開(kāi)始正常工作。配合液晶菜單顯示, 用戶可以通過(guò)按鍵操作來(lái)選擇其他工作模式, 操作簡(jiǎn)便。定時(shí)器1用于產(chǎn)生三值正弦矩形波, 流程圖如圖7所示。程序中設(shè)置兩個(gè)有32個(gè)元素的數(shù)組分別存放用于生成正弦波上升沿和下降沿的占空比數(shù)據(jù), 依次使用這些值來(lái)設(shè)置定時(shí)器的TIM1_OCAR 寄存器, 控制PWM 輸出的占空比, 進(jìn)而控制RC 濾波電路輸出的電壓大小, 最終得到設(shè)計(jì)的波形。圖7.. 定時(shí)器1中斷波形產(chǎn)生流程圖流量信號(hào)AD 采集程序流程如圖8 所示。以10個(gè)周期為一個(gè)測(cè)量過(guò)程, 在每個(gè)周期的高、低電平勵(lì)磁段各采集40個(gè)采樣點(diǎn), 并在兩個(gè)零值勵(lì)磁段各采樣20點(diǎn)作為相對(duì)零點(diǎn), 求得平均值后換算得到E正、E負(fù)、E零1和E零2共4 個(gè)電勢(shì)平均值。將E負(fù)與E零1的差值作為勵(lì)磁電流正向時(shí)對(duì)應(yīng)的流量信號(hào), E負(fù)與E零2的差值(負(fù)值)作為反向流量信號(hào)。最后把兩個(gè)差值相減作為流量信號(hào), 所以流量信號(hào)的計(jì)算公式為: E = (E正- E零1 ) - (E負(fù)- E零2 ) ( 3) 其中, 采樣時(shí)使用了ADC 的前置可編程增益放大器模塊, 放大倍數(shù)為1~ 32范圍內(nèi)的2的倍數(shù), 對(duì)輸入到ADC引腳的流量信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)輸入電壓很小時(shí), 增加PGA 的放大倍數(shù); 而當(dāng)幅值過(guò)大時(shí), 則減小PGA的放大倍數(shù), 這樣就使測(cè)得的AD 值盡量在量程范圍的中間區(qū)域, 從而減小了AD采集本身的誤差, 進(jìn)一步提高了流量信號(hào)的采樣精度。圖8.. 流量信號(hào)AD采集程序流程圖
   4.. 試驗(yàn)結(jié)果及分析
   試驗(yàn)所用傳感器的內(nèi)徑為50 mm, 采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐進(jìn)行標(biāo)定[ 18 ] 。對(duì)矩形波勵(lì)磁方式和三值正弦矩形波勵(lì)磁方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn), 兩者均采用5H z勵(lì)磁頻率, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出, 兩者在一定的流速范圍(大于2. 0 m3 /h)內(nèi)測(cè)量準(zhǔn)確度都可以達(dá)到.. 3% 以內(nèi), 但在小流速( 小于2..0m3 /h)測(cè)量時(shí), 矩形波勵(lì)磁方式的誤差隨著流量的減小迅速增大, 在標(biāo)定流量為0. 3m3 /h時(shí)達(dá)到了13% , 如此大的誤差是無(wú)法接受的。與之相比, 三值正弦矩形波的測(cè)量誤差雖然有所上升但控制在.. 5%以內(nèi), 明顯好于矩形波勵(lì)磁。試驗(yàn)證明, 新型的三值正弦矩形波勵(lì)磁方式能夠更為有效地消除微分干擾和同相干擾, 從而顯著地提高了電磁流量計(jì)在小流速測(cè)量階段的精確度。表1.. 電磁流量計(jì)的流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定流量/ (m 3 /h) 矩形波實(shí)測(cè)流量/ (m3 /h) 測(cè)量誤差/% 三值正弦矩形波實(shí)測(cè)流量/ ( m3 /h) 測(cè)量誤差/% 0. 3 0. 339 13 0. 308 2. 8 0. 7 0. 738 5. 4 0. 690 - 1. 43 1. 2 1. 163 - 3. 1 1. 210 0. 83 2. 0 2. 04 2 1. 970 - 1. 5 3. 0 3. 081 2. 7 3. 053 1. 75 3. 5 3. 451 - 1. 4 3. 485 - 0. 43 4. 0 3. 947 - 1. 32 4. 012 0. 29 8. 0 8. 125 1. 56 7. 978 - 0. 27 圖9.. 相對(duì)誤差值對(duì)照曲線圖
   5.. 結(jié)論
   本系統(tǒng)采用新型的三值正弦矩形勵(lì)磁方式增進(jìn)了信號(hào)的穩(wěn)定性, 加強(qiáng)了智能電磁流量計(jì)在工作過(guò)程中的抗力, 特別是提高了小流速階段的測(cè)量準(zhǔn)確度。MCU 采用MSP430F4793 提高了采樣精度, 簡(jiǎn)化了電路, 降低了功耗。用戶通過(guò)鍵盤和菜單來(lái)選擇工作模式, 完成各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置, 界面簡(jiǎn)潔美觀, 操作簡(jiǎn)單方便。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 測(cè)量精度較高, 具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。--擴(kuò)展閱讀：開(kāi)封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)開(kāi)封中儀網(wǎng)站：