摘(zhāi)要(yào):針對傳(chuán)統電磁(cí)流量計 在測量(liàng)漿(jiāng)液流(liú)量時存(cún)在精度(dù)低、傳(chuán)感器(qì)輸出(chū)波動大等(děng)缺點(diǎn)，設計了(le)一種基(jī)于dsp的高頻勵磁(cí)電磁(cí)流量計。該(gāi)電磁流量計采(cǎi)用高(gāo)低壓切換(huàn)勵磁方式(shì)，通過(guò)引入電(diàn)流旁路(lù)來改(gǎi)進變(biàn)送器(qì)的勵磁(cí)電路，提(tí)高勵磁(cí)頻(pín)率。利用具(jù)有高輸入阻抗的差分放(fàng)大電路放大傳(chuán)感器輸出信号(hào)，提高信号的信(xìn)噪比，保證(zhèng)提取(qǔ)信号(hào)的精度。實(shí)際測試(shì)結果表明:系(xì)統測量精(jīng)度高，對小(xiǎo)流速(sù)階段(duàn)測量準确度明顯(xiǎn)改善，測量誤(wù)差(chà)不超過(guò)5%。
0引言(yán)
　　流量檢測(cè)在工(gōng)業生産、廢液監測以(yǐ)及管(guǎn)道運輸等領域有着廣泛的應用(yòng)，根據測量原(yuán)理不同，流量計(jì)可以大緻(zhì)分爲(wèi)力學、電(diàn)學、聲學(xué)、熱學、光(guāng)學(xué)等類(lèi)型(xíng)，其中電(diàn)磁流(liú)量計是依據電(diàn)學原理研制而(ér)成，電磁流量計與其(qí)他流(liú)量計(jì)相比，具有(yǒu)結構(gòu)簡單、測量精度(dù)高、穩(wěn)定性好等(děng)特點(diǎn)。但(dàn)電(diàn)磁流(liú)量計(jì)在測量低(dī)流速、低導電率液體時(shí)存在精度不(bú)高等缺點(diǎn)，爲了克(kè)服這個(gè)缺點(diǎn)，研制了一種基(jī)于(yú)dsp的高頻(pín)勵磁電(diàn)磁(cí)流(liú)量(liàng)計，在(zài)勵磁(cí)方式(shì)上選用旁路勵磁電路與恒流(liú)控制電路相結(jié)合的方(fāng)式，提高(gāo)了勵磁頻(pín)率以及能量的(de)利用(yòng)效率(lǜ)。選用(yòng)高性(xìng)能dsptms320f28335來采集處理(lǐ)傳感器輸出的信号(hào)，顯著(zhe)提高(gāo)了系(xì)統測(cè)量時的響應速度，将(jiāng)流量(liàng)計(jì)算(suàn)結果通過(guò)lcd屏的方式(shì)實時(shí)顯(xiǎn)示(shì)，系統(tǒng)具有體積小、便(biàn)攜式(shì)以(yǐ)及測量(liàng)精度高等優點(diǎn)［3］。
1高頻勵(lì)磁電磁(cí)流量(liàng)計(jì)測量原(yuán)理
　　電(diàn)磁(cí)流(liú)量計根據電磁感應(yīng)定律的原理來(lái)測量導電液(yè)體(tǐ)的流量，測量導電液(yè)體的傳感(gǎn)器中繞(rào)有(yǒu)線圈(quān)，通過給線圈通(tōng)電［4］，當液體(tǐ)流過線圈時就會切割磁感(gǎn)線(xiàn)，此時(shí)在線(xiàn)圈(quān)的兩端(duān)會産生感應電動勢e，根據(jù)電磁(cí)學中右(yòu)手法則可得(dé):

　　式中(zhōng):b爲傳(chuán)感器(qì)線(xiàn)圈産生(shēng)的磁場(chǎng)強度;l爲(wèi)傳感器線圈的(de)長度;v爲液體在(zài)傳感器(qì)中流動(dòng)的速度。
由流量(liàng)計算公式(shì)可得(dé):

式中(zhōng)s爲傳感器(qì)管道的截(jié)面積。
　　由式(1)可知，當b和(hé)l已知(zhī)時，隻(zhī)要測得e就可以(yǐ)反推(tuī)出v;由式(shì)(2)可知，當測得v時就(jiù)能計(jì)算出q。
2高頻勵磁電磁流量(liàng)計硬(yìng)件(jiàn)設(shè)計(jì)
　　高頻勵(lì)磁電(diàn)磁流(liú)量計(jì)由傳(chuán)感器、高頻(pín)勵磁(cí)電路、信号(hào)處理電路(lù)等組(zǔ)成［5］，其中高頻勵(lì)磁電路決定着傳感(gǎn)器磁(cí)場的(de)強弱，勵(lì)磁電路(lù)的穩(wěn)定(dìng)性(xìng)以及(jí)精确(què)性(xìng)決定着(zhe)系統檢測(cè)的(de)準(zhǔn)确性以及(jí)穩定(dìng)性。dsp系統控制勵(lì)磁電路激(jī)勵傳(chuán)感器線圈，當線(xiàn)圈中有(yǒu)導電液(yè)體流過時(shí)，其切(qiē)割磁感線并在(zài)傳感器兩端的(de)線圈上産生感(gǎn)應電動勢(shì)，利(lì)用信号檢測電路(lù)監測感應電動(dòng)勢的大(dà)小(xiǎo)，最後根據相應關系(xì)計算出液(yè)體的(de)流量(liàng)，系統硬件(jiàn)框圖如圖1所示。

2．1高頻勵磁電路(lù)設計(jì)
　　高頻(pín)勵磁(cí)電路(lù)主要由高(gāo)低壓切換(huàn)恒流控制電(diàn)路(lù)和h橋(qiáo)勵磁(cí)開(kāi)關電路組成［6－7］。其中高低(dī)壓切換恒(héng)流控(kòng)制電路确保高壓或低(dī)壓(yā)情況(kuàng)下，都(dōu)可以通過(guò)h橋向勵磁(cí)線圈提供恒(héng)定的電(diàn)流。電(diàn)路原理圖如圖(tú)2所(suǒ)示。

　　如圖(tú)2所示，在對(duì)傳感器線(xiàn)圈進行勵(lì)磁時(shí)，通過(guò)比較器控制切換開(kāi)關切(qiē)換(huàn)高低壓進行(háng)勵(lì)磁(cí)［8］。vref作爲比(bǐ)較器(qì)的基準(zhǔn)輸入端，其表示(shì)勵磁電流(liú)的電壓穩态(tài)值;而cur則(zé)表示(shì)h橋勵(lì)磁電(diàn)路(lù)中(zhōng)檢測到的(de)電壓信号。一開(kāi)始當(dāng)系(xì)統(tǒng)處于低壓勵(lì)磁(cí)狀态時，系(xì)統會自動(dòng)斷開切(qiē)換電路(lù)中的(de)電流旁路，此時系(xì)統通過利用h橋向(xiàng)勵磁(cí)線圈提供恒定(dìng)電流(liú)。當勵磁方(fāng)向變化(huà)時，電流檢測電路(lù)就會(huì)檢測到電流變爲負(fù)方向，比較(jiào)器的cur端(duān)與vref端的平衡就會發生變化，此(cǐ)時(shí)系統通過比(bǐ)較器自(zì)動切換爲高壓(yā)勵磁狀态。與低(dī)壓勵磁(cí)方式相反，在此種狀态(tài)下，恒流(liú)控制電路關(guān)閉而(ér)電流(liú)旁路打(dǎ)開，線圈(quān)中的能量就會(huì)存儲在(zài)能量回(huí)饋電路(lù)中，此時(shí)c1端的電壓會超(chāo)過高壓源。等勵(lì)磁線圈中的(de)能(néng)量釋(shì)放完(wán)後，電(diàn)流逐(zhú)漸降爲零，此時(shí)能量回饋電路就(jiù)會(huì)利用(yòng)電流(liú)旁路(lù)和h橋(qiáo)将能(néng)量反(fǎn)饋給(gěi)勵磁(cí)線圈。當電(diàn)容c1端的電(diàn)壓下(xià)降到小于高壓(yā)源時，系統就會(huì)自動通過電流(liú)旁路(lù)和(hé)h橋(qiáo)直接(jiē)對勵磁線圈進(jìn)行勵磁，當勵磁(cí)線圈(quān)中的電流超過(guò)設定阈值(zhí)時，cur端(duān)電壓(yā)就會(huì)大于(yú)vref點(diǎn)電(diàn)壓，此(cǐ)時比較器又會(huì)切換成低(dī)壓勵(lì)磁方式，如此反複循環控制，達到對勵磁(cí)線圈(quān)恒流控制的目的。圖3爲(wèi)h橋勵磁(cí)控制電路(lù)。

　　由圖(tú)3可知(zhī)，io爲高(gāo)低壓切換恒流(liú)控制(zhì)電路(lù)輸出的恒(héng)流源電流(liú)，h橋驅(qū)動的com1端控(kòng)制三極管q1和(hé)場效應管q4的(de)通斷;com2端控制三極管q2和場(chǎng)效應(yīng)管q3的(de)通斷(duàn)。l1表示的(de)是(shì)勵磁線圈(quān)(傳感器中(zhōng)線圈)，com1、com2爲正交的(de)pwm波信(xìn)号，因(yīn)此在(zài)勵磁(cí)線(xiàn)圈(quān)l1的兩(liǎng)端會産生方波(bō)勵磁信号。檢流(liú)電路(lù)主(zhǔ)要(yào)是用(yòng)來檢測勵(lì)磁線(xiàn)圈中電(diàn)流的變(biàn)化，當線圈(quān)中的(de)勵磁電流(liú)方向(xiàng)變化時，可以及(jí)時将此信息反(fǎn)饋給高低(dī)壓切(qiē)換恒(héng)流(liú)控(kòng)制電(diàn)路中的(de)比(bǐ)較器，從而(ér)實現切換(huàn)高低壓源達到(dào)恒流控(kòng)制的(de)目(mù)的［9］。
2．2信号調(diào)理電(diàn)路
　　由于傳感器(qì)線圈(quān)輸出(chū)的電(diàn)動(dòng)勢信号(hào)非常(cháng)微弱，幹擾(rǎo)成分複雜(zá)，信号幅值(zhí)受磁場(chǎng)變動影響較(jiào)大(dà)，不能滿(mǎn)足adc采(cǎi)用的(de)要求(qiú)，因此(cǐ)需要對此信号進行調理(lǐ)［10］。信号(hào)調理(lǐ)電路(lù)原理(lǐ)圖如圖4所(suǒ)示。

　　如圖4所示，信(xìn)号調(diào)理(lǐ)電路由前置放大電路(lù)、濾波(bō)電路以及(jí)二次放大電路(lù)組成［11］。其中前置(zhì)放大(dà)電路主要(yào)是由ad8610組(zǔ)成(chéng)的差分放大(dà)電路構(gòu)成，其(qí)主要(yào)是去除信(xìn)号中的共(gòng)模幹擾并(bìng)且進(jìn)行第(dì)一(yī)次(cì)前置放大，前置放大(dà)電路(lù)的(de)放大倍(bèi)數爲15。由于有效(xiào)信号(hào)的幅值很(hěn)小，經過前(qián)置放(fàng)大電路後(hòu)信号(hào)中還存在很多高(gāo)頻雜波，這些(xiē)雜波(bō)會影響對(duì)後級信(xìn)号的處(chù)理，因此(cǐ)還(hái)需要(yào)對前置(zhì)放大電(diàn)路輸出的信号(hào)進行(háng)低通濾波(bō)和二(èr)次放大。系(xì)統選用(yòng)二階有(yǒu)源低通濾波電(diàn)路濾(lǜ)除信(xìn)号中(zhōng)的高(gāo)頻幹擾，低通濾(lǜ)波的截止頻率設(shè)定在6khz左(zuǒ)右，選(xuǎn)用ad817組(zǔ)成的二次放(fàng)大(dà)電路(lù)對濾(lǜ)波電(diàn)路輸(shū)出的信号(hào)進行二次放大(dà)，将信号調理電路輸(shū)出的信号調整(zhěng)在0～5v之間，最(zuì)終利(lì)用dsp内部的ad轉換器對此信号進(jìn)行模數轉換得(dé)出(chū)傳感器(qì)線圈(quān)輸出(chū)的感(gǎn)應電(diàn)動勢，從而(ér)根據(jù)相關的(de)公式計算得(dé)出管(guǎn)道中(zhōng)液體(tǐ)的(de)流量。具(jù)體電路圖如圖5所示。

2．3通(tōng)信電路(lù)
　　電磁(cí)流(liú)量計輸(shū)出的流量值可(kě)以通過外接的(de)tftlcd屏直接顯示(shì)，還可以通過(guò)預留的rs485通信接口将(jiāng)數據發送(sòng)到上(shàng)位機中［12］。rs485電(diàn)路最(zuì)大的優點(diǎn)是485電(diàn)平與ttl電(diàn)平(píng)兼容(róng)，方便與ttl電(diàn)路相(xiàng)連;抗共模(mó)幹擾(rǎo)能力強;數(shù)據傳輸速度快，高(gāo)達10mbps;通信距離(lí)遠，最(zuì)大爲1．2km。系統(tǒng)采用(yòng)sp3485芯片(piàn)進(jìn)行(háng)數據通信(xìn)，sp3485是一款低(dī)功耗芯片且符(fú)合rs485協議的(de)收發(fā)器，電路(lù)圖如圖6所示(shì)。

3軟件設計
　　軟件流程(chéng)圖如(rú)圖7所(suǒ)示。軟(ruǎn)件采(cǎi)用模塊化(huà)的設(shè)計方法，主要設(shè)計了勵(lì)磁(cí)控制切換(huàn)程(chéng)序、pwm波産(chǎn)生程序、a/d轉(zhuǎn)換程(chéng)序以及rs485通信程(chéng)序等。系(xì)統上電(diàn)後首(shǒu)先執行複(fú)位(wèi)操作，利用dsp内(nèi)部的定時器産生pwm波(bō)控制(zhì)h橋電(diàn)路中(zhōng)的勵磁方式，當系統檢測(cè)到傳感(gǎn)器線圈(quān)輸出的感應電(diàn)動勢後，利用dsp内(nèi)部的12位a/d轉(zhuǎn)換器(qì)對此(cǐ)信(xìn)号進行(háng)模數轉(zhuǎn)換(huàn)，最後根據相應算(suàn)法(fǎ)計算出管(guǎn)道中(zhōng)被測液體的流(liú)量。

4實(shí)驗數(shù)據分(fèn)析
　　實驗中使用(yòng)管道的管徑(jìng)爲(wèi)标準(zhǔn)50mm，連(lián)續(xù)檢測(cè)管道(dào)中同(tóng)一點的流(liú)量，每10min記錄(lù)一次數據，對比(bǐ)數據的差異，以(yǐ)此來判定系統(tǒng)測量(liàng)的穩定性(xìng)。首先對管(guǎn)道中的流(liú)量(liàng)進行标(biāo)定，利用标準流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，通過改變(biàn)閥門(mén)開度來調整管(guǎn)道中液體流量(liàng)，流量(liàng)标定爲1m/s，此時啓動系(xì)統開(kāi)始檢測，數(shù)據如表1所示。

　　由表1測量(liàng)數據可知，當(dāng)管道中液體的(de)流速恒定時，系(xì)統在同(tóng)一(yī)點檢(jiǎn)測到(dào)的流(liú)量基本一緻，誤差在(zài)4%内，由(yóu)此可見系(xì)統具有(yǒu)良好的(de)穩定性，符(fú)合設(shè)計預期。
　　在驗證(zhèng)完系(xì)統的穩定(dìng)性之後，進(jìn)一步檢驗系統(tǒng)測量的準确(què)性。通過閥門(mén)改變管道(dào)中待測(cè)液體的(de)流速(sù)，将标準流(liú)量計檢測到的(de)流速與系統測(cè)量的(de)流速(sù)進行(háng)比較(jiào)，實驗測量(liàng)數據如表2所示。

　　由表2測量數據(jù)可知，系(xì)統在測(cè)量低(dī)流速液體時(shí)(流(liú)速(sù)小(xiǎo)于1m/s)誤(wù)差較大，達到(dào)5%，當(dāng)待測液體(tǐ)的流(liú)速增(zēng)大時(shí)(大于(yú)1．4m/s)，誤差逐漸(jiàn)減小(xiǎo)，基本維持在3%以(yǐ)内。由(yóu)此可見系(xì)統具(jù)有較高的(de)檢測精度，尤其(qí)是當管道(dào)中的液體流(liú)速較高(gāo)時，系統的(de)檢測(cè)誤差(chà)不超(chāo)過3%，達(dá)到了設計(jì)預期(qī)。
5結束語
　　采用了(le)基于(yú)能量回饋(kuì)和電流旁路(lù)的高低(dī)壓勵磁控(kòng)制方案，通(tōng)過高(gāo)低壓(yā)切(qiē)換勵磁(cí)的(de)方式(shì)來實現對勵磁過程中恒流的控(kòng)制，從(cóng)而使(shǐ)得系(xì)統穩(wěn)定可(kě)靠(kào)運(yùn)行。mcu采(cǎi)用高性能數字(zì)處理器dsptms320f28335，提高了(le)系統(tǒng)的(de)采(cǎi)樣精(jīng)度以及算(suàn)法處理的速度。在測(cè)量數(shù)據顯(xiǎn)示方(fāng)面，利(lì)用tftlcd屏直接(jiē)顯示測量(liàng)結果，也可以将測量數據通過rs485接口(kǒu)發送(sòng)到上位機(jī)中。實(shí)際測試結(jié)果表(biǎo)明，系統具(jù)有良好的穩定(dìng)性，且(qiě)測量精度較高，誤差不超(chāo)過5%。

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