摘(zhai)要:針對(dui)傳統電(dian)磁流量(liang)計 在測(ce)量漿液(ye)流量時(shi)存在精(jing)度低、傳(chuan)感器輸(shu)出波動(dong)大👉等缺(que)點，設計(ji)了一種(zhong)基于DSP的(de)高頻勵(li)磁電磁(ci)流量計(ji)。該電磁(ci)流量計(ji)采用高(gao)低壓切(qie)換勵磁(ci)方式，通(tong)過🤩引入(ru)電🤟流旁(pang)路🔴來改(gai)進變送(song)器的勵(li)磁🔴電路(lu)，提高勵(li)磁頻率(lü)。利🥵用具(ju)有高輸(shu)入阻抗(kang)的差分(fen)放大電(dian)路放🔴大(da)傳感器(qi)輸出信(xin)号，提高(gao)信号的(de)信噪比(bi)，保證提(ti)取信号(hao)的精度(du)。實際測(ce)試結果(guo)表明:系(xi)統測量(liang)精度高(gao)，對小流(liu)速階段(duan)測量準(zhun)确度明(ming)顯改善(shan)，測量誤(wu)差不超(chao)🔞過5%。
0引言(yan)
　　流量檢(jian)測在工(gong)業生産(chan)、廢液監(jian)測以及(ji)管道運(yun)輸等領(ling)域有✉️着(zhe)廣🚶‍♀️泛的(de)應用，根(gen)據測量(liang)原理不(bu)同，流量(liang)計可以(yi)😄大緻分(fen)爲💘力學(xue)、電學、聲(sheng)學、熱學(xue)、光學等(deng)類型，其(qi)中電磁(ci)流量計(ji)是依據(ju)💚電學原(yuan)理研制(zhi)而成，電(dian)磁流量(liang)計與其(qi)他流量(liang)計相比(bi)，具有結(jie)構簡單(dan)🌏、測量精(jing)度高、穩(wen)定性好(hao)等特點(dian)。但電😄磁(ci)流量計(ji)在測量(liang)低流速(su)、低導電(dian)率液💰體(ti)時存在(zai)精度不(bu)高等缺(que)點，爲了(le)克服這(zhe)個缺點(dian)，研制了(le)🏃一種基(ji)于DSP的高(gao)頻勵磁(ci)電磁流(liu)量計🌈，在(zai)勵磁方(fang)式上選(xuan)🌐用旁路(lu)勵磁電(dian)路與🏃🏻恒(heng)流控制(zhi)電路相(xiang)結合的(de)方式，提(ti)高了勵(li)磁頻率(lü)以及能(neng)量的利(li)用效率(lü)。選用高(gao)性能DSPTMS320F28335來(lai)♈采集處(chu)理傳感(gan)器輸出(chu)的信号(hao)，顯著提(ti)💯高了系(xi)統測量(liang)時的響(xiang)應速度(du)，将流量(liang)計算結(jie)果通過(guo)LCD屏的方(fang)式💋實時(shi)顯示，系(xi)統具有(you)體積小(xiao)、便攜式(shi)以及測(ce)量精度(du)高等優(you)點［3］。
1高頻(pin)勵磁電(dian)磁流量(liang)計測量(liang)原理
　　電(dian)磁流量(liang)計根據(ju)電磁感(gan)應定律(lü)的原理(li)來測量(liang)導電液(ye)體的流(liu)量，測量(liang)導電液(ye)體的傳(chuan)感器中(zhong)繞有線(xian)圈，通🥰過(guo)給線圈(quan)🐆通電［4］，當(dang)液體流(liu)過線圈(quan)時就會(hui)切割磁(ci)感線，此(ci)時在線(xian)圈的兩(liang)端會産(chan)生感🥵應(ying)電動勢(shi)e，根據電(dian)磁學中(zhong)右手法(fa)則可得(de):

　　式中:B爲(wei)傳感器(qi)線圈産(chan)生的磁(ci)場強度(du);L爲傳感(gan)器線圈(quan)的長度(du);v爲液體(ti)在傳感(gan)器中流(liu)動的速(su)度。
由流(liu)量計算(suan)公式可(ke)得:

式中(zhong)S爲傳感(gan)器管道(dao)的截面(mian)積。
　　由式(shi)(1)可知，當(dang)B和L已知(zhi)時，隻要(yao)測得e就(jiu)可以反(fan)推出v;由(you)式(2)可知(zhi)♊，當測得(de)v時就能(neng)計算出(chu)Q。
2高頻勵(li)磁電磁(ci)流量計(ji)硬件設(she)計
　　高頻(pin)勵磁電(dian)磁流量(liang)計由傳(chuan)感器、高(gao)頻勵磁(ci)電路、信(xin)号處理(li)電⚽路等(deng)組成［5］，其(qi)中高頻(pin)勵磁電(dian)路決定(ding)着傳感(gan)器磁場(chang)的強弱(ruo)，勵磁電(dian)路的穩(wen)定性以(yi)及精确(que)性決定(ding)着系統(tong)檢測的(de)準确性(xing)以✉️及穩(wen)定性。DSP系(xi)統控制(zhi)勵磁電(dian)路激勵(li)傳感器(qi)線圈，當(dang)線圈中(zhong)有導電(dian)液體流(liu)過時，其(qi)切割磁(ci)感線并(bing)在傳感(gan)器兩端(duan)的線圈(quan)上⛱️産生(sheng)感應電(dian)動⁉️勢，利(li)用信号(hao)檢測電(dian)路監測(ce)感應電(dian)動勢的(de)大小，最(zui)後根據(ju)相應關(guan)系計算(suan)出液體(ti)的流💛量(liang)，系統硬(ying)件框圖(tu)如✌️圖1所(suo)示。

2．1高頻(pin)勵磁電(dian)路設計(ji)
　　高頻勵(li)磁電路(lu)主要由(you)高低壓(ya)切換恒(heng)流控制(zhi)電路和(he)H橋勵磁(ci)☀️開關電(dian)路組成(cheng)［6－7］。其中高(gao)低壓切(qie)換恒流(liu)控制電(dian)路确保(bao)高壓或(huo)低壓📐情(qing)況下，都(dou)可以通(tong)過H橋向(xiang)勵磁線(xian)🔞圈提供(gong)恒定的(de)電流。電(dian)路原理(li)🍉圖如圖(tu)2所示💰。

　　如(ru)圖2所示(shi)，在對傳(chuan)感器線(xian)圈進行(hang)勵磁時(shi)，通過比(bi)較器控(kong)制㊙️切換(huan)開關切(qie)換高低(di)壓進行(hang)勵磁［8］。Vref作(zuo)爲比較(jiao)器的基(ji)準輸入(ru)端，其表(biao)示🌍勵磁(ci)電流的(de)電壓穩(wen)态值;而(er)Cur則表⭐示(shi)H橋勵磁(ci)電路中(zhong)檢測到(dao)的電壓(ya)信号。一(yi)開💞始當(dang)系統處(chu)于低壓(ya)勵磁狀(zhuang)态♉時，系(xi)統會自(zi)動斷開(kai)切換電(dian)路中的(de)電流旁(pang)路，此時(shi)系統通(tong)過利用(yong)H橋向☂️勵(li)磁線圈(quan)提✍️供恒(heng)定電流(liu)。當勵磁(ci)方向變(bian)化時，電(dian)流檢測(ce)電路💘就(jiu)會檢測(ce)到電流(liu)變爲負(fu)方向，比(bi)較器的(de)Cur端與Vref端(duan)的平衡(heng)就會發(fa)生變化(hua)，此時系(xi)🈚統通過(guo)比較器(qi)自動切(qie)換爲高(gao)壓勵磁(ci)狀态。與(yu)低壓勵(li)磁方⁉️式(shi)相反，在(zai)此種狀(zhuang)态下，恒(heng)流控制(zhi)電路關(guan)閉而電(dian)流旁路(lu)打開，線(xian)圈中的(de)能量就(jiu)會存儲(chu)在能量(liang)回饋電(dian)路中🙇🏻，此(ci)時C1端的(de)電壓會(hui)超過高(gao)壓源。等(deng)勵磁線(xian)圈中的(de)能⭕量釋(shi)放完🐪後(hou)，電流逐(zhu)漸降爲(wei)零，此時(shi)能🤩量回(hui)饋電路(lu)就會利(li)用電流(liu)旁路和(he)H橋将能(neng)量反饋(kui)給勵磁(ci)線圈。當(dang)電容C1端(duan)的電壓(ya)下降到(dao)小于高(gao)壓源時(shi)，系統就(jiu)會自動(dong)通過電(dian)🌈流旁路(lu)和H橋直(zhi)接對勵(li)磁線⛹🏻‍♀️圈(quan)進行勵(li)磁，當勵(li)磁線🈲圈(quan)中的電(dian)流超過(guo)設定阈(yu)值時，Cur端(duan)電壓✉️就(jiu)會大于(yu)Vref點電壓(ya)，此時比(bi)較器又(you)會切換(huan)成低壓(ya)勵磁方(fang)式，如此(ci)反複循(xun)環控制(zhi)，達到對(dui)勵磁👉線(xian)圈恒流(liu)控制的(de)目的。圖(tu)3爲H橋🐅勵(li)磁控制(zhi)電路❗。

　　由(you)圖3可知(zhi)，Io爲高低(di)壓切換(huan)恒流控(kong)制電路(lu)輸出的(de)恒流源(yuan)電流，H橋(qiao)驅動的(de)COM1端控制(zhi)三極管(guan)Q1和場效(xiao)應管Q4的(de)通斷;COM2端(duan)控♉制三(san)極管Q2和(he)場🔞效應(ying)管Q3的通(tong)斷。L1表示(shi)的是勵(li)磁線圈(quan)(傳感⚽器(qi)中線圈(quan))，COM1、COM2爲正交(jiao)的PWM波信(xin)号，因此(ci)在勵磁(ci)線圈L1的(de)兩端會(hui)産生方(fang)波勵磁(ci)信号。檢(jian)流電路(lu)主要是(shi)用來檢(jian)測勵磁(ci)線圈中(zhong)電流的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼變化，當(dang)線圈中(zhong)的勵磁(ci)電💁流方(fang)向變化(hua)時，可以(yi)及時将(jiang)此信息(xi)反饋給(gei)高低🏃壓(ya)切換❤️恒(heng)流控🎯制(zhi)電路中(zhong)的比較(jiao)器，從而(er)實現切(qie)換高低(di)壓源達(da)到恒流(liu)控制的(de)目的［9］。
2．2信(xin)号調理(li)電路
　　由(you)于傳感(gan)器線圈(quan)輸出的(de)電動勢(shi)信号非(fei)常微弱(ruo)，幹擾成(cheng)☁️分複雜(za)，信号幅(fu)值受磁(ci)場變動(dong)影響較(jiao)大，不能(neng)滿足ADC采(cai)用🐇的要(yao)求，因此(ci)需要對(dui)此信号(hao)進行調(diao)理［10］。信🔅号(hao)調理電(dian)路原理(li)圖如🎯圖(tu)4所示。

　　如(ru)圖4所示(shi)，信号調(diao)理電路(lu)由前置(zhi)放大電(dian)路、濾波(bo)電路以(yi)及二次(ci)放大電(dian)路組成(cheng)［11］。其中前(qian)置放大(da)電路主(zhu)要是由(you)AD8610組成的(de)🔞差分💃放(fang)大電路(lu)構成，其(qi)主要是(shi)去除信(xin)号中的(de)共模幹(gan)擾并且(qie)進行第(di)一次前(qian)置放大(da)，前置放(fang)大電路(lu)的放大(da)倍數爲(wei)15。由于有(you)效信号(hao)的幅值(zhi)很小，經(jing)過前置(zhi)放大電(dian)路後信(xin)号中還(hai)存在很(hen)多高🏃‍♀️頻(pin)雜波，這(zhe)些雜🥵波(bo)會影響(xiang)對後級(ji)信号的(de)處理，因(yin)此還需(xu)要對前(qian)置放🛀大(da)電路輸(shu)出的信(xin)号進行(hang)低通濾(lü)波和二(er)次放大(da)。系統選(xuan)用二階(jie)有源低(di)通濾波(bo)電路🔞濾(lü)除信号(hao)中的高(gao)頻幹🌍擾(rao)，低通濾(lü)波的截(jie)止頻率(lü)設🐪定在(zai)6kHz左右，選(xuan)用AD817組⭐成(cheng)的二次(ci)放大電(dian)路對濾(lü)波電路(lu)輸出的(de)信号❓進(jin)行二次(ci)放大，将(jiang)信号調(diao)理電路(lu)輸出的(de)信号調(diao)整在0～5V之(zhi)間，最終(zhong)利用DSP内(nei)部的AD轉(zhuan)換器對(dui)此🈲信号(hao)進行🆚模(mo)數轉換(huan)得出傳(chuan)感器線(xian)圈輸出(chu)的感應(ying)電動勢(shi)，從而根(gen)⭐據相⭐關(guan)的公式(shi)計算得(de)出管道(dao)中液體(ti)的流量(liang)。具體電(dian)路圖如(ru)圖5所示(shi)。

2．3通信電(dian)路
　　電磁(ci)流量計(ji)輸出的(de)流量值(zhi)可以通(tong)過外接(jie)的TFTLCD屏直(zhi)接顯🛀示(shi)，還可🤟以(yi)通過預(yu)留的RS485通(tong)信接口(kou)将數據(ju)發送📱到(dao)上位機(ji)中［12］。RS485電路(lu)最大的(de)優點是(shi)485電平與(yu)TTL電平兼(jian)容，方便(bian)與TTL電路(lu)相🐉連;抗(kang)共模幹(gan)擾能力(li)強;數據(ju)傳輸速(su)度快，高(gao)達10Mbps;通信(xin)距離遠(yuan)，最大爲(wei)1．2km。系統采(cai)用SP3485芯片(pian)進行數(shu)據通信(xin)，SP3485是📧一款(kuan)低功耗(hao)芯片且(qie)符合RS485協(xie)議的收(shou)發🧑🏽‍🤝‍🧑🏻器，電(dian)路圖如(ru)圖♍6所示(shi)。

3軟件設(she)計
　　軟件(jian)流程圖(tu)如圖7所(suo)示。軟件(jian)采用模(mo)塊化的(de)設計方(fang)法，主🧑🏾‍🤝‍🧑🏼要(yao)設計了(le)勵磁控(kong)制切換(huan)程序、PWM波(bo)産生程(cheng)序、A/D轉換(huan)程序以(yi)及RS485通信(xin)程序等(deng)。系統上(shang)電後首(shou)先執行(hang)複⁉️位操(cao)作，利用(yong)DSP内👄部的(de)定時器(qi)産生PWM波(bo)控制H橋(qiao)電路中(zhong)♊的勵磁(ci)方式，當(dang)系統檢(jian)測到傳(chuan)感器線(xian)圈輸出(chu)的感應(ying)電動勢(shi)後，利用(yong)DSP内部的(de)⭐12位A/D轉換(huan)器對此(ci)信号進(jin)行模數(shu)轉換，最(zui)後根據(ju)相應算(suan)法計算(suan)出管道(dao)中被測(ce)液體的(de)流量。

4實(shi)驗數據(ju)分析
　　實(shi)驗中使(shi)用管道(dao)的管徑(jing)爲标準(zhun)50mm，連續檢(jian)測管道(dao)中同一(yi)🐉點的流(liu)量，每10min記(ji)錄一次(ci)數據，對(dui)比數據(ju)的差異(yi)，以此㊙️來(lai)判定系(xi)統測量(liang)的🆚穩定(ding)性。首先(xian)對管道(dao)中的流(liu)量進行(hang)标定，利(li)用标準(zhun)流量計(ji)進行檢(jian)測，通過(guo)改變閥(fa)門開🙇‍♀️度(du)來調整(zheng)管道中(zhong)液體流(liu)量，流📧量(liang)标定爲(wei)1m/s，此時啓(qi)動系統(tong)開始檢(jian)測，數據(ju)如表1所(suo)示。

　　由表(biao)1測量數(shu)據可知(zhi)，當管道(dao)中液體(ti)的流速(su)恒定時(shi)，系統在(zai)🌏同一點(dian)檢測到(dao)的流量(liang)基本一(yi)緻，誤差(cha)在4%内，由(you)此可見(jian)系統🐇具(ju)有💚良好(hao)🈲的穩定(ding)性，符合(he)設計預(yu)期。
　　在驗(yan)證完系(xi)統的穩(wen)定性之(zhi)後，進一(yi)步檢驗(yan)系統測(ce)♻️量的㊙️準(zhun)确性。通(tong)過閥門(men)改變管(guan)道中待(dai)測液體(ti)的流☀️速(su)，将标準(zhun)♌流量計(ji)檢🐕測到(dao)的流速(su)與系統(tong)測量的(de)流速進(jin)行比較(jiao)，實驗測(ce)量數據(ju)如表2所(suo)示。

　　由表(biao)2測量數(shu)據可知(zhi)，系統在(zai)測量低(di)流速液(ye)體時(流(liu)📱速小♌于(yu)‼️1m/s)誤差較(jiao)大，達到(dao)5%，當待測(ce)液體的(de)流速增(zeng)大時(大(da)于1．4m/s)，誤差(cha)逐漸減(jian)小🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，基本(ben)維持在(zai)3%以内。由(you)此可見(jian)系統具(ju)有⭕較高(gao)的檢測(ce)精度，尤(you)其是當(dang)管道中(zhong)的液體(ti)流速較(jiao)高時，系(xi)統的檢(jian)測誤差(cha)不超過(guo)3%，達🔴到了(le)設計預(yu)期。
5結束(shu)語
　　采用(yong)了基于(yu)能量回(hui)饋和電(dian)流旁路(lu)的高低(di)壓勵磁(ci)控制㊙️方(fang)案，通過(guo)高低壓(ya)切換勵(li)磁的方(fang)式來實(shi)現對勵(li)磁過程(cheng)中恒流(liu)的控制(zhi)，從而使(shi)得系統(tong)穩定可(ke)靠運行(hang)。MCU采用高(gao)性能數(shu)字處理(li)器🌈DSPTMS320F28335，提高(gao)了😄系統(tong)的采樣(yang)精度以(yi)及算法(fa)處理⛹🏻‍♀️的(de)速度。在(zai)測量數(shu)據顯示(shi)方面，利(li)用TFTLCD屏直(zhi)接顯示(shi)測量結(jie)果，也可(ke)以将測(ce)量數據(ju)通過RS485接(jie)口發送(song)到上位(wei)機中。實(shi)際測試(shi)結果表(biao)明，系統(tong)具有良(liang)好🙇🏻的穩(wen)定性，且(qie)測量精(jing)度較高(gao)，誤差不(bu)超過5%。

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