摘(zhāi)要:針對傳統(tong)電磁流量計(ji) 在測量漿液(ye)流量時存在(zai)精度低、傳感(gan)器輸出波動(dong)🐪大等缺🤞點，設(she)計了一種基(jī)于DSP的高頻勵(lì)磁電磁流量(liàng)計。該💋電磁流(liu)量計采用高(gāo)低壓切換勵(lì)磁方式，通過(guò)引入電🥵流旁(páng)路來改進🔆變(biàn)送器的勵磁(cí)🏃🏻‍♂️電路，提高勵(lì)磁頻率。利用(yòng)具有高輸入(ru)阻抗🔴的差分(fen)放大電路放(fang)大傳感器輸(shu)出信号，提高(gao)信号的信噪(zào)⛱️比，保證提取(qǔ)信号的精度(du)🛀🏻。實⭐際測試結(jié)果表明:系統(tǒng)測量精度高(gao)，對小流速階(jie)段測量準确(que)度明顯改善(shan)，測量誤差不(bú)超✉️過5%。
0引言
　　流(liú)量檢測在工(gōng)業生産、廢液(ye)監測以及管(guan)道運輸等領(lǐng)域有着廣泛(fan)的應用，根據(ju)測量原理不(bu)同，流量計可(kě)以🏃‍♂️大緻分爲(wèi)🍉力學、電學、聲(sheng)學、熱學、光學(xué)等類型，其中(zhong)電磁流量計(jì)是依據電學(xué)原理研制⚽而(ér)成，電磁流量(liàng)計與其他流(liú)量計相比，具(jù)有結構簡單(dan)、測量精度👣高(gāo)、穩定性好等(deng)特點。但電磁(cí)流量計在測(cè)量低流速、低(di)導電率液體(tǐ)時存在精度(du)不高等缺點(diǎn)，爲了克服🛀🏻這(zhe)個缺點，研制(zhi)了🔴一種基于(yu)DSP的高頻勵磁(cí)電磁流量計(jì)，在勵磁方式(shi)上選用旁路(lù)勵磁電路與(yu)恒流控制電(dian)路相結合的(de)方式，提🥵高了(le)勵磁頻率以(yǐ)及能量的🔴利(lì)用效率。選用(yong)高性能DSPTMS320F28335來☂️采(cǎi)集處理傳感(gǎn)器輸出的🛀信(xin)号，顯著提高(gāo)了系統測量(liang)📐時的響應速(su)度，将流量計(jì)算結果通過(guo)LCD屏的方式實(shí)時顯示，系統(tong)具有體積小(xiao)、便攜式🐕以及(ji)測量精度高(gao)等優📱點［3］。
1高頻(pin)勵磁電磁流(liú)量計測量原(yuán)理
　　電磁流量(liang)計根據電磁(cí)感應定律的(de)原理來測量(liang)導電液體的(de)流量，測量導(dao)電液體的傳(chuán)感器中繞有(yǒu)線圈，通🥵過給(gei)線圈🎯通電［4］，當(dang)液體流過線(xian)圈時就會切(qie)割磁感線，此(ci)時在線圈的(de)兩端會産生(sheng)感應電動勢(shi)e，根♍據電磁學(xué)中右手法🌈則(ze)可得:

　　式中:B爲(wei)傳感器線圈(quan)産生的磁場(chang)強度;L爲傳感(gan)器線圈😘的👉長(zhǎng)度☂️;v爲液體在(zài)傳感器中流(liú)動的速度。
由(yóu)流量計算公(gōng)式可得:

式中(zhōng)S爲傳感器管(guan)道的截面積(jī)。
　　由式(1)可知，當(dang)B和L已知時，隻(zhī)要測得e就可(ke)以反推出v;由(you)式(2)可知♌，當測(ce)得v時就能計(ji)算出Q。
2高頻勵(lì)磁電磁流量(liang)計硬件設計(jì)
　　高頻勵磁電(diàn)磁流量計由(yóu)傳感器、高頻(pin)勵磁電路、信(xìn)号處理電路(lu)等組成［5］，其中(zhong)高頻勵磁電(dian)路決定着傳(chuan)感器🎯磁場的(de)強🐪弱，勵磁電(diàn)路的穩定性(xing)以及精确性(xìng)㊙️決定着系統(tong)檢測的準确(que)性以及穩定(dìng)性。DSP系統控制(zhi)勵磁電路激(ji)勵傳感器線(xian)圈，當⭐線圈中(zhong)有導電液體(tǐ)流過時，其切(qie)割磁感線并(bìng)在傳感器兩(liang)🚩端的線圈上(shàng)産生感應電(dian)動勢，利用信(xìn)号檢測電路(lù)監測感應電(diàn)動勢的大小(xiǎo)，最後根據相(xiang)應關系計算(suàn)出液體的流(liú)量，系統硬件(jiàn)框圖如🤟圖1所(suo)示。

2．1高頻勵磁(cí)電路設計
　　高(gāo)頻勵磁電路(lù)主要由高低(di)壓切換恒流(liu)控制電路和(he)H橋勵磁開關(guān)電路組成［6－7］。其(qi)中高低壓切(qie)換恒流控制(zhi)電路确保高(gao)🔆壓或低壓情(qíng)況下，都可以(yi)通過H橋向🌈勵(lì)磁線圈提供(gòng)恒定的🚶‍♀️電流(liú)。電路原理圖(tu)如圖2所示。

　　如(rú)圖2所示，在對(duì)傳感器線圈(quan)進行勵磁時(shi)，通過比較⛱️器(qì)控制切🤟換開(kai)關切換高低(dī)壓進行勵磁(ci)［8］。Vref作爲比較器(qi)的基準輸入(ru)端，其表示勵(li)磁電流的電(dian)壓穩态值;而(er)Cur則表示H橋勵(lì)磁電路中檢(jian)測🚶‍♀️到的電壓(ya)信号。一開始(shǐ)當系統⭐處于(yú)低壓勵磁狀(zhuàng)态時，系統會(hui)自動斷開切(qie)換電路中的(de)電流旁路❄️，此(cǐ)時系統通過(guò)利用H橋向勵(li)磁線圈提🍓供(gòng)恒定電流。當(dāng)勵磁方向變(biàn)化時，電流🐕檢(jiǎn)測電路就會(hui)檢測到電流(liu)變爲負方向(xiang)，比較器的Cur端(duan)與Vref端的平衡(heng)就會發生變(biàn)化，此時系統(tong)通過比較器(qì)自動切🍉換爲(wèi)高壓勵磁狀(zhuàng)态。與低壓勵(lì)磁方式相反(fǎn)，在此種狀态(tai)下，恒流控制(zhi)電路關閉而(ér)電流旁路打(da)開，線圈中的(de)能量就會存(cun)儲在能量回(hui)饋電路中，此(cǐ)時C1端的電壓(ya)會超過高壓(yā)源。等勵磁線(xian)圈中的能量(liàng)釋放完後，電(dian)流逐漸降爲(wei)零，此時能量(liàng)回饋電路✌️就(jiù)會利用電流(liu)旁路和H橋将(jiāng)能量反饋給(gei)勵磁線💁圈。當(dang)電容C1端的電(dian)壓下降到小(xiǎo)于高壓源時(shí)，系統就會自(zì)動通過電流(liu)旁路和H橋直(zhi)接對勵磁線(xiàn)圈進行勵磁(cí)，當勵磁線圈(quan)中的電流超(chao)過設定阈值(zhí)時，Cur端電壓就(jiù)會大于Vref點電(dian)壓，此時比較(jiào)器又會切‼️換(huan)成低壓勵磁(ci)方式，如此反(fan)複循環控制(zhì)，達到對勵磁(cí)線圈恒流控(kong)制的目的。圖(tú)3爲H橋勵磁控(kong)制電路。

　　由圖(tu)3可知，Io爲高低(dī)壓切換恒流(liu)控制電路輸(shū)出的恒流源(yuan)♍電流，H橋驅動(dòng)的COM1端控制三(san)極管Q1和場效(xiào)應管Q4的通斷(duàn);COM2端控制三極(jí)管Q2和場效應(yīng)管Q3的通斷。L1表(biao)示的是勵磁(ci)線☔圈(傳感器(qì)中線圈)，COM1、COM2爲正(zhèng)㊙️交的PWM波☎️信号(hào)，因此在勵磁(ci)線圈L1的兩端(duān)會産生方波(bo)勵磁信号。檢(jiǎn)流電路主要(yào)是用來檢測(cè)勵磁線圈中(zhōng)電流的變化(hua)，當線圈中的(de)勵磁電流方(fāng)向變化時，可(ke)以及時将此(ci)信🔴息反饋給(gei)高低壓切換(huan)恒流控制電(diàn)路中的比較(jiao)器，從而實現(xiàn)切換高低壓(ya)源🙇🏻達到恒流(liu)控制的目的(de)［9］。
2．2信号調理電(dian)路
　　由于傳感(gan)器線圈輸出(chu)的電動勢信(xin)号非常微弱(ruò)，幹擾成分複(fú)雜，信号幅值(zhí)受磁場變動(dòng)影響較大，不(bú)能滿足ADC采用(yòng)的要求，因此(cǐ)需要對此信(xìn)号進行調理(lǐ)［10］。信号調理電(dian)路原理圖如(rú)圖4所示。

　　如圖(tú)4所示，信号調(diào)理電路由前(qian)置放大電路(lù)、濾波電路以(yǐ)及二次👌放大(dà)電路組成［11］。其(qi)中前置放大(da)電路主要是(shì)由AD8610組✊成的差(chà)分放大電路(lu)構成，其主要(yào)是去除信号(hào)中的共模幹(gan)擾并且進行(hang)🏃‍♂️第一次前置(zhi)放大，前置放(fàng)大電路的放(fàng)大倍數爲15。由(yóu)于有效信号(hao)的幅值很小(xiǎo)，經過前置放(fang)大電路👣後信(xìn)号中還存在(zai)很多高頻雜(za)波，這些雜波(bō)會影響對後(hòu)級信号的處(chu)理🌂，因此還需(xu)要對🌈前置放(fàng)❤️大電路輸出(chu)的信♻️号進行(háng)低通濾波和(he)二次放大。系(xì)統選用二階(jiē)有源低通💘濾(lǜ)波電路濾除(chú)信号中的高(gāo)頻幹擾，低通(tong)濾波的截止(zhǐ)頻率設定在(zai)6kHz左右，選用AD817組(zǔ)成的二次放(fàng)大電路對濾(lü)波電路輸出(chu)的信号進行(háng)二次放大，将(jiāng)信号調理電(dian)路輸出🔴的信(xìn)号調整在0～5V之(zhī)間，最終利用(yong)DSP内部的AD轉換(huàn)器對此信号(hao)進行模數轉(zhuǎn)換得出傳感(gǎn)器線圈輸出(chū)的感應電動(dòng)勢，從而根據(ju)相關的公式(shi)計算‼️得出管(guan)道中液體的(de)流量。具體電(dian)路圖如圖5所(suǒ)示。

2．3通信電路(lù)
　　電磁流量計(jì)輸出的流量(liàng)值可以通過(guo)外接的TFTLCD屏直(zhí)接顯示，還可(ke)以通過預留(liu)的RS485通信接口(kǒu)将數據發送(song)到上位機中(zhong)［12］。RS485電🌂路最大的(de)優點是485電平(píng)與TTL電平兼容(rong)，方便與TTL電路(lu)相🔱連;抗共🔞模(mo)幹擾能力強(qiáng)♌;數據傳輸速(su)度快，高達10Mbps;通(tōng)信距離🤩遠，最(zuì)大爲1．2km。系統采(cai)用SP3485芯片進行(háng)數據通信，SP3485是(shi)一款低功耗(hao)芯片且符合(he)RS485協議的收發(fa)🚶‍♀️器，電路圖如(ru)🐪圖6所示。

3軟件(jian)設計
　　軟件流(liú)程圖如圖7所(suǒ)示。軟件采用(yòng)模塊化的設(she)計方法，主要(yao)設計了勵磁(cí)控制切換程(chéng)序、PWM波産生程(cheng)序、A/D轉換程序(xu)以及RS485通👌信程(chéng)☂️序等。系統上(shàng)電後首先執(zhi)行複位操作(zuò)，利用DSP内部的(de)定🚶時器産生(sheng)PWM波控制H橋電(diàn)路中的勵磁(ci)方式，當系統(tǒng)檢測到傳感(gǎn)器線圈輸出(chu)的感📧應電動(dong)勢後，利用DSP内(nei)部的⛷️12位A/D轉換(huan)器對🏃‍♂️此信号(hào)進行模數轉(zhuǎn)換，最後根據(jù)相應算法計(jì)算出管道中(zhōng)被測液體的(de)流量。

4實驗數(shu)據分析
　　實驗(yàn)中使用管道(dào)的管徑爲标(biao)準50mm，連續檢測(cè)管道中同一(yī)點的流量，每(měi)10min記錄一次數(shù)據，對比數據(ju)的差異，以此(cǐ)來判定系統(tǒng)測量的穩定(ding)性。首先對管(guǎn)道中的流量(liang)進行标定，利(lì)用标☀️準流量(liàng)💞計進行檢測(ce)，通過改變閥(fa)門開㊙️度來調(diào)整管道中液(ye)體流量，流量(liang)标定爲1m/s，此時(shi)啓動系統開(kāi)始檢測，數據(ju)如表1所💋示。

　　由(you)表1測量數據(ju)可知，當管道(dào)中液體的流(liu)速恒定時，系(xì)統在同一✍️點(diǎn)檢測到的流(liú)量基本一緻(zhi)，誤差在4%内，由(you)此可見系統(tong)具有良好的(de)穩定性，符合(hé)設計預期。
　　在(zài)驗證完系統(tong)的穩定性之(zhī)後，進一步檢(jiǎn)驗系統測量(liang)🚶的準确性。通(tong)過閥門改變(bian)管道中待測(ce)液體的流速(sù)，将标準流量(liàng)計檢測到的(de)流速與系統(tǒng)測量的流速(sù)進行比較，實(shi)驗測量數據(ju)如表2所示。

　　由(yóu)表2測量數據(jù)可知，系統在(zài)測量低流速(sù)液體時(流速(sù)小于1m/s)誤差🌍較(jiào)大，達到5%，當待(dai)測液體的流(liú)速增大時(大(dà)于1．4m/s)，誤差逐漸(jian)減小，基本維(wéi)持在3%以内。由(yóu)此可見系統(tǒng)具有較高的(de)檢測精度，尤(you)其是當管道(dao)中的液體流(liu)速較高時，系(xi)統的檢測誤(wu)差不超過3%，達(dá)到了設計預(yu)期。
5結束語
　　采(cǎi)用了基于能(néng)量回饋和電(dian)流旁路的高(gāo)低壓勵磁控(kong)制方案，通過(guo)高低壓切換(huàn)勵磁的方式(shì)來實現對勵(li)磁過程☂️中恒(heng)流的控制，從(cong)而使得系統(tǒng)穩定可靠運(yun)行。MCU采用高性(xìng)能數字處理(li)器DSPTMS320F28335，提高了系(xì)統的采樣精(jing)度以及🌐算法(fa)處理的速度(du)。在測量數據(ju)🛀🏻顯示方面☂️，利(lì)用TFTLCD屏直接顯(xian)示測量結🤩果(guǒ)，也可以将測(cè)量數據通過(guò)RS485接口發送到(dào)上位機中。實(shí)際㊙️測試結果(guǒ)表明，系統具(ju)有良好的穩(wěn)定♊性，且測💃🏻量(liàng)精度較高，誤(wù)差不超過5%。

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