基于新型勵磁方式的電磁流量計設(shè)計
基于新型勵磁方式的電磁流量計設(shè)計
摘.. 要: 針對現(xiàn)有勵磁方式的缺陷, 提出了一種新型的三值正弦矩形波勵磁方式, 采用具有16 位ADC 采集模塊的M SP430F4793單片機作為MCU, 構(gòu)建了電磁流量計樣機。論文詳細(xì)地分析了新型勵磁方式的特點并介紹了軟、硬件設(shè)計。試驗結(jié)果表明, 新型勵磁方式有效地提高了信號的穩(wěn)定性, 克服了矩形波勵磁方式帶來的微分干擾難題, 也解決了正弦波勵磁中的正交干擾的影響, 減小了測量誤差, 對小流速階段的測量準(zhǔn)確度改善明顯。
關(guān)鍵詞: 電磁流量計; 三值正弦矩形波勵磁方式; 實驗; MSP430F4793
電磁流量計是隨著電子技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來的新型流量測量儀表, 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)電液體的流量測量。但是在測量以下液體時仍然存在困難: .. 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。通過改進(jìn)勵磁方式來提高信噪比是解決這些問題有效方法之一[ 1- 3] 。激磁技術(shù)是電磁流量計中最關(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個階段[ 4- 5] 。直流激磁方式由于在小流量測量時要求信號的直流穩(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不同程度的在電平快速切換時而引入微分干擾等難題[ 6 - 9] 。本文提出了一種新型的勵磁方式.. .. .. 三值正弦矩形波勵磁方式, 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?；诖藙畲欧绞? 采用德州儀器公司( T I)的具有16 位A /D 轉(zhuǎn)換模塊的MSP430F4793單片機作為MCU, 設(shè)計了一款具有較高穩(wěn)定性和測量精度的電磁流量計。
1.. 勵磁方式分析
1. 1.. 測量原理
電磁流量計的測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)流過一個橫向磁場B 的時候, 相當(dāng)于有一定電導(dǎo)率的導(dǎo)體在切割磁力線, 形成電動勢E, 其大小與磁場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, 即真實測量值。dB /dt為微分干擾, 它主要源于..變壓器效應(yīng)..[ 12- 13] , 其大小與流量無關(guān), 即使是在流速等于零, 沒有流量信號感應(yīng)的情況下也會存在, 是電磁流量計的主要干擾[ 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, 均為電磁流量計的次要干擾源[ 15- 16 ] 。
1. 2.. 三值正弦矩形波勵磁方式
對于當(dāng)前廣泛應(yīng)用的矩形波勵磁方式來說, 由于正、負(fù)值勵磁狀態(tài)的瞬間跳變, 造成在切換點的磁場變化率dB /dt趨于無窮大(波形上表現(xiàn)為一個尖峰), 形成的微分干擾極大, 足以使得前級放大器達(dá)到飽和, 導(dǎo)致信號穩(wěn)定性的降低, 信號如圖3( a)所示。圖2.. 三值正弦矩形勵磁波本文對當(dāng)前矩形波勵磁方式改進(jìn)后提出了一種新型的三值正弦矩形波勵磁方式, 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 為一個波形周期。在零值與正、負(fù)電平的切換過程中加入了正弦波段作為過渡, 使得勵磁信號變得相對平滑。選取的正弦波上升沿、平臺、正弦波下降沿和零值的時間比為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 為勵磁頻率。端點a右側(cè)dB /dt= A .. cos( - ../2) /2= 0, 左側(cè)磁場變化率為0, 兩者相等。端點b右側(cè)dB /dt= 0, 左側(cè)dB /dt= A.. cos( ../2) /2 = 0, 亦相等。因此, 在兩端點處的磁場變化率也是連續(xù)的, 沒有發(fā)生跳變。同理推得, 整個周期內(nèi)其余正弦波段的磁場變化率都是連續(xù)的, 這樣就有效地降低了微分干擾, 抑制了尖峰, 提升了信號的穩(wěn)定性, 使得電磁流量計在小流速測量階段也能夠達(dá)到較好的測量準(zhǔn)確度。在正、負(fù)勵磁波段, 由于磁場強度恒定, 微分干擾和同相干擾都很微弱, 所以在這個階段對感應(yīng)電動勢進(jìn)行采樣, 能夠取得較為穩(wěn)定的幅值, 從而提高了測量的準(zhǔn)確度。同時, 利用零值勵磁階段的電極信號來動態(tài)補償在正、負(fù)勵磁階段的感應(yīng)電動勢信號中的零點部分, 減小了零點漂移, 增加了零點穩(wěn)定性。圖3.. 不同勵磁方式下經(jīng)信號處理電路處理后的流量信號考慮到工頻干擾, 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。采用三值正弦波勵磁方式后, 經(jīng)過信號處理電路得到的流量信號如圖3( b)。
2.. 硬件系統(tǒng)
2. 1.. 硬件電路總體設(shè)計
三值正弦矩形波勵磁的電磁流量計的硬件部分主要由傳感器、電源電路、勵磁電路、流量信號處理電路、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.. 勵磁電路
勵磁系統(tǒng)決定著傳感器的工作磁場, 是轉(zhuǎn)換電路中非常重要的部分。本文中的勵磁電路由兩部分構(gòu)成, 如圖5所示。圖5.. 勵磁電路其中, 電路( .. )是由4只光耦和2片場效應(yīng)管IRF7343(每片中有一只N 溝道和一只P溝道型的場效應(yīng)管)組成的橋式開關(guān)電路。通過兩路控制信號C trl_A和C trl_B 的高低電平來控制場效應(yīng)管的通斷, 從而實現(xiàn)了勵磁線圈中電流方向的切換。電路( .. )是由一片運算放大器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 的定時器脈沖寬度調(diào)制( PWM ) 輸出經(jīng)過RC 電路濾波后來控制流過勵磁線圈的電流I, 從而產(chǎn)生三值正弦矩形波。
2. 3.. 信號處理及采集電路
電極輸出的感應(yīng)電動勢信號(微伏至毫伏級的交變信號)首先經(jīng)過RC 電路濾除部分高頻干擾信號, 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, 且有的干擾信號幅值遠(yuǎn)大于信號本身, 因此AD620的增益不宜設(shè)置得過大, 10 ~ 20倍為佳。流量信號經(jīng)過AD620放大后, 采用單端輸出(對地電壓)方式后通過電容隔直, 濾去了直流分量, 僅保留信號的交流分量。由于測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, 有必要對信號再次濾波, 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)交變的信號進(jìn)行電壓平移, 即整體提升信號幅值, 使之都為正值后送入MCU 的ADC引腳。圖6.. 信號處理電路
2. 4.. 單片機系統(tǒng)
采用TI公司的MSP430F4793作為電磁流量計的MCU, 與顯示模塊和鍵盤模塊共同構(gòu)成單片機系統(tǒng)。MSP430F4793片內(nèi)含2個16位定時器, 每個定時器各帶3個捕獲/比較存儲器和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 存儲器多達(dá)60KB, 并且擁有4個通用同步/異步通信接口。
3.. 軟件系統(tǒng)
智能電磁流量計有四種工作模式: 標(biāo)定模式、測量模式、測試模式和空管檢測模式。儀表上電后, 程序完成一系列初始化, 隨后便進(jìn)入測量模式開始正常工作。配合液晶菜單顯示, 用戶可以通過按鍵操作來選擇其他工作模式, 操作簡便。定時器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)置兩個有32個元素的數(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), 依次使用這些值來設(shè)置定時器的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)計的波形。圖7.. 定時器1中斷波形產(chǎn)生流程圖流量信號AD 采集程序流程如圖8 所示。以10個周期為一個測量過程, 在每個周期的高、低電平勵磁段各采集40個采樣點, 并在兩個零值勵磁段各采樣20點作為相對零點, 求得平均值后換算得到E正、E負(fù)、E零1和E零2共4 個電勢平均值。將E負(fù)與E零1的差值作為勵磁電流正向時對應(yīng)的流量信號, E負(fù)與E零2的差值(負(fù)值)作為反向流量信號。最后把兩個差值相減作為流量信號, 所以流量信號的計算公式為: E = (E正- E零1 ) - (E負(fù)- E零2 ) ( 3) 其中, 采樣時使用了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), 對輸入到ADC引腳的流量信號進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。當(dāng)輸入電壓很小時, 增加PGA 的放大倍數(shù); 而當(dāng)幅值過大時, 則減小PGA的放大倍數(shù), 這樣就使測得的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的采樣精度。圖8.. 流量信號AD采集程序流程圖
4.. 試驗結(jié)果及分析
試驗所用傳感器的內(nèi)徑為50 mm, 采用標(biāo)準(zhǔn)計量罐進(jìn)行標(biāo)定[ 18 ] 。對矩形波勵磁方式和三值正弦矩形波勵磁方式進(jìn)行對比試驗, 兩者均采用5H z勵磁頻率, 實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。從試驗結(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)測量時, 矩形波勵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時達(dá)到了13% , 如此大的誤差是無法接受的。與之相比, 三值正弦矩形波的測量誤差雖然有所上升但控制在.. 5%以內(nèi), 明顯好于矩形波勵磁。試驗證明, 新型的三值正弦矩形波勵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在小流速測量階段的精確度。表1.. 電磁流量計的流量試驗數(shù)據(jù)標(biāo)定流量/ (m 3 /h) 矩形波實測流量/ (m3 /h) 測量誤差/% 三值正弦矩形波實測流量/ ( m3 /h) 測量誤差/% 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.. 相對誤差值對照曲線圖
5.. 結(jié)論
本系統(tǒng)采用新型的三值正弦矩形勵磁方式增進(jìn)了信號的穩(wěn)定性, 加強了智能電磁流量計在工作過程中的抗力, 特別是提高了小流速階段的測量準(zhǔn)確度。MCU 采用MSP430F4793 提高了采樣精度, 簡化了電路, 降低了功耗。用戶通過鍵盤和菜單來選擇工作模式, 完成各項參數(shù)設(shè)置, 界面簡潔美觀, 操作簡單方便。系統(tǒng)運行穩(wěn)定, 測量精度較高, 具有較好的推廣應(yīng)用價值。--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、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、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站：
