昆山科爾源儀器儀表有限公司
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0 引言
電磁流量計是基于法拉第感應(yīng)定律的應(yīng)用[2]，因其在使用中無壓力損失而被廣泛應(yīng)用于眾多的工業(yè)場合。電磁流量計轉(zhuǎn)換器是其重要組成部分，直接決定了電磁流量計的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換器功能包括數(shù)據(jù)采集、顯示、計算、輸出、報警、故障診斷、自檢定及多段非線性補償、數(shù)據(jù)通訊功能等?，F(xiàn)行的轉(zhuǎn)換器大多使用8位的單片機，較為復(fù)雜的算法就難以實現(xiàn)或響應(yīng)時間過慢。本文設(shè)計的智能電磁流量計采用的是32位的ARM處理器，數(shù)據(jù)處理能力的提高使得采用復(fù)雜算法提高精度成為可能，低流速測量性能亦獲得較大改善，較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器設(shè)計有較為明顯的改進。
1 電磁流量計工作原理
電磁流量計的原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，推得流體的體積流量為：
式中 Ue-感應(yīng)電壓，V；
B 磁感應(yīng)強度，T；
D 管道內(nèi)徑，m；
Q 流體體積流量，m3/s。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
電磁流量計的轉(zhuǎn)換器是一個典型的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，硬件上大致包含以下幾個部分：多路電源模塊、ARM處理器、勵磁模塊、信號采集與處理模塊、輸入輸出接口、通訊模塊等。硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。
2.1 勵磁模塊
轉(zhuǎn)換器的勵磁模塊本質(zhì)上是由恒流源驅(qū)動一個H橋路。為了縮小體積、降低功耗并提高可靠性，本文利用1117ADJ電源芯片設(shè)計了一個恒流源，用來驅(qū)動集成橋路芯片L6202，從而避免了采用分立原件來設(shè)計勵磁電路，大大降低了設(shè)計難度。
1117ADJ是一個可調(diào)輸出電平的電源芯片，輸出的電流是由OUT管腳和ADJ管腳之間外接的電阻大小決定的，通過外接精密電阻，可以得到一個輸出恒定電流的恒流源。L6202是一個H橋芯片，通常用于產(chǎn)生大電流高頻PWM信號。它能產(chǎn)生平整方波，符合低頻矩形波勵磁波形的要求。CPU控制L6202的輸入邏輯電平，從而改變輸出波形，控制勵磁線圈的電流方向。勵磁信號頻率可由CPU輸出的控制信號頻率決定，可以很容易地通過軟件編程加以修改，可適合各種實際應(yīng)用的需要。
2.2 信號采集與處理模塊
信號采集與處理模塊包括模擬信號前端處理與A/D轉(zhuǎn)換。模擬信號處理是高精度電磁流量計轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)，也是獲得理想精度的關(guān)鍵。電磁流量計通過勵磁線圈對導(dǎo)電流體施加一個低頻交變磁場，導(dǎo)電流體在磁場中流動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。通過電極采集到的感應(yīng)電動勢是一個微弱的交變信號，通常只有幾十微伏至幾毫伏，且信號內(nèi)阻高，噪聲信號頻率與50Hz工頻相近，幅值遠遠大于待測信號，放大電路的設(shè)計難度很大[3]，需要設(shè)計高質(zhì)量的信號處理電路將干擾濾除，才能達到儀表的設(shè)計精度。本文設(shè)計的信號處理電路，如圖2所示。
感應(yīng)電動勢信號進行放大處理之前需首先經(jīng)過濾波預(yù)處理單元消除高頻干擾。接下來的級放大電路選用的是高精度增益可調(diào)儀表放大器AD620，其輸入阻抗高，外接元件只需一個增益電阻。由于級放大電路的輸入端直接與測量電極相聯(lián)，而電極在導(dǎo)電液體處于靜止狀態(tài)時兩電極間就有電動勢存在，必須首先避免此電動勢影響儀表放大器工作。研究此信號可知，該電動勢是由液體中的各種帶電離子和外界電磁場對液體及管壁的干擾引起的，由于其變化無常，時大時小，為了不讓儀表放大器以及二級信號放大中的運放進入飽和區(qū)，須使放大倍數(shù)稍小一些，然后再通過隔直電容將直流信號隔離，余下的有用交流信號送人放大倍數(shù)高的后級放大器，使信號達到A/D轉(zhuǎn)換器的工作范圍要求。在這里選用精密電阻，將放大倍數(shù)定為10.88倍。
經(jīng)過前面的處理，感應(yīng)電動勢信號仍然有可能存在一定的高頻尖峰噪聲，這對后續(xù)的二級信號放大以及電平提升電路會產(chǎn)生不利影響。因此這里進一步設(shè)計了單位增益的二階巴特沃斯低通濾波器，低通截止頻率f為33.9Hz。此頻率為勵磁頻率的7倍。
經(jīng)過前面各級電路的預(yù)處理之后，再將信號放大20倍，并提升為單極性信號，最終送人增益可調(diào)的16位Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD7715完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。
2.3 智能處理單元
本系統(tǒng)采用了Philips公司的LPC2106作為主CPU，附加LCD顯示模塊、鍵盤輸入模塊、輸入輸出和通訊模塊等共同構(gòu)成智能處理單元。
LPC2106是一款支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S微處理器，自帶128KB高速Flash存儲器，采用3級流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時進行，能夠并行處理指令，提高CPU運行速度。由于內(nèi)含多個32位定時器、PWM輸出和32個GPIO，且無需外擴RAM，具有很小的尺寸和極低的功耗，非常適用于本系統(tǒng)的小型化要求[4]。CPU通過SPI總線和A/D、D/A以及LCD控制芯片相互通訊，只需3根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴展所有外圍器件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了尺寸，降低了成本。此外，LPC2106還自帶PWM輸出，可直接用于輸出頻率信號和脈沖當量。
系統(tǒng)的通訊模塊包含RS-232接口和RS-485接口，用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的通訊方式，方便地與上位機進行通訊，并可組成多機總線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離傳輸。4~20mA的輸出模塊選用了AD421芯片，可直接將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出，并預(yù)留HART協(xié)議通訊接口。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化。模塊化設(shè)計方法，由主程序、時基中斷程序、菜單處理程序、勵磁信號產(chǎn)生、A/D、D/A、通訊、顯示、脈沖頻率輸出等部分組成。主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化，通過對各模塊的應(yīng)答響應(yīng)，判斷各模塊是否正常運行。通過設(shè)定用戶級別，可實現(xiàn)對儀表參數(shù)設(shè)定的分級控制，分屬不同級別的生產(chǎn)廠家、售后服務(wù)和用戶均只能訪問相應(yīng)級別允許訪問和修改的儀表參數(shù)。在工況測量狀態(tài)下，儀表將實時顯示瞬時流量、累積流量、流速和報警信息等。在參數(shù)設(shè)定狀態(tài)，可對各種參數(shù)進行設(shè)置，比如傳感器系數(shù)、轉(zhuǎn)換器系數(shù)、儀表系數(shù)、測量管口徑等。系統(tǒng)將把改變的系數(shù)和累計流量等相關(guān)信息在線保存，并可記錄多次上電和復(fù)位時間信息，以備現(xiàn)場工作人員查閱。
4 流量試驗結(jié)果
使用研制的智能電磁流量計轉(zhuǎn)換器配合廠家傳感器進行標定試驗，采用標準表比較法來標定所設(shè)計的轉(zhuǎn)換器。這種方法是用精度較高等級的標準流量計與被校驗流量儀表串連，讓流體同時流過二者，比較二者示值，確定被檢表的誤差，達到校準目的。此處與標準值比較的方法為總量法，是比較樣機累積體積流量值和標準裝置測得的標準體積，以確定儀表表示值或誤差。雖然校準是在指定的流量下進行，但由于比較的是總量，所以對流量穩(wěn)定性的要求稍低。
實驗所用傳感器的內(nèi)徑為25mm，標準表為0.5級，被測表為設(shè)計的樣機，采用兩組試驗數(shù)據(jù)擬合出直線，用剩下的多組數(shù)據(jù)來驗證線性校正后樣機的誤差。第1、2組試驗數(shù)據(jù)擬合出的直線與方程，如圖3所示。
經(jīng)實驗驗證，在0.4~1m流速段用一條直線擬合，使用剩下多組數(shù)據(jù)作驗證，結(jié)論為0.4m/s及以上流速的誤差為0.64%，精度達到1%的設(shè)計目標。
5 結(jié)論
本設(shè)計采用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法，具有較高的智能性和多場合適應(yīng)能力，集成化程度高，功能多，操作方便，體積小，功耗較低，具備一定的自診斷能力和多機通訊功能，可測量正反向流量和脈動流量，抗電磁干擾和溫度性能較好，適合現(xiàn)場應(yīng)用或遠程測量，測量范圍大，準確度高，達到了預(yù)期的性能指標。
參考文獻：
[1] Jose Polo，Ramon Pallàs-Areny and Juan P．Martín．Vide Analog Signal Processing in an AC Electromagnetic Flowmeter[J]．IEEE Transactlons on Instrumentation and Measurement，2002，51（4）
[2] 蔡武昌，馬中元，瞿國芳，等，電磁流量計[M]，北京：中國石化出版社，2004．
[3] 李小京，電磁流量計放大濾波電路的設(shè)計[J]．化工自動化及儀表，2000，27（2）：50-52．
[4] 周立功，等．ARM微控制器基礎(chǔ)與實戰(zhàn)[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2003．
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