摘(zhai)要:針對傳統(tǒng)電磁流量計(jì) 在測量漿液(ye)流量時存在(zài)精度低、傳感(gan)器輸出波動(dòng)🔞大等缺點🈚，設(shè)計了一種基(ji)于DSP的高頻勵(lì)磁電磁流量(liang)計。該☀️電磁流(liú)量計采⛹🏻‍♀️用高(gao)低壓切換勵(li)磁方式，通過(guò)引入電流旁(páng)路來改進變(bian)送器的勵磁(ci)電路，提高勵(lì)磁頻率。利🈲用(yòng)具有高輸入(rù)阻抗的差分(fen)放大電路放(fang)大傳感器輸(shū)出信号，提高(gao)信号的信噪(zao)比，保證提取(qǔ)信号的精度(dù)🔴。實際測試結(jie)果表明:系統(tǒng)測量精💚度高(gao)，對小流速階(jiē)段測量準确(què)度明顯改善(shàn)，測量誤差不(bú)超過5%。
0引言
　　流(liu)量檢測在工(gōng)業生産、廢液(ye)監測以及管(guǎn)道運輸等領(lǐng)域有着廣泛(fàn)的應用，根據(ju)測量原理不(bu)同，流量計可(ke)以大緻分爲(wèi)力學、電學、聲(sheng)學、熱學、光學(xue)等類型，其中(zhong)電磁💞流量計(ji)是依據電學(xue)原🧑🏾‍🤝‍🧑🏼理研制而(er)成，電磁流量(liang)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(děng)特點。但電磁(ci)流量計在🏃‍♂️測(cè)量低流速、低(dī)導電率液⚽體(tǐ)時存在精度(dù)不高等缺點(dian)，爲了🏃克服這(zhè)個缺點，研制(zhì)了一種基于(yu)DSP的高頻勵磁(cí)電磁流量計(ji)💋，在勵磁方式(shì)上選用旁路(lu)勵磁電路與(yǔ)恒流控制電(diàn)路相結合的(de)方式，提高了(le)勵磁頻率以(yi)及能量的利(lì)用效率。選用(yòng)高性能DSPTMS320F28335來采(cai)集處理傳感(gan)器輸出的信(xin)号，顯著提高(gao)了系統測🤞量(liang)時的響應速(su)度，将流量計(jì)算結果通過(guò)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(liu)量計測量原(yuan)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(dǎo)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(qiē)割🙇‍♀️磁感線，此(ci)時在👅線圈的(de)兩端會🔞産生(shēng)感應電動勢(shì)e，根據電磁學(xue)中右手法則(zé)可得:

　　式中:B爲(wei)傳感器線圈(quan)産生的磁場(chǎng)強度;L爲傳感(gan)器線圈的長(zhang)度🈲;v爲液體在(zài)傳感器中流(liu)動的速度。
由(you)流量計算公(gong)式可得:

式中(zhōng)S爲傳感器管(guǎn)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(yóu)式🏒(2)可知，當測(ce)得v時就能計(jì)算出Q。
2高頻勵(lì)磁電磁流量(liàng)計硬件設計(jì)
　　高頻勵磁電(dian)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(diàn)路決定着傳(chuan)💯感器磁場的(de)強❤️弱，勵磁電(dian)路的穩定性(xìng)以及精确性(xìng)決定着系統(tǒng)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(zhōng)有導電液體(ti)流過時，其切(qie)割磁感線并(bìng)在傳感器兩(liang)端的線圈上(shang)🍉産生感應電(diàn)動勢，利用信(xìn)号檢測電路(lu)監測感應電(dian)動勢的大🌏小(xiǎo)，最後根據相(xiàng)應關系計算(suàn)出液體的流(liu)☁️量，系統硬件(jiàn)框圖如圖1所(suo)示。

2．1高頻勵磁(ci)電路設計
　　高(gao)頻勵磁電路(lù)主要由高低(dī)壓切換恒流(liú)控制電路和(hé)🍉H橋✂️勵磁開關(guan)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(yǐ)通過H橋向勵(li)磁線圈提供(gòng)恒定的電流(liu)。電路原理圖(tú)如圖2所示。

　　如(ru)圖2所示，在對(dui)傳感器線圈(quan)進行勵磁時(shi)，通過比較器(qì)控制切換💰開(kāi)關切換高低(dī)壓進行勵磁(ci)［8］。Vref作爲比較器(qì)的基準💋輸入(rù)端，其表示勵(lì)磁電流的電(dian)壓穩态值;而(ér)Cur則表示H橋勵(li)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(ci)時系統通過(guo)利用H橋向勵(li)磁線圈提供(gong)恒定電流。當(dang)勵🚶磁方向變(biàn)化時，電流💘檢(jian)測電路就會(huì)檢🏃測到電流(liú)變爲負🔴方向(xiàng)，比較器的Cur端(duān)😍與Vref端的平衡(heng)就會♌發生變(bian)化，此時系統(tǒng)通過比較器(qi)自動切換爲(wèi)高壓勵磁狀(zhuang)态。與低壓勵(lì)磁方式相反(fan)，在此種狀态(tai)下，恒流控制(zhì)電路關閉而(ér)電流旁路🐇打(da)開，線圈中的(de)能量就會存(cún)👣儲在能量回(huí)饋電路中，此(ci)時C1端的電壓(ya)會超過高壓(ya)源。等勵磁線(xiàn)圈中的能量(liàng)釋放完後，電(diàn)流逐漸降爲(wei)零，此時能量(liàng)回饋電路🏃🏻‍♂️就(jiu)會利用電流(liú)旁路和H橋将(jiang)能量反饋給(gěi)勵磁線圈。當(dāng)電容C1端的電(diàn)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(zhí)接對勵磁線(xiàn)圈進行勵磁(cí)，當勵磁線🔞圈(quan)中的電流超(chāo)過設定阈值(zhí)時，Cur端電壓📱就(jiu)會大于Vref點電(diàn)壓，此時比較(jiào)器又會切換(huan)成低壓勵磁(cí)方式，如此反(fan)複循環控制(zhì)🈲，達到對勵磁(cí)👈線圈恒流☀️控(kòng)制的目的。圖(tú)3爲H橋勵磁控(kòng)制電路。

　　由圖(tú)3可知，Io爲高低(di)壓切換恒流(liu)控制電路輸(shū)出的恒🤩流源(yuán)電流，H橋驅動(dong)的COM1端控制三(san)極管Q1和場效(xiao)應管Q4的通斷(duàn)♉;COM2端控制三極(jí)管Q2和場效應(ying)管Q3的通斷。L1表(biǎo)示的是勵磁(cí)線圈(傳感💋器(qì)中線圈)，COM1、COM2爲正(zheng)交的PWM波信号(hào)，因此在🔴勵磁(ci)線圈L1的兩端(duan)會🔴産生方波(bo)勵磁信号🙇🏻。檢(jiǎn)流電路主要(yào)是用來🥰檢測(ce)勵磁線😘圈中(zhōng)電流的變化(huà)，當線圈⭐中的(de)勵磁電流☎️方(fang)向變化時，可(kě)以及時将此(ci)信息反饋給(gěi)高低壓切換(huan)㊙️恒流控✔️制電(diàn)路中👨‍❤️‍👨的比較(jiao)器，從而✨實🈲現(xian)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(gǎn)器線圈輸出(chū)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(dong)影響較大，不(bu)能滿足ADC采用(yong)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(ru)🔆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(yi)🌈及二🤩次放大(da)電路組成［11］。其(qí)中前置放大(dà)電路主要是(shi)由AD8610組成的差(cha)分🆚放大電路(lù)構成，其主要(yao)是去除㊙️信号(hao)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(fang)大倍數爲15。由(you)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(zài)很多高🐉頻雜(zá)波，這些雜波(bō)會影響對後(hòu)級信号的處(chu)理，因此還需(xū)要對前置放(fàng)大電路輸出(chu)的信号進行(hang)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(chu)信号中的高(gāo)頻幹擾，低通(tong)濾波的截止(zhi)頻率設定在(zài)6kHz左右，選用AD817組(zǔ)成的二次放(fang)大電路對濾(lǜ)波電路輸出(chū)的信号進行(hang)二次放大🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，将(jiang)信号調理電(dian)路輸出的信(xìn)❌号調整在0～5V之(zhi)間，最終利用(yòng)🌈DSP内🌈部的AD轉換(huàn)器對此信号(hào)進行模數轉(zhuan)換得出傳感(gǎn)器線圈🚩輸⛱️出(chu)的感應電動(dòng)勢，從而根據(jù)相關的公式(shì)計算得出管(guǎn)道中🐕液體的(de)流量。具體電(diàn)路圖如圖5所(suo)👌示。

2．3通信電路(lu)
　　電磁流量計(jì)輸出的流量(liang)值可以通過(guò)外接的TFTLCD屏直(zhi)🈲接顯示，還可(kě)🛀以通過預留(liu)的RS485通信接口(kǒu)将數據發送(sòng)到上位機中(zhōng)［12］。RS485電路最大的(de)優點是485電平(píng)與TTL電平兼容(róng)，方便與TTL電路(lu)相連;抗共模(mó)幹擾能力強(qiang);數據傳輸速(sù)度快，高達10Mbps;通(tong)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(rú)圖6所示。

3軟件(jian)設計
　　軟件流(liu)程圖如圖7所(suo)示。軟件采用(yòng)模塊化的設(she)計方法，主⛹🏻‍♀️要(yào)設計了勵磁(ci)控制切換程(chéng)序、PWM波産生程(cheng)序、A/D轉換程序(xù)以及RS485通信程(chéng)序等。系統上(shang)電後首先執(zhi)行複位操作(zuo)，利用DSP内部的(de)定時器産✊生(shēng)PWM波控制H橋電(dian)路中的勵磁(ci)方式，當系統(tong)檢測到傳感(gǎn)器線圈輸出(chū)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(hao)進行模數轉(zhuǎn)換，最後⁉️根據(ju)相應算法計(jì)算出管道中(zhong)被測液體的(de)流量。

4實驗數(shù)據分析
　　實驗(yàn)中使用管道(dao)的管徑爲标(biāo)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(shu)據，對比數據(jù)的差異，以此(ci)來判定系統(tong)測量的穩定(dìng)性。首先對管(guan)道中的流量(liang)進行标定，利(lì)用标準流量(liàng)💔計進行檢測(cè)，通過改變閥(fa)門開度來調(diào)整管道中液(ye)體流量，流量(liàng)标定爲🈲1m/s，此時(shi)啓動系統開(kāi)始檢測，數據(jù)如表1所示。

　　由(you)表1測量數據(jù)可知，當管道(dao)中液體的流(liú)速恒定時，系(xi)統☀️在同一🍓點(dian)檢測到的流(liu)量基本一緻(zhì)，誤差在4%内，由(yóu)此可見系統(tong)具有良好的(de)穩定性，符合(he)設計預期。
　　在(zai)驗證完系統(tong)的穩定性之(zhi)後，進一步檢(jian)驗系統測量(liang)的準确性。通(tong)過閥門改變(biàn)管道中待測(cè)液體的流速(su)，将标準流量(liàng)計檢測到的(de)流速與系統(tǒng)測量的流速(su)進行比較，實(shi)驗測量數據(jù)如表2所示。

　　由(you)表2測量數據(ju)可知，系統在(zài)測量低流速(su)液體時(流速(sù)小于1m/s)誤差較(jiào)大，達到5%，當待(dài)測液體的流(liú)速增大時(大(da)于1．4m/s)，誤差逐漸(jiàn)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(yóu)其是當管道(dào)中的液體🌈流(liu)速較高時，系(xì)統的檢測誤(wù)差不超過3%，達(dá)☎️到了設計預(yù)期。
5結束語
　　采(cai)用了基于能(neng)量回饋和電(diàn)流旁路的高(gao)低壓勵磁控(kong)🈲制方案，通🥰過(guo)高低壓切換(huàn)勵磁的方式(shi)來實現對勵(lì)磁過程♉中恒(heng)🐆流的控制，從(cong)而使得系統(tong)穩定可靠運(yùn)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(jīng)度以及算法(fǎ)處理的速度(du)。在🚶‍♀️測量數據(jù)顯示方面，利(li)用TFTLCD屏直接顯(xian)示測量結果(guo)，也可以将測(ce)量數據通過(guò)RS485接口發送到(dao)上位機中。實(shi)際測試結果(guo)表明，系統具(jù)有良好的穩(wěn)定性，且測量(liang)精度較高，誤(wù)差不超過5%。

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