摘(zhāi)要:針對現有(yǒu)勵磁方式的(de)缺陷,提出了(le)一種新型🔆的(de)三值正弦矩(ju)形波勵磁方(fang)式,采用具有(yǒu)16位ADC采集模塊(kuai)的✏️MSP430F4793單片機作(zuò)✨爲MCU,構建了電(diàn)磁流量計 樣(yàng)機。新型勵磁(cí)方式的特點(dian)并介紹了軟(ruan)、硬件設計。試(shì)驗🚶‍♀️結果表明(míng),新型勵磁方(fang)式有效地提(ti)高了信号👅的(de)穩定性，克服(fú)了矩形波❤️勵(li)磁方式帶來(lái)的微分幹擾(rao)難題,也解決(jue)了正弦波勵(lì)磁中的正👄交(jiao)幹擾的影🐪響(xiǎng),減小了測量(liang)誤差,對小流(liú)速階段的測(cè)量精度改☁️善(shan)明顯。
　　電磁流(liu)量計是随着(zhe)電子技術的(de)應用而發展(zhan)起來🤟的新型(xíng)流量測量儀(yí)表,現已廣泛(fan)應用于各種(zhong)導電液體的(de)流量測量。但(dàn)💜是在測量以(yi)下液體時仍(reng)然存在困難(nán):①低電導率的(de)液體;②低流速(sù)液體👈;③含有顆(kē)粒的高濃度(dù)漿狀液體;④黏(nian)性液體。通過(guò)改進勵磁方(fāng)式來提高信(xìn)噪比是解決(jue)這些問題有(yǒu)效方法之一(yī).
　　激磁技術是(shi)電磁流量計(jì)中最關鍵的(de)技術,其經曆(li)了直流🤟激磁(cí)、工頻正弦激(jī)磁、低頻矩形(xing)波激磁、三值(zhí)低頻矩形🔞波(bō)激磁、雙頻矩(ju)形波激磁等(děng)5個階段(4-51。直流(liú)激磁方式由(you)于在小流量(liàng)測量時要求(qiu)☔信号的直流(liú)穩定度必須(xū)在幾分之一(yi)微伏💔之内,而(ér)使得它的應(yīng)㊙️用範圍受限(xian)😍;工頻正弦激(jī)磁方式由于(yú)電磁感應造(zào)成幅值與頻(pín)❄️率成正比,從(cóng)而産生了相(xiàng)位比流量信(xìn)号滞後90的✊正(zhèng)交幹擾;低頻(pín)矩形波激磁(ci)、三值低頻矩(jǔ)形波激磁和(he)雙頻矩形波(bō)激磁這三種(zhǒng)激💃磁方式會(huì)不同程度的(de)在電平快速(su)切換時而引(yǐn)入微分幹擾(rao)♊等難題。
本文(wén)提出了一種(zhǒng)新型的勵磁(cí)方式一三值(zhí)正弦矩形波(bo)勵磁方⭕式，它(tā)不僅克服了(le)微分幹擾的(de)難題,而🈲且解(jiě)📐決了正交☎️幹(gàn)擾❓的影🧑🏾‍🤝‍🧑🏼響。基(ji)于此勵磁方(fāng)式,采用具有(you)16位A/D轉換模塊(kuai)的MSP430F4793單片機作(zuò)爲MCU，設計了一(yī)款具有🚶穩定(ding)性和測量精(jing)度💃的電磁流(liu)量計。
1勵磁方(fāng)式分析
1.1測量(liàng)原理
　　電磁流(liu)量計的測量(liang)原理爲法拉(lā)第電磁感應(ying)定律,如♻️圖💞1所(suo)示。當流體在(zai)管道内流過(guò)一個橫向磁(cí)場B的時候,相(xiàng)當于有一定(ding)電導率的導(dao)體在切割磁(cí)力線,形成電(diàn)🧡動勢E,其大小(xiǎo)與📐磁場B、流速(su)和管🔞徑D成正(zheng)比,如公式(1):

　　其中B?D爲(wèi)流速信号,即(ji)真實測量值(zhí)。dB/dt爲微分千擾(rǎo),它主要🔴源于(yu)變壓器效應(yīng)其大小與流(liú)量無關,即使(shi)是在流速等(děng)于🚩零,沒有流(liu)📞量信🈚号感應(yīng)[14]的情況下也(ye)會存在,是電(dian)磁流量計的(de)主要幹擾D2B/dt2爲(wèi)同相幹擾,是(shi)微分幹擾的(de)二次微分得(de)到的,所以隻(zhi)要盡量降低(dī)微分幹擾，同(tong)相幹🧑🏾‍🤝‍🧑🏼擾也會(huì)降低。ec、ed和ez分别(bie)是共模幹擾(rao)、串模幹擾和(he)直流極化電(diàn)壓，均爲電磁(ci)流量計的次(ci)要幹擾源
1.2三(san)值正弦矩形(xing)波勵磁方式(shì)
　　對于當前廣(guǎng)泛應用的矩(jǔ)形波勵磁方(fang)式來說,由于(yú)💋正負值勵磁(cí)狀态的瞬間(jiān)跳變,造成在(zài)切換點的磁(cí)場變化率dB/dt趨(qu)于無窮大波(bo)形上表現爲(wei)一個尖峰),形(xíng)成的微分幹(gàn)擾極大,足🔴以(yǐ)使得前級放(fang)🈚大器達到飽(bǎo)⛱️和，導緻信号(hao)穩定性的降(jiang)低,信号如圖(tú)3(a)所📐示。

　　對當(dāng)前矩形波勵(lì)磁方式改進(jin)後提出了一(yi)種新型的三(san)♈值正弦矩形(xíng)波勵磁方式(shì),波形如圖2所(suo)示，數學表達(dá)式如式(2)。

　　式中(zhōng)k爲自然數,T爲(wèi)一個波形周(zhou)期。在零值與(yǔ)正、負電平的(de)切換過程中(zhōng)加入了正弦(xian)波段作爲過(guò)渡,使得勵磁(ci)💜信号變得相(xiang)對平滑。選取(qu)的正弦波上(shàng)升沿、平台、正(zheng)弦🍉波下降沿(yán)和零🌈值的時(shi)間比爲1：2：1：1。
　　0-T/2這段(duàn)正弦波_上升(shēng)沿可知，波形(xing)段内的磁場(chang)變化率dB/dt=(2π?)4cos(?t-π/2)/2,是🌂連(lian)續平穩變化(hua)的,幅值在0-π?A之(zhi)間，其中?爲勵(li)磁頻率。端點(dian)a右側💃dB/dt=A?cos(-π/2)/2=0,左側磁(cí)場變化☀️率爲(wei)0,兩者相等。端(duan)點b右側⭐dB/dt=0,左側(ce)dB/dt=A?cosπ/2)/2=0，亦相等。因♻️此(cǐ),在兩端點處(chù)的磁場變化(huà)率也是連續(xù)的,沒有發生(shēng)跳👈變。同理推(tui)得,整個周期(qi)内其餘🎯正弦(xián)波段的🔞磁場(chang)變化率㊙️都是(shì)連續的,這樣(yàng)就有效地降(jiàng)低了微⭕分幹(gàn)擾,抑制了尖(jian)峰,提升了信(xìn)号的穩定性(xing),使得🈚電磁流(liú)⭐量計在小流(liu)速測量階段(duan)也能夠達到(dào)較好的測量(liàng)精度。
　　在正、負(fù)勵磁波段,由(yóu)于磁場強度(dù)恒定,微分幹(gan)擾和🌈同相幹(gàn)擾♍都🏃‍♀️很微弱(ruò),所以在這個(gè)階段對感應(yīng)電動勢進行(hang)采樣,能夠取(qǔ)❗得較爲穩定(ding)的幅值，從而(ér)提高了測量(liang)的精度。同時(shi),利用零值💞勵(li)磁階⭐段的電(diàn)極信号來動(dong)态補償在正(zheng)、負勵磁階🤩段(duàn)的感應電動(dong)勢信🙇‍♀️号中的(de)零點💜部分,減(jian)小了零點漂(piao)移,增加了零(líng)點穩定性。

　　考慮(lǜ)到工頻幹擾(rǎo)，波形的周期(qi)要爲工頻周(zhou)期的[17]整數倍(bèi),而我國的市(shì)電工頻幹擾(rǎo)的頻率爲50Hz，所(suo)以選取頻率(lǜ)?爲5Hz的波形🛀,這(zhe)樣🙇🏻在一⛱️個200ms的(de)周期内工頻(pín)幹擾的🔱正負(fu)面積相等💘,平(ping)均值等于零(ling),工頻幹擾得(de)到了有效的(de)克服。采用三(sān)值正弦波勵(li)磁方式後,經(jing)過信号處理(lǐ)電路得到的(de)流量信号如(ru)圖3(b)。
2硬件系統(tong)
21硬件電路總(zong)體設計
　　三值(zhi)正弦矩形波(bō)勵磁的電磁(cí)流量計的硬(ying)件部分主要(yao)由傳感👈器、電(diàn)源電路、勵磁(ci)電路、流量信(xin)号處理電路(lù)、MCU、液晶和鍵盤(pán)等模塊構成(chéng)。硬件總體結(jie)構圖如圖4所(suǒ)示。其中傳感(gǎn)器直接由廠(chang)家制作,這裏(lǐ)不做詳細介(jiè)紹。電源電路(lù)提㊙️供+24V、+12V、+5V以及3.3V。

22勵磁電路(lu)
　　勵磁系統決(jué)定着傳感器(qi)的工作磁場(chang),是轉換電路(lu)中非常重要(yao)🤩的部分。勵磁(ci)電路由兩部(bu)分構成，如圖(tu)🍓5所示。

　　其中,電(dian)路(I)是由4隻光(guang)耦和2片場效(xiao)應管RF7343(每片中(zhōng)有一隻N溝道(dao)🏒和一隻P溝道(dào)型的場效應(ying)管)組成的橋(qiao)式開關電路(lu)。通過兩路控(kòng)制信号CtrlA和Ctrl_B的(de)高低電平來(lái)控制❤️場效應(ying)管的通斷,從(cóng)而實現了😍勵(li)磁線圈中電(dian)流方向的切(qiē)換。電路(I)是由(yóu)一片運算放(fàng)大器OP07.-隻NPN型三(sān)極管S9013、一隻NPN型(xíng)三極㊙️管TIP122和4隻(zhi)399采樣電阻組(zǔ)成的恒流源(yuán)。由MCU的♍定時器(qì)脈沖💃🏻寬度調(diao)制(PWM)輸出經過(guò)RC電路濾波後(hòu)來控制流過(guò)勵磁線圈的(de)電流I從而産(chan)生三值正弦(xian)矩形波。
2.3信号(hao)處理及采集(ji)電路
　　電極輸(shū)出的感應電(diàn)動勢信号(微(wei)伏至毫伏級(ji)的交變信号(hao))首先經過RC電(dian)路濾除部分(fen)高頻幹擾信(xìn)号,然後送入(rù)儀用放💋大器(qì)AD620進行差分放(fàng)大,但是由于(yu)幹擾成份較(jiào)多,且有🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的幹(gan)擾信号幅值(zhí)遠大🌐于信号(hào)本身,因此AD620的(de)增🈚益不宜設(she)置得過大，10~20倍(bei)爲佳。流量信(xin)号經🔞過AD620放大(da)後,采用單端(duan)輸出㊙️(對地電(diàn)壓)方式後通(tong)過電容隔直(zhí),濾去了直流(liú)分量,僅保留(liú)信号的交流(liú)💃分量。由于測(cè)量電路器件(jiàn)本身存在噪(zào)聲以及其他(tā)幹擾,特别是(shi)50Hz的工頻幹擾(rao),有必要對信(xìn)号再次濾波(bo),在此選取了(le)雙T帶阻濾波(bō),電容C取Q1μF,中心(xīn)頻率f爲50Hz則R=1/?。C)=1/(2πf0C)≈321Ω。最(zuì)後把🔴正負交(jiāo)變的信号進(jin)行電壓平移(yí),即整體提升(sheng)信号幅值,使(shi)之都爲正值(zhí)後送入MCU的ADC引(yǐn)腳。

2.4單片機系(xi)統
　　采用電磁(ci)流量計的MCU,與(yu)顯示模塊和(he)鍵盤模塊共(gòng)同構成單♉片(piàn)機系統。MSP430F4793片内(nèi)含2個16位定時(shi)器,每個定時(shí)器各帶3個捕(bu)獲此較存儲(chǔ)器🤩和PWN輸出功(gōng)能;3路具有可(ke)編程增益放(fang)大(PGA)功💞能的高(gao)精度16位?-△型ADC;RAM爲(wei)25KB,FLASH存儲器多達(da)60KB，并且擁有4個(gè)通用同步異(yì)步通信接口(kǒu)。
3軟件系統
　　電(dian)磁流量計有(you)四種工作模(mó)式:标定模式(shì)、測量模式、測(ce)試模式和空(kong)管檢測模式(shì)。儀表上電後(hou),程序完成一(yi)系列初始化(hua),随後便進入(ru)測量模式開(kāi)始正常工作(zuò)。配合液晶菜(cài)單顯示,用戶(hu)可以通過按(àn)鍵操作來選(xuǎn)擇其他工作(zuò)模式,操作簡(jiǎn)便。
　　定時器1用(yong)于産生三值(zhi)正弦矩形波(bō)，流程圖如圖(tú)7所🍉示🏃。程序中(zhong)設置兩個有(yǒu)32個元素的數(shu)組分别存放(fàng)用🏃🏻于生成正(zheng)弦波上升沿(yán)和下降沿的(de)占空比數據(ju),依次使用這(zhè)些值來設置(zhi)定時器的TM1__OCAR寄(ji)存器,控制PWM輸(shu)出的占空比(bǐ),進而控制RC濾(lǜ)波電路輸出(chu)的電🌂壓大小(xiao),最終得到設(shè)計的波形。

　　流(liu)量信号AD采集(ji)程序流程如(ru)圖8所示。以10個(ge)周期爲-一個(gè)測🛀🏻量過♻️程,在(zai)每個周期的(de)高、低電平勵(lì)磁段各采🥰集(ji)40個🛀采樣點，并(bing)在兩個零值(zhí)勵磁段各采(cai)樣20點作爲相(xiang)對零點,求得(de)平均值🍓後換(huan)算得到E正🏃‍♂️、E負(fù)、E零1和E零2共4個(gè)電勢平㊙️均值(zhí)。将E負♉與E零1的(de)差值作爲勵(lì)磁電流正向(xiàng)時對應的流(liú)量信号,E負💞與(yu)E零2的差值(負(fu)值)作爲反向(xiàng)流量信号。最(zuì)後把兩個差(chà)值相減作爲(wei)流量信号,所(suo)以流量💞信号(hao)的⛹🏻‍♀️計算公式(shi)爲:
E=(E正-E零1)-(E負-E零(ling)2)(3)
　　其中,采樣時(shi)使用了ADC的前(qián)置可編程增(zēng)益放大器模(mo)塊♊,放大倍數(shù)爲1~32範圍内的(de)2的倍數,對輸(shu)入到ADC引腳的(de)流量信号進(jin)行🐪動态調整(zhěng)。當輸入電壓(ya)很小時,增加(jiā)PGA的放大👌倍數(shù);而當幅值過(guo)大時，則減小(xiǎo)PGA的放大倍數(shu)，這樣就使測(cè)得的AD值盡量(liang)在量程範圍(wéi)的中間區域(yù)，從而減小了(le)🔆AD采集本身的(de)誤差,進--步提(tí)高了流量信(xin)号的采樣精(jīng)度。

4試驗結(jié)果及分析
　　試(shi)驗所用傳感(gan)器的内徑爲(wèi)50mm,采用标準計(jì)量罐進行标(biāo)定。對🔅矩形波(bo)勵磁方式和(he)三值正弦矩(ju)形波勵磁方(fāng)式進行對比(bi)👄試驗,兩者均(jun1)采用5Hz勵磁頻(pín)率,實驗數據(ju)如表1所示。從(cong)試驗結💋果可(ke)以看出,兩者(zhě)在一定的流(liu)速範圍(大于(yu)20m3/h)内測量精度(dù)都可以達到(dao)士3%以内,但在(zai)小流速(小🌏于(yu)2.0m3/h)測量時，矩形(xíng)波勵磁方式(shì)的誤差随着(zhe)流量的減小(xiǎo)👌迅速增大,在(zai)标定流量爲(wei)0.3m3/h時達⭕到了13%,如(rú)此大的誤差(chà)是無法接受(shòu)的。與之相比(bi),三值正弦矩(ju)形波的測量(liàng)誤差⚽雖然有(you)所上升但控(kong)制在±5%以内🈲,明(ming)顯好于矩形(xíng)波勵磁。試驗(yàn)證🈚明,新型的(de)三值正弦矩(ju)形波勵磁方(fāng)式能夠更爲(wèi)有效地消除(chú)微分幹擾🙇‍♀️和(he)同相幹擾,從(cong)而顯著地提(tí)🈲高了電磁流(liú)量計在小💁流(liú)速測量階段(duàn)的精度。


5結論(lun)
　　采用新型的(de)三值正弦矩(ju)形勵磁方式(shi)增進了信号(hao)的穩定性,加(jiā)強了電磁流(liú)量計在工作(zuo)過程中的抗(kàng)幹擾能力,特(te)别是提高了(le)小流速階段(duan)的測量精度(dù)。MCU采用MSP430F4793提高了(le)采樣精度,簡(jiǎn)化了電路,降(jiàng)低了功耗。用(yòng)戶通過鍵盤(pan)和菜單來選(xuǎn)擇工作模式(shi),完成各項參(cān)數設置，界面(miàn)簡潔美觀，操(cao)作簡單方便(biàn)。系統運行穩(wěn)定,測量精度(du)較高，具有較(jiào)好的推廣應(yīng)用價值。

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