摘要:針對傳統(tong)電磁流量計 在(zài)測量漿液流量(liang)時存在精度低(dī)、傳感器輸出波(bō)動大👄等缺點，設(shè)計了一種基于(yu)DSP的高頻勵磁電(dian)磁流量🈲計。該‼️電(diàn)磁💞流量計采用(yong)高低壓切換勵(li)磁方式，通過引(yin)入電流旁路來(lai)改進⭕變送器的(de)勵磁電路，提高(gao)勵😄磁頻率。利用(yòng)具有高輸入阻(zu)抗的差分放大(dà)電路放🧡大傳感(gan)器輸出信号，提(tí)高信号的信噪(zào)比，保證提取🔴信(xin)号的精度。實際(ji)測試結果表明(míng):系統測量精度(du)高，對小流速階(jiē)段測㊙️量準确☔度(dù)明顯改善，測量(liàng)誤差不超過5%。
0引(yin)言
　　流量檢測在(zai)工業生産、廢液(ye)監測以及管道(dao)運輸等領域有(yǒu)♍着廣泛的應用(yòng)，根據測量原理(li)不同，流量計💋可(ke)以大緻💛分爲力(li)學、電學、聲學、熱(re)學、光學等類型(xíng)，其中電磁✔️流量(liang)計🏃🏻‍♂️是依據電學(xué)原理研制而成(chéng)，電磁流量計與(yǔ)其⛷️他流量計相(xiang)比，具有🌐結構簡(jiǎn)單、測量精度🐉高(gao)、穩定性好㊙️等特(te)點。但電磁流量(liàng)計在測量低流(liú)速😘、低導電率液(ye)體時存在精度(dù)不🈲高等缺點，爲(wèi)了㊙️克服這個缺(que)點，研制了一種(zhǒng)基于DSP的高頻勵(li)磁電磁流量計(ji)，在勵磁方式上(shang)選用旁路勵磁(cí)電路與恒流控(kong)制電路相結合(he)的方式，提高了(le)勵磁頻率以及(ji)能🔱量的💛利用效(xiao)率。選用高性能(neng)DSPTMS320F28335來采集處理傳(chuán)感器輸出的信(xìn)号，顯著提📞高了(le)系統測🏒量時的(de)響應速度，将流(liú)量❓計算結果通(tong)過LCD屏的方式實(shí)時❤️顯示，系統具(ju)有體積👉小、便攜(xié)式以及測量精(jīng)度高等優點［3］。
1高(gāo)頻勵磁電磁流(liú)量計測量原理(lǐ)
　　電磁流量計根(gen)據電磁感應定(dìng)律的原理來測(ce)量導電液體的(de)📞流量，測量導電(dian)液體的傳感器(qì)中繞有線圈，通(tōng)過給🚩線圈通電(dian)［4］，當液體流過線(xian)圈時就會切割(gē)🚶磁感線，此時在(zài)線圈的兩端會(hui)産生感應電動(dong)勢e，根📱據電磁學(xué)中右手法則可(kě)得:

　　式中:B爲傳感(gǎn)器線圈産生的(de)磁場強度;L爲傳(chuán)感器線圈的長(zhǎng)度;v爲液體在傳(chuan)感器中流動的(de)速度。
由流量計(ji)算公式可得:

式(shì)中S爲傳感器管(guǎn)道的截面積。
　　由(yóu)式(1)可知，當B和L已(yǐ)知時，隻要測得(dé)e就可以反推出(chu)v;由式(2)可知，當📱測(cè)💰得v時就能計算(suàn)出Q。
2高頻勵磁電(dian)磁流量計硬件(jian)設計
　　高頻勵磁(ci)電磁流量計由(yóu)傳感器、高頻勵(lì)磁電路、信号處(chù)理🙇🏻電🌈路等組成(chéng)［5］，其中高頻勵磁(ci)電路決定着傳(chuan)感器磁場的強(qiang)㊙️弱，勵磁電☀️路的(de)穩定性以及精(jing)确性決定着系(xì)統檢測的準‼️确(què)性以及穩定性(xìng)。DSP系統控制勵磁(cí)電路激勵傳感(gǎn)器線圈，當✍️線圈(quan)中有導電液體(ti)流過時，其切割(gē)磁感線并🌈在傳(chuán)感器兩端的線(xiàn)圈上産生感應(ying)電🎯動💚勢，利用信(xìn)号檢🌂測電路監(jiān)測感應電動勢(shi)的大👅小，最後根(gēn)據相🧑🏽‍🤝‍🧑🏻應關系計(jì)算出液體的流(liú)量，系統硬件框(kuang)圖如🔞圖1所示。

2．1高(gāo)頻勵磁電路設(shè)計
　　高頻勵磁電(dian)路主要由高低(dī)壓切換恒流控(kòng)制電路和H橋勵(lì)磁開關電路組(zu)成［6－7］。其中高低壓(yā)切換恒流控制(zhi)電路确保高壓(ya)或低壓📧情況下(xia)，都可以通過H橋(qiáo)向勵磁線圈提(ti)供恒定的電流(liu)。電路原理圖如(ru)圖2所示。

　　如圖2所(suǒ)示，在對傳感器(qi)線圈進行勵磁(ci)時，通過比較器(qi)控制切換🔅開關(guan)切換高低壓進(jìn)行勵磁［8］。Vref作爲比(bi)較器的基準輸(shu)入端，其表示勵(lì)磁電流的電壓(yā)穩态值;而Cur則表(biǎo)示H橋勵磁電路(lù)中檢測♌到的電(diàn)❄️壓信号。一開始(shi)當系統♉處于低(dī)壓☁️勵磁狀态時(shí)，系統會自動斷(duan)開☂️切換電路中(zhong)的電流旁路，此(ci)時系統通過利(lì)用H橋向勵磁線(xiàn)圈提供恒定電(dian)流。當勵磁方向(xiàng)變化時，電流檢(jiǎn)測電路就會檢(jiǎn)測到電流變爲(wèi)負方向，比較器(qi)的Cur端😄與Vref端的平(ping)衡就會發生變(biàn)化，此時系統💚通(tōng)過比較器自動(dong)切換爲高壓勵(lì)磁狀态。與低壓(yā)勵磁方式相反(fan)，在此種狀态下(xia)，恒流控🔞制電路(lu)關閉而電流旁(pang)路打開，線圈中(zhong)✍️的能量就會存(cún)❌儲在能量回饋(kuì)電路中，此時C1端(duān)的電壓會超過(guo)高壓源。等勵磁(ci)線圈中的能量(liàng)釋放完後，電流(liu)逐漸降爲零，此(cǐ)時能量回饋電(dian)路就會利用電(dian)流旁路和H橋将(jiāng)能量反饋給勵(lì)磁線🌏圈。當電容(rong)C1端的電壓下降(jiàng)到小于高壓源(yuán)時，系統就會自(zi)動通過電流旁(pang)路和H橋㊙️直接對(dui)勵磁線圈進行(háng)勵🙇‍♀️磁，當勵磁線(xiàn)🌈圈中的電流超(chāo)過設定阈值時(shí)，Cur端電壓就會大(dà)于Vref點電壓，此時(shi)比較器又會❓切(qiē)🔞換成低📞壓勵磁(ci)方式，如㊙️此反複(fú)循環控制，達到(dao)對勵磁線圈恒(héng)流💋控制的目的(de)。圖3爲H橋勵磁控(kòng)制電路。

　　由圖3可(ke)知，Io爲高低壓切(qie)換恒流控制電(diàn)路輸出的恒流(liú)源電流，H橋驅動(dong)的COM1端控制三極(jí)管Q1和場效應管(guǎn)Q4的通斷;COM2端控制(zhì)三♊極管🐉Q2和場效(xiào)應管Q3的通斷。L1表(biao)示的是勵磁線(xiàn)✊圈(傳感器中線(xiàn)圈)，COM1、COM2爲正💔交的PWM波(bō)信号，因此在💁勵(li)磁線圈L1的兩端(duan)會産生方波勵(lì)磁信号💛。檢流電(diàn)路主要是用來(lái)檢測勵磁線🈲圈(quān)中電流的變化(hua)，當線圈中的勵(lì)磁電流方向變(bian)化時，可以及時(shi)将此信息反💞饋(kui)給高低壓切換(huan)恒流控制電路(lù)中的比較器，從(cóng)而實現切換高(gao)低壓源達到恒(heng)流控制的目的(de)［9］。
2．2信号調理電路(lù)
　　由于傳感器線(xiàn)圈輸出的電動(dòng)勢信号非常微(wei)弱，幹擾成😄分複(fú)雜👌，信号幅值受(shou)磁場變動影響(xiang)較大，不能滿足(zú)ADC采用的要求，因(yin)此需㊙️要對此信(xìn)号進行調理［10］。信(xìn)号調理電路原(yuan)理圖如圖4所示(shi)🔆。

　　如圖4所示，信号(hao)調理電路由前(qián)置放大電路、濾(lü)波電路以及二(er)次放大電路組(zu)成［11］。其中前置放(fàng)大電路主要是(shì)㊙️由AD8610組成的差分(fen)放大電路構成(chéng)，其主要是去除(chú)信号中🤟的共模(mó)幹擾并且進行(háng)🤩第一次前置放(fàng)大，前置放大電(dian)路的放大倍數(shu)爲15。由于有效信(xìn)号的幅值很小(xiǎo)，經過前置放大(da)電路後信号中(zhōng)還存在很多高(gāo)📧頻雜波，這些🛀🏻雜(za)波會影響對後(hòu)級信号的處理(li)，因此還需要對(dui)前置放大電路(lù)輸出的信号進(jin)行低通濾波和(he)二次放大。系統(tong)✉️選用二階有源(yuán)低通濾波電路(lu)濾除信号中的(de)高頻幹擾，低通(tong)濾波的截止頻(pín)率設定在6kHz左右(you)，選用AD817組成的二(èr)次放大電路對(dui)濾波電路⭕輸出(chu)的信号進行二(er)次放♈大，将信号(hào)調理電路輸出(chu)的信🈲号調整在(zai)0～5V之間，最終利用(yong)⛹🏻‍♀️DSP内🔅部的AD轉換器(qì)對此信号進行(hang)🚶模數轉換得出(chū)傳感器線圈輸(shu)出的感應電動(dòng)勢，從而根據相(xiàng)關的公式計算(suan)🏃‍♀️得出管道中液(yè)體的流量。具體(tǐ)電路圖如圖5所(suo)示。

2．3通信電路
　　電(dian)磁流量計輸出(chū)的流量值可以(yi)通過外接的TFTLCD屏(ping)直接顯示，還可(ke)以通過預留的(de)RS485通信接口将數(shu)據發送到上位(wèi)機中［12］。RS485電路最大(da)的優點是485電平(píng)與TTL電平兼容，方(fang)便與TTL電路相連(lián);抗共🌈模幹擾能(néng)力強;數據傳輸(shū)速度快，高達🌈10Mbps;通(tong)信距離遠，最大(dà)爲1．2km。系統采用SP3485芯(xīn)片進行⚽數據通(tong)信，SP3485是一款低功(gong)耗芯片且符合(hé)RS485協議的收發器(qì)，電路圖如圖6所(suo)示。

3軟件設計
　　軟(ruǎn)件流程圖如圖(tu)7所示。軟件采用(yòng)模塊化的設計(jì)方法，主要設計(jì)了勵磁控制切(qie)換程序、PWM波産生(sheng)程序、A/D轉換程序(xù)以及RS485通信程🌍序(xù)等♌。系統上電後(hòu)首先執行複位(wei)操作，利用DSP内🔴部(bu)的定時器産生(sheng)PWM波控制H橋電路(lù)中的勵磁方式(shì)，當系統檢測到(dao)傳🐆感器線圈輸(shū)出的感🐅應電動(dong)勢後，利用DSP内部(bù)的🏃🏻12位A/D轉換器對(duì)此信号進行模(mó)數轉換，最❤️後根(gēn)據相應算法計(ji)算出管道中被(bèi)測液體的流量(liang)。

4實驗數據分析(xī)
　　實驗中使用管(guan)道的管徑爲标(biao)準50mm，連續檢測管(guǎn)道中同一♍點的(de)流量，每10min記錄一(yi)次數據，對比數(shù)據的差異，以此(cǐ)🈲來判定系✌️統測(cè)量的穩定性。首(shǒu)先對管道中的(de)流量進行标定(dìng)，利用标準流量(liàng)計進行檢測，通(tōng)過改變閥門開(kāi)度來調整管道(dao)中液🐇體流量，流(liú)量标定爲1m/s，此時(shí)啓動系統開始(shi)檢測，數據如表(biǎo)1所示。

　　由表1測量(liàng)數據可知，當管(guan)道中液體的流(liu)速恒定時🌈，系統(tǒng)在同一點檢測(cè)到的流量基本(běn)一緻，誤差在4%内(nei)，由此❌可見系統(tong)具有💔良好的穩(wen)定性，符合設計(jì)預期。
　　在驗證完(wan)系統的穩定性(xing)之後，進一步檢(jiǎn)驗系統測量的(de)🐇準确性。通過閥(fá)門改變管道中(zhōng)待測液體的流(liú)速，将👈标準🚶‍♀️流量(liàng)計檢♍測到的流(liú)速與系統測量(liàng)的流速進行比(bǐ)較，實驗測量數(shù)據如表2所示。

　　由(you)表2測量數據可(ke)知，系統在測量(liang)低流速液體時(shí)(流速小☔于1m/s)誤差(cha)較大，達到5%，當待(dai)測液體的流速(su)增大時(大于1．4m/s)，誤(wù)差逐漸減小，基(ji)本維持在3%以内(nèi)。由此可見系統(tǒng)具有較高的檢(jiǎn)測精度，尤其是(shi)當管道中的液(yè)體流速較高時(shí)，系統的檢測誤(wu)差不超過3%，達🏃‍♀️到(dao)了設計♋預期。
5結(jié)束語
　　采用了基(jī)于能量回饋和(hé)電流旁路的高(gao)低壓勵磁控制(zhì)方案，通過高低(di)壓切換勵磁的(de)方式來實現對(dui)勵磁⭐過程中恒(heng)流的🚶控制，從而(er)使得系統穩定(dìng)可靠運行。MCU采用(yòng)高性能數字✂️處(chu)理器DSPTMS320F28335，提高了系(xi)統的采樣精度(dù)以及算法處理(lǐ)的速度。在👨‍❤️‍👨測量(liàng)數據顯示方面(mian)💚，利用TFTLCD屏直接顯(xian)示測量結果，也(ye)可以将測量數(shù)據通過RS485接口發(fā)送到上位機中(zhong)。實際測試結果(guǒ)表明，系統具有(you)良好的穩定性(xing)，且測量精度較(jiào)高，誤差不超過(guo)5%。

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