摘要:針(zhēn)對現有(you)勵磁方(fāng)式的缺(que)陷,提出(chu)了一種(zhǒng)新型的(de)三💞值正(zhèng)弦矩形(xing)波勵磁(cí)方式,采(cǎi)用具有(yǒu)16位ADC采集(ji)模塊的(de)MSP430F4793單片機(jī)作爲MCU,構(gòu)建了電(diàn)磁流量(liàng)計 樣機(ji)。新型勵(lì)磁方式(shì)的特點(diǎn)并介紹(shào)了軟、硬(yìng)件設計(jì)。試🧡驗結(jie)果表明(míng),新型勵(li)磁方式(shi)有效地(dì)提高了(le)信号的(de)穩定性(xing)，克服了(le)矩形波(bō)🐕勵磁方(fāng)式帶來(lai)的微分(fèn)幹🥰擾難(nán)題,也解(jie)決了正(zheng)弦波勵(lì)磁中的(de)正交幹(gan)擾的影(yǐng)響,減小(xiao)了測量(liàng)誤差😄,對(dui)小流速(su)階段的(de)測量精(jīng)度改善(shàn)明顯。
　　電(dian)磁流量(liàng)計是随(suí)着電子(zǐ)技術的(de)應用而(ér)發展起(qǐ)來🐅的🚶‍♀️新(xin)型流量(liàng)測量儀(yí)表,現已(yǐ)廣泛應(ying)用于各(ge)種導電(dian)液體的(de)流量測(ce)‼️量。但是(shi)在測量(liang)以下液(ye)體時仍(reng)然存在(zai)困難:①低(di)電導率(lü)的液體(ti);②低流速(sù)液體🌈;③含(han)有顆粒(li)的高濃(nóng)度漿狀(zhuàng)液體;④黏(nián)性液體(ti)。通過改(gai)進勵⛱️磁(cí)方式來(lai)提高信(xin)噪比是(shi)解決這(zhe)些問題(tí)有效方(fang)法之一(yī).
　　激磁技(ji)術是電(dian)磁流量(liang)計中最(zui)關鍵的(de)技術,其(qí)經曆了(le)直流激(ji)🔴磁、工頻(pin)正弦激(jī)磁、低頻(pin)矩形波(bo)激磁、三(sān)值低頻(pin)矩形波(bo)激磁、雙(shuāng)頻矩形(xing)波激磁(cí)等5個階(jie)段(4-51。直流(liu)激磁方(fāng)式由于(yu)在小流(liú)量測量(liang)時要求(qiú)信号的(de)直流穩(wěn)定度必(bì)須在幾(jǐ)分之一(yī)微伏之(zhi)内,而使(shǐ)得它的(de)應用範(fàn)圍受限(xian);工頻正(zhèng)弦激磁(cí)方式由(you)于電磁(cí)感應造(zao)成幅值(zhí)與頻率(lü)成正比(bǐ),從而産(chǎn)生了相(xiang)位比流(liu)量信号(hào)滞後90的(de)正交幹(gàn)擾;低頻(pin)矩形波(bō)激磁、三(san)值低頻(pín)矩✌️形波(bo)激磁和(hé)雙頻矩(ju)形波激(jī)磁這三(san)種📱激磁(cí)方式會(huì)不同程(chéng)度📐的在(zài)電平快(kuài)速切換(huan)時而引(yin)入微分(fen)幹擾等(deng)難題。
本(ben)文提出(chu)了一種(zhong)新型的(de)勵磁方(fang)式一三(sān)值正弦(xián)矩🌈形💃波(bō)🈚勵磁方(fang)⛷️式，它不(bú)僅克服(fu)了微分(fen)幹擾的(de)難題,而(ér)且解決(jue)了正交(jiao)🔞幹擾🛀🏻的(de)影⭐響。基(ji)于此勵(lì)磁方式(shi),采用具(jù)有16位A/D轉(zhuan)換模🏃🏻塊(kuài)的MSP430F4793單片(pian)機作爲(wei)MCU，設計了(le)一款具(ju)有穩定(ding)性和測(cè)量精度(dù)的電磁(ci)流量計(ji)。
1勵磁方(fang)式分析(xi)
1.1測量原(yuán)理
　　電磁(cí)流量計(jì)的測量(liàng)原理爲(wèi)法拉第(dì)電磁感(gan)應定律(lü),如圖1所(suǒ)示♌。當流(liu)體在管(guǎn)道内流(liu)過一個(ge)橫向磁(cí)場B的時(shí)候,相當(dāng)于有🧑🏽‍🤝‍🧑🏻一(yī)定🌈電導(dao)📞率的導(dao)體在切(qie)割磁力(li)線,形成(cheng)電動勢(shi)E,其大小(xiao)與磁場(chǎng)B、流♉速和(he)管🔞徑D成(cheng)正比,如(ru)公式(1):

　　其中B?D爲(wei)流速信(xin)号,即真(zhen)實測量(liàng)值。dB/dt爲微(wei)分千擾(rao),它主要(yao)源💃于變(bian)壓器效(xiao)應其大(dà)小與流(liú)量無關(guan),即使是(shì)在流速(sù)等于零(ling),沒❌有流(liu)🐪量信🌈号(hao)感應[14]的(de)情況下(xia)也會存(cun)在,是電(dian)磁流量(liàng)計的主(zhǔ)要幹擾(rǎo)D2B/dt2爲同相(xiang)幹擾,是(shi)微分🌐幹(gàn)擾的二(er)次微分(fèn)得到的(de),所以隻(zhi)要盡量(liàng)降低微(wei)分幹擾(rǎo)，同相幹(gàn)擾也會(hui)降低🐕。ec、ed和(he)ez分别是(shi)共模幹(gàn)擾、串模(mó)幹擾和(hé)直流極(ji)♊化電壓(ya)，均爲電(diàn)磁流量(liàng)計的次(ci)要幹擾(rao)源
1.2三值(zhi)正弦矩(ju)形波勵(lì)磁方式(shi)
　　對于當(dang)前廣泛(fan)應用的(de)矩形波(bo)勵磁方(fāng)式來說(shuo),由于✔️正(zheng)負值勵(lì)磁狀态(tai)的瞬間(jiān)跳變,造(zao)成在切(qie)換點的(de)磁場變(biàn)化率dB/dt趨(qu)于無窮(qiong)大波形(xing)上表現(xiàn)爲一個(gè)尖峰),形(xíng)成的微(wei)分幹擾(rǎo)極大,足(zú)以使得(de)前級放(fang)大器達(dá)到飽和(he)，導緻信(xin)号穩定(dìng)性的降(jiàng)低,信号(hào)如圖3(a)所(suo)示。

　　對(duì)當前矩(jǔ)形波勵(lì)磁方式(shi)改進後(hòu)提出了(le)一種新(xin)型的三(san)值正弦(xian)矩形波(bō)勵磁方(fang)式,波形(xíng)如圖2所(suǒ)示，數學(xue)✨表達式(shì)如式(2)。

　　式(shì)中k爲自(zi)然數,T爲(wei)一個波(bo)形周期(qi)。在零值(zhi)與正、負(fù)電平的(de)切換過(guò)程中加(jiā)入了正(zhèng)弦波段(duàn)作爲過(guo)渡,使得(de)勵磁信(xin)号變得(de)相對平(ping)滑。選取(qu)的正弦(xián)波上升(shēng)沿、平台(tai)、正弦波(bō)下降🤞沿(yan)和零值(zhi)的時間(jiān)比爲1：2：1：1。
　　0-T/2這(zhè)段正弦(xian)波_上升(shēng)沿可知(zhi)，波形段(duan)内的磁(cí)場變化(huà)率dB/dt=(2π?)4cos(?t-π/2)/2,是連(lian)續平💔穩(wen)🏃變化的(de),幅值在(zai)0-π?A之間，其(qi)中?爲勵(lì)磁頻率(lü)。端點a右(yòu)側dB/dt=A?cos(-π/2)/2=0,左側(ce)磁場🍓變(biàn)化率爲(wei)0,兩者相(xiang)等。端點(diǎn)b右側dB/dt=0,左(zuo)側dB/dt=A?cosπ/2)/2=0，亦相(xiang)等。因此(ci),在兩端(duan)點處☁️的(de)磁場變(biàn)化率也(yě)是連續(xù)的,沒有(yǒu)發生跳(tiào)變。同理(li)推得,整(zhěng)個周期(qi)内其餘(yu)正弦波(bo)段的📧磁(ci)場變化(huà)率都是(shì)連續的(de),這樣就(jiù)有效👄地(dì)降低了(le)微分幹(gàn)擾,抑制(zhì)了尖峰(feng),提升了(le)信号的(de)穩定性(xing),使得💛電(dian)磁流量(liang)計在小(xiǎo)流速測(ce)量階段(duàn)也能夠(gou)達到較(jiào)好的測(cè)量精度(du)。
　　在正、負(fu)勵磁波(bō)段,由于(yu)磁場強(qiáng)度恒定(dìng),微分幹(gàn)擾和同(tóng)相♉幹擾(rǎo)都很微(wei)弱,所以(yǐ)在這個(gè)階段對(duì)感應電(diàn)動勢進(jìn)行采😘樣(yang),能夠取(qǔ)✔️得較爲(wèi)穩定的(de)幅值，從(cóng)而提高(gāo)了測量(liàng)的精度(du)。同時,利(lì)用零值(zhi)勵磁階(jiē)段的電(diàn)極信号(hao)來動态(tai)補償在(zài)正、負勵(lì)磁階段(duan)的感應(yīng)電動勢(shi)信号中(zhōng)的零點(dian)部分,減(jiǎn)小了零(líng)點漂移(yí),增加了(le)零點穩(wen)定性。

　　考慮(lǜ)到工頻(pín)幹擾，波(bō)形的周(zhōu)期要爲(wei)工頻周(zhou)期的[17]整(zhěng)數倍,而(ér)我國的(de)市電工(gōng)頻幹擾(rǎo)的頻率(lǜ)爲50Hz，所以(yǐ)選取頻(pín)率🐅?爲5Hz的(de)波形,這(zhè)樣在一(yī)個200ms的周(zhōu)期内工(gong)頻幹擾(rao)的🐉正負(fu)面積相(xiàng)等,平均(jun)值⭐等于(yu)零,工頻(pín)幹擾得(de)到了有(you)效的克(kè)服。采用(yòng)三值正(zheng)弦波勵(lì)磁方式(shi)後🎯,經過(guò)信号處(chu)理電路(lu)得到的(de)流量信(xìn)号如圖(tú)3(b)。
2硬件系(xi)統
21硬件(jian)電路總(zong)體設計(jì)
　　三值正(zheng)弦矩形(xíng)波勵磁(ci)的電磁(ci)流量計(ji)的硬件(jian)部分☎️主(zhu)要由傳(chuán)感器、電(diàn)源電路(lu)、勵磁電(dian)路、流量(liang)信号處(chu)理🏃🏻‍♂️電路(lu)、MCU、液晶和(hé)鍵盤等(děng)模塊構(gòu)成。硬件(jiàn)總體結(jié)構圖如(ru)圖4所示(shi)。其中傳(chuán)感器直(zhí)接由廠(chǎng)家制作(zuo),這裏不(bú)做詳細(xi)介紹。電(diàn)源電路(lù)提供+24V、+12V、+5V以(yǐ)及3.3V。

22勵磁(ci)電路
　　勵(lì)磁系統(tǒng)決定着(zhe)傳感器(qì)的工作(zuo)磁場,是(shi)轉換電(dian)路中非(fēi)常重要(yao)的部分(fèn)。勵磁電(dian)路由兩(liǎng)部分構(gòu)成，如圖(tu)5所示。

　　其(qí)中,電路(lu)(I)是由4隻(zhī)光耦和(he)2片場效(xiao)應管RF7343(每(měi)片中有(yǒu)一隻🛀N溝(gōu)🔞道💛和🛀一(yī)🎯隻P溝道(dao)型的場(chǎng)效應管(guǎn))組成的(de)橋式開(kai)關電路(lu)。通過兩(liǎng)路控🍓制(zhi)信号CtrlA和(hé)Ctrl_B的高低(di)電平來(lai)控制場(chǎng)效應管(guǎn)的通❓斷(duan),從而實(shí)現了勵(li)磁線圈(quān)中電流(liú)方向的(de)切換。電(diàn)路(I)是由(you)一片運(yun)算🙇‍♀️放大(da)器OP07.-隻NPN型(xing)三極管(guan)S9013、一隻NPN型(xing)三極⚽管(guǎn)TIP122和4隻399采(cai)樣電阻(zu)組成的(de)恒流源(yuan)。由MCU的定(dìng)時器脈(mo)沖寬度(dù)調制(PWM)輸(shū)出經過(guo)RC電路濾(lü)波後來(lai)控制流(liú)過勵🛀🏻磁(cí)線圈的(de)電流I從(cong)而産生(shēng)三值正(zheng)弦矩形(xíng)波。
2.3信号(hào)處理及(ji)采集電(dian)路
　　電極(ji)輸出的(de)感應電(diàn)動勢信(xìn)号(微伏(fú)至毫伏(fú)級的交(jiāo)✍️變信号(hao))首先經(jing)過RC電路(lu)濾除部(bù)分高頻(pín)幹擾信(xìn)号,然後(hòu)送入儀(yi)用放大(da)器AD620進行(háng)差分放(fang)大,但是(shi)由于幹(gàn)擾👌成份(fèn)較多,且(qiě)有的幹(gàn)擾信号(hao)幅值遠(yuǎn)大于信(xin)号本身(shēn),因此AD620的(de)增益不(bu)宜設👨‍❤️‍👨置(zhì)得過大(dà)，10~20倍爲佳(jia)。流量信(xìn)号經過(guo)AD620放大後(hou),采用單(dān)端輸出(chū)🌏(對地電(dian)壓)方🍓式(shì)後通過(guo)電容隔(ge)直,濾去(qu)了直流(liú)分量,僅(jin)保留信(xin)号的交(jiāo)流🆚分量(liang)🌈。由于測(ce)量電路(lu)器件本(běn)身存在(zài)噪聲以(yi)及其他(tā)幹擾,特(te)别是50Hz的(de)工頻幹(gàn)擾⭐,有必(bi)要對信(xìn)号再次(cì)濾波,在(zai)此⚽選取(qǔ)了雙✊T帶(dai)阻濾波(bo),電容C取(qu)Q1μF,中心頻(pín)率f爲50Hz則(zé)R=1/?。C)=1/(2πf0C)≈321Ω。最🧑🏽‍🤝‍🧑🏻後把(bǎ)正負交(jiao)變的信(xìn)号進行(hang)電壓平(ping)移,即整(zheng)體提升(sheng)信号🔞幅(fú)值,使之(zhi)都爲正(zhèng)值後送(song)入🧑🏽‍🤝‍🧑🏻MCU的ADC引(yin)腳。

2.4單片(piàn)機系統(tǒng)
　　采用電(diàn)磁流量(liang)計的MCU,與(yu)顯示模(mo)塊和鍵(jian)盤模塊(kuài)共同構(gou)成單片(pian)💋機系統(tong)。MSP430F4793片内含(hán)2個16位定(ding)時器,每(měi)個定時(shí)器各帶(dài)3個捕獲(huo)此較存(cún)儲器和(he)PWN輸出功(gong)能;3路具(ju)有可編(bian)程增益(yì)放大(PGA)功(gong)能的高(gāo)精度16位(wei)?-△型ADC;RAM爲25KB,FLASH存(cun)儲器多(duo)達60KB，并且(qie)擁有4個(gè)通用同(tong)步異步(bu)通信接(jie)口。
3軟件(jian)系統
　　電(diàn)磁流量(liàng)計有四(sì)種工作(zuo)模式:标(biao)定模式(shì)、測量模(mó)式、測試(shi)模式和(he)空管檢(jian)測模式(shi)。儀表上(shang)電後,程(chéng)序完成(chéng)一系列(liè)初始化(hua),随後便(biàn)進入測(ce)量模式(shì)開始正(zheng)常工作(zuo)。配合液(yè)晶菜單(dan)顯示,用(yong)戶可以(yi)通過按(an)鍵操作(zuo)來選擇(ze)其他工(gong)作模式(shì),操作簡(jian)便。
　　定時(shi)器1用于(yú)産生三(san)值正弦(xian)矩形波(bo)，流程圖(tu)如圖7所(suo)示。程序(xù)中設🥵置(zhi)兩個有(you)32個元素(sù)的數組(zu)分别存(cun)放用于(yu)生成正(zhèng)💛弦波♌上(shàng)升🧑🏽‍🤝‍🧑🏻沿和(hé)下降沿(yán)的占空(kōng)比數據(jù),依次使(shǐ)用✍️這些(xiē)值👉來設(she)置☎️定時(shí)器的TM1__OCAR寄(ji)存器,控(kòng)制PWM輸出(chū)的占空(kong)比♊,進而(er)控制RC濾(lü)波電路(lù)輸出的(de)電壓大(dà)小,最終(zhong)得到設(shè)計的波(bo)形。

　　流量(liang)信号AD采(cǎi)集程序(xù)流程如(rú)圖8所示(shi)。以10個周(zhou)期爲-一(yi)個測量(liàng)過程🏃‍♂️,在(zài)每個周(zhōu)期的高(gāo)、低電平(píng)勵磁段(duan)各采集(ji)40個采樣(yàng)點，并在(zai)兩個零(líng)㊙️值勵磁(cí)段各采(cǎi)樣20點作(zuò)爲相對(dui)零點,求(qiú)得🚩平均(jun1)值後換(huan)算得到(dao)E正、E負、E零(líng)1和E零2共(gong)4個電勢(shì)平均值(zhi)。将E負與(yǔ)E零1的差(chà)值作爲(wèi)勵磁電(diàn)流正🆚向(xiang)時對應(ying)的🈲流量(liàng)信号,E負(fu)與E零2的(de)差值(負(fù)值)作爲(wei)反向流(liu)量信号(hao)。最後把(bǎ)兩個差(chà)值相減(jiǎn)作爲流(liu)量信号(hào)💛,所以流(liu)量信号(hao)的計算(suan)公式爲(wèi):
E=(E正-E零1)-(E負(fù)-E零2)(3)
　　其中(zhong),采樣時(shí)使用了(le)ADC的前置(zhi)可編程(chéng)增益放(fang)大器模(mo)🔴塊,放☔大(da)倍‼️數爲(wei)1~32範圍内(nèi)的2的倍(bei)數,對輸(shū)入到ADC引(yǐn)腳的流(liú)量信号(hào)🏃進行動(dòng)态🥵調整(zheng)🐪。當輸入(rù)電壓很(hěn)小時,增(zēng)加PGA的放(fàng)大倍數(shù);而當幅(fú)值過大(dà)時🔴，則減(jiǎn)小PGA的放(fang)大倍數(shu)，這樣就(jiu)使測得(dé)的AD值盡(jin)量在量(liang)程範圍(wei)的中間(jian)區域，從(cóng)而減小(xiao)了AD采集(ji)本身的(de)㊙️誤差,進(jin)--步提高(gāo)了流量(liang)信号的(de)采樣精(jīng)度。

4試(shi)驗結果(guǒ)及分析(xi)
　　試驗所(suo)用傳感(gan)器的内(nei)徑爲50mm,采(cai)用标準(zhǔn)計量罐(guan)進行标(biāo)定。對矩(ju)形波勵(li)磁方式(shì)和三值(zhi)正弦矩(ju)形波勵(li)磁方式(shì)進行對(duì)比試驗(yan)👨‍❤️‍👨,兩者均(jun1)采用5Hz勵(li)磁頻率(lǜ),實驗數(shu)🌈據如表(biao)1所示。從(cong)試驗結(jié)果可以(yi)看出,兩(liǎng)者在一(yi)定的流(liú)速範圍(wei)(大于20m3/h)内(nei)測量精(jīng)度都可(ke)以達到(dào)士3%以内(nei),但在小(xiao)流速(小(xiao)于2.0m3/h)測量(liang)時，矩🎯形(xíng)波勵磁(ci)方式的(de)誤差随(suí)着流量(liàng)的減小(xiao)🈲迅速增(zeng)大,在标(biao)定流量(liang)爲0.3m3/h時達(dá)到了13%,如(rú)此大的(de)🌂誤差是(shì)無法接(jiē)受的。與(yu)之相比(bǐ),三值正(zhèng)弦矩⭐形(xíng)波的測(ce)量誤差(cha)雖然有(you)所上升(sheng)但控制(zhi)在±5%以内(nèi),明顯好(hao)于矩形(xíng)波勵磁(ci)。試驗證(zhèng)明,新型(xíng)的三值(zhi)正弦矩(ju)形波勵(li)磁方式(shì)能夠更(geng)爲有效(xiao)地消除(chu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻微分幹(gàn)擾🔴和同(tong)相幹擾(rǎo),從而顯(xian)著地提(ti)高了電(diàn)磁流量(liang)計在小(xiao)流速測(cè)量階段(duan)的精度(du)。


5結論
　　采(cai)用新型(xíng)的三值(zhí)正弦矩(ju)形勵磁(ci)方式增(zeng)進了信(xìn)号的穩(wen)定性,加(jia)強了電(dian)磁流量(liang)計在工(gōng)作過程(cheng)中的抗(kàng)幹擾能(neng)力,特别(bie)是提高(gāo)了小流(liu)速階段(duan)的測量(liàng)精度。MCU采(cǎi)用MSP430F4793提高(gao)了采樣(yàng)精度,簡(jiǎn)化了電(dian)路,降低(dī)了功耗(hào)。用戶通(tong)過鍵盤(pán)和菜單(dān)來選擇(ze)工作模(mo)式,完成(cheng)各項參(can)數設置(zhi)，界面簡(jian)潔美觀(guān)，操作簡(jiǎn)單方便(biàn)。系統運(yùn)行穩定(dìng),測量精(jīng)度較高(gāo)，具有較(jiao)好的推(tuī)廣應用(yong)價值。

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