摘要:爲了(le)實現較高的勵(lì)磁頻率，提高響(xiǎng)應速度,同時減(jian)少電磁流量計(jì) 的功耗，提出基(ji)于電壓電流比(bǐ)值的瞬态測量(liàng)方法,确定💃🏻電壓(ya)🔅電流比值與流(liu)量之間的關系(xì)。設計了基于DSP的(de)硬件,采集瞬态(tai)時的💜勵磁電流(liú)和信号電壓來(lái)驗證該處理方(fang)法，離線數據分(fen)析表明，電壓電(diàn)流比值與流量(liang)有良好的線性(xìng)關系。設計的DSP軟(ruǎn)❌件可實時實現(xian)瞬态測量方法(fǎ)，并進行水流量(liang)标💋定和功耗測(ce)試實驗。實驗結(jie)果表明，流量測(cè)量精度到0.5級，與(yu)普通🔞電磁流量(liang)計相同。功耗對(dui)比表明,基💞于瞬(shùn)态測量原理的(de)電磁流量計的(de)勵磁功耗是普(pǔ)通電磁流量計(jì)♌的30%。
1引言
　　電磁流(liu)量計是一種基(jī)于電磁感應定(ding)律測量導電液(yè)體體積流❌量的(de)儀表。由于其測(ce)量管道内無阻(zǔ)擋體、耐📞腐蝕性(xing)強、可靠性高，且(qie)不受流體密度(du)、黏度、溫度、壓力(lì)變化的影響，所(suo)⭐以，在石油、化工(gong)、冶金、造紙等⚽行(háng)業得到較爲廣(guang)泛的應用，被用(yòng)于水流量和漿(jiāng)液🈲流量的測量(liàng)[1,2]目前電磁流量(liang)計在水流量測(cè)量時大🚩多采用(yòng)低頻矩形波或(huo)三值波勵磁.[3-5]，勵(li)磁電流需要保(bǎo)持足夠時間的(de)㊙️穩定段，以使傳(chuán)感器輸出信号(hào)獲得較長時間(jian)的平穩段,保證(zhèng)其測量精度。在(zai)用于漿液測量(liang)時,爲了克服漿(jiāng)液噪聲對流量(liàng)信号的影響，大(da)多采用高頻勵(lì)㊙️磁方法。通過采(cǎi)用高低壓勵磁(ci)的方法使電流(liú)快速進入穩态(tài)，即在提高勵磁(cí)頻率的情況下(xia)保證勵磁電流(liu)進入穩💋态;但是(shì)，無論水流量測(cè)量時的低頻勵(li)磁，還是漿液流(liú)量測量時的高(gāo)頻勵磁，都是在(zài)勵磁電流的穩(wěn)态段拾取對應(yīng)的.傳感器信号(hao),即都是利用勵(li)磁電流的穩态(tài)段進行測量♍，需(xu)要🈲維持勵磁電(dian)流的穩定,這将(jiang)導緻電🐇磁流量(liang)計🈚的勵磁功耗(hao)大,發熱嚴重，影(ying)響其使用壽命(mìng)。爲了降低功耗(hào),文獻[9]對勵磁電(diàn)流的瞬态過程(chéng)進行了研究,驗(yàn)證了瞬♉态測量(liàng)的可行性。相比(bǐ)穩态測量,瞬态(tai)測💰量時的勵磁(cí)電流不🐅需要進(jin)入穩态，也不需(xu)要恒流源來穩(wen)定勵😍磁電流，可(kě)有效地降低勵(lì)磁功耗,并有利(lì)于實現較高的(de)勵磁頻📐率;但是(shi)，瞬态時的勵磁(ci)電流和信号電(diàn)壓都處于動态(tài)上升過程，信号(hào)的幅值同時與(yǔ)❄️流量和時間有(you)關,而且此時微(wei)分幹擾也不🔞能(neng)忽略，導緻信号(hao)電壓與流量之(zhi)間的關系難以(yi)确定。文獻[9]先求(qiú)出輸出☎️電壓兩(liǎng)個指數項的系(xì)數，再利用得到(dao)的系數㊙️間接求(qiú)得📧與流🐇速對應(ying)的結果,并通過(guo)對離線數據處(chù)理,驗證了瞬态(tài)測量的可行性(xìng);但是，該方式求(qiu)解過程較爲複(fú)雜，不利于實時(shí)實現。
　　爲此,分析(xi)電磁流量計瞬(shùn)态過程的信号(hào)模[10,11]型，提出電壓(yā)電流比值的處(chù)理方法，确定了(le)電壓電流比值(zhi)與流量之🙇🏻間的(de)關系;定量計算(suan)并比較了穩态(tài)測量和瞬态測(cè)量時📐勵磁線圈(quan)上的功耗;設計(ji)基于DSP的硬件，采(cai)集電壓電流數(shù)據進行了離線(xian)驗證;研制DSP軟件(jian)，實時實現瞬㊙️态(tài)測量方法;進行(háng)水流量标定實(shí)驗驗證。
2瞬态測(cè)量原理
2.1信号模(mó)型
　　瞬态測量由(yóu)于勵磁時間短(duan)，勵磁電流和其(qí)感應産生的☎️磁(cí)場✏️均不能達到(dao)穩态，此時的勵(lì)磁線圈應作爲(wei)一-個感性負載(zǎi)處👨‍❤️‍👨理。因此,在勵(lì)磁電流的非穩(wen)态上升過程中(zhōng),線❌圈中勵磁電(diàn)流爲:

　　式中:U爲勵(lì)磁電壓;R爲勵磁(ci)回路電阻;α=R/L爲勵(lì)磁回路時間常(chang)數💋;L爲勵磁線圈(quān)電感。管道中導(dao)電液體流經勵(lì)磁電流感應産(chan)生的磁場✔️時,産(chan)生感應電動勢(shi)。忽略共模幹擾(rǎo)等噪聲影響，傳(chuán)感器電極兩端(duān)産生的信号電(diàn)壓爲:

　　可見,信号(hao)電壓主要由2部(bu)分組成:一部分(fèn)是導電液體流(liú)經磁場産生的(de)電壓分量即流(liu)量分量，其大小(xiao)與流量相關,系(xì)數a對應流速;另(ling)一部分爲微分(fen)幹擾,其系數爲(wei)b。分析可知，微分(fen)幹擾是由勵磁(ci)電流變化所引(yin)起，其🐪系數b與管(guan)道内流速🏃‍♀️無關(guan)。微分幹擾不随(suí)流速變化，随時(shi)間增加而逐漸(jiàn)變小。
2.2電壓電流(liu)比值方法
　　針對(dui)瞬态測量,通過(guò)對信号電壓的(de)分析，确定了信(xin)号電壓和🥰勵磁(ci)電流的比值與(yu)流量的線性關(guan)系，提🈚出了基于(yú)電壓電流比值(zhi)的處理方法。瞬(shùn)态測量勵🤟磁時(shí)間短,勵磁電流(liu)及🈚其感應産生(sheng)的磁場均未進(jin)入穩态。在🏃🏻勵磁(ci)電流的上升過(guò)🤟程中，微分幹擾(rǎo)隻随🌈時間變化(hua)，而💋流量分量受(shou)到勵磁電流🏃🏻的(de)影響，其大🌈小不(bú)僅與流速🚶‍♀️有關(guan),還随時間變化(hua)。爲了消除勵磁(ci)電流對流量分(fen)量❄️的影響❓,同時(shí)減小電流波動(dong)帶來的磁場波(bō)動對信号産生(shēng)的影響,将信号(hào)電壓比上勵磁(ci)電流，即式(2)比上(shang)式(1),得到:

　　式中:i=1,2.k;ti爲(wei)同相位對應的(de)時間點。根據式(shi)(4),幹擾隻随時間(jiān)變化而與流速(sù)無關，那麽對于(yú)任一同相位點(diǎn)t，不同流量下的(de)幹擾均♉爲相同(tong)的确定值。即同(tóng)相位取點後幹(gàn)擾部分相同，電(diàn)⭐壓電流的比值(zhi)隻跟随流量變(biàn)化。若對💚電壓電(dian)流比值進行多(duō)個同相位取點(diǎn)并求和，得到:

　　式(shi)(6)中對電壓電流(liú)比值取了5個同(tong)相位點。可知，對(dui)電壓與👈電流比(bi)值進行5個同相(xiàng)位取點後,在同(tong)一流量㊙️下，每💋個(ge)同相位點的幹(gàn)擾部分B(t)均是确(què)定值，則求和之(zhi)後的也是一個(gè)确定值。又由于(yu)不同流量下同(tóng)相位取點的幹(gàn)擾部分相同，則(ze)不同流量下電(dian)壓電流比值的(de)5個同相位點求(qiu)和後，幹擾也是(shi)相同的确定值(zhí)。即對電壓電流(liú)比值取5個同相(xiang)位點求和後,幹(gan)擾部分固定,比(bi)值的大小隻随(sui)流量變化。而流(liu)量爲零時，電壓(yā)🔴電流比值等于(yu)幹擾部分的值(zhi)，所以，可将幹擾(rao)部分🏃作爲零點(diǎn)處理。
2.3功耗分析(xi)
　　以 DN40 電磁流量計(jì) 爲例,比較穩态(tai)測量和瞬态測(ce)量時勵磁線圈(quān)上的功耗。對于(yú)🛀🏻口徑爲40mm,勵磁回(hui)路電阻爲56Ω,勵磁(cí)線圈電感爲127mH的(de)一次🏃‍♂️儀表，穩态(tai)測量時采用高(gao)低壓電源切換(huan)的勵磁控制方(fāng)法,穩态勵磁電(diàn)🤟流約爲180mA,勵磁頻(pín)率可調[10),不同頻(pín)率勵磁時🎯，勵磁(ci)功耗😄基本相同(tóng)。當勵磁頻率爲(wei)12.5Hz時，每半周期勵(lì)磁時間爲40ms。在勵(lì)磁🧡電流上升到(dào)🈲穩态值這段🧑🏾‍🤝‍🧑🏼時(shi)🐅間裏，加載在勵(li)磁線圈.上的勵(li)磁電壓爲80V,已知(zhi)勵磁回路時間(jiān)常數爲，則此時(shí)的勵磁電流爲(wèi)：
　　勵磁電源爲高(gao)壓電源時,勵磁(ci)電流可以快速(sù)達到180mA,之🏃後切換(huàn)爲低壓源,使勵(li)磁電流保持在(zài)穩态值。計算可(ke)知，此時勵⭐磁電(dian)流達到180mA的時間(jian)約爲0.3ms,則上升段(duàn)對應的勵磁能(néng)耗爲:

　　勵磁電流(liu)達到穩态值後(hòu)線圈.上勵磁電(diàn)壓爲17V,勵磁電流(liu)達到穩态值的(de)時間約爲0.3ms,半周(zhōu)期時間爲40ms,可得(dé)勵磁🌈電流穩定(ding)段對應的能耗(hao)爲:
W2=17V·0.18A·(0.04s-0.0003s)=0.1215J
　　即每半周期(qi)的勵磁功耗爲(wei)W=W1+W2=0.1237J。而12.5Hz勵磁時每秒(miǎo)有25個勵磁半周(zhou)期🍉，則🌈普通電磁(ci)流量計1s内的能(neng)耗爲Wp=W·75=3.0925J。
　　瞬态測量(liang)時,配合同樣的(de)一-次儀表,計算(suan)了在高頻勵磁(cí)時勵磁✏️線圈上(shang)的能耗。此時,線(xiàn)圈上勵磁電壓(ya)🈲約爲🔞16V,勵磁⚽頻率(lü)爲37.5Hz,每秒有75個勵(lì)磁半周期。半周(zhōu)期勵磁時間爲(wei)8ms,此時勵磁電流(liú)尚未進入穩⚽态(tài)，勵磁電流最大(dà)約爲190mA。
由瞬态測(ce)量時線圈中勵(li)磁電流爲

　　對比(bǐ)可知,瞬态測量(liàng)時勵磁線圈上(shàng)1s内的能耗約爲(wei)普通🥰電磁流☀️量(liàng)計的64%,即瞬态測(ce)量時勵磁線圈(quan)上的功耗約爲(wei)🤟普通電磁流量(liang)計的64%。而且瞬态(tai)測量時不需要(yao)恒流源，也能降(jiàng)低🏃🏻勵磁系統的(de)功耗，所以,瞬态(tài)🏃‍♀️測量能有效地(di)降低勵磁系統(tǒng)的功耗。
3方法驗(yan)證
　　爲了驗證提(tí)出的處理方法(fa),硬件系統,采集(jí)電壓和電流💋數(shù)據,并對數據進(jin)行離線處理。硬(ying)件設計中,選用(yong)24位AD進行采樣，以(yi)更準确地測得(de)動态變化的信(xin)号電壓和勵磁(ci)電流,提高測量(liàng)精💃🏻度。同時，爲了(le)準确地求得電(diàn)壓🌐電流比值，需(xu)要同步測得電(diàn)壓和電流。否則(ze)，會造成電🐅壓電(diàn)流比值出現偏(pian)差，影🔴響到測量(liàng)結果。所以，硬件(jiàn)電🚩路中使用兩(liang)片24位AD分别采集(ji)電壓和電流,并(bing)配🧡置爲同🙇‍♀️步采(cai)樣。
3.1硬件研制
　　硬(yìng)件主要包括勵(lì)磁驅動模塊、信(xìn)号調理采集模(mó)塊、人❄️機接口模(mó)塊、輸出模塊、通(tōng)訊模塊和存儲(chu)模塊。在勵磁驅(qū)動模塊✔️中,通過(guo)DSP芯片.上的ePWM産生(sheng)勵磁時序控制(zhì)H橋的💋通斷,進而(er)控制勵磁線圈(quan)的勵磁。信号調(diao)理采集模塊中(zhōng),通過兩片24位ADC同(tong)時采集經過信(xin)号處理電路的(de)信号電壓和勵(li)磁電流。人機接(jiē)口模塊中,利用(yòng)鍵盤設置和👈修(xiu)改相關參數,通(tōng)過液晶實時顯(xian)示流量相關信(xin)息。輸出模塊中(zhong),通過GPIO口控制輸(shu)出4~20mA電流。通信模(mo)塊中,通過上位(wèi)機發出命令,實(shi)現數據上傳與(yu)參數設置。存儲(chǔ)模塊中，利用鐵(tiě)電存儲重要參(cān)數👨‍❤️‍👨以及上次斷(duàn)電時的累計流(liu)量。與普通電磁(ci)流量計👉相比，由(you)于瞬态測量時(shi)勵磁電流不需(xū)要進入穩态😄，因(yin)而♊在設計中去(qù)掉了恒流源電(dian)路。
3.2離線數據分(fèn)析
　　利用DSP硬件系(xì)統，在勵磁電壓(ya)爲16V,勵磁頻率爲(wèi)37.5Hz,勵磁時間爲8ms,采(cai)樣頻率爲2500Hz的情(qing)況下，進行了流(liú)量測量實驗。分(fèn).别在0，1.5,2.5,4.5，10，15,22.5m3/h等流量下(xià)采集勵磁電流(liu)和信号電壓，并(bìng)在💰Matlab中對采集的(de)數據做了💃🏻相應(yīng)的處理。
　　瞬态測(ce)量利用的是勵(li)磁電流動态上(shàng)升的階段，不需(xu)要👉電流進入穩(wen)态。勵磁電流波(bō)形如圖1所示，由(you)于是在勵磁控(kong)制模塊♌的H橋路(lù)近地端加入一(yi)一個檢流電阻(zu)來測量勵磁電(dian)流,所以⭐，這樣的(de)采集方法就導(dǎo)緻電流方向始(shǐ)終保持同向。，可(ke)以看到,在勵磁(cí)電
流的瞬态_上(shang)升過程中，勵磁(cí)電流還未進入(rù)穩态時系統就(jiu)已經停止勵磁(cí),此時勵磁電流(liú)達到最大，約爲(wei)190mA,。

　　由于勵磁電(diàn)流沒有達到穩(wěn)态，與之對應的(de)信号電壓也🆚處(chu)于非穩态過程(cheng)，主要包含流量(liang)分量和微分幹(gan)擾兩部☁️分,但是(shì),實際采♌集到的(de)傳感器信号引(yin)入了直流偏置(zhi)和㊙️50Hz工頻幹♊擾,爲(wei)此，對信号電壓(ya)進行梳狀帶通(tōng)濾波處理以消(xiāo)除直流偏置和(he)工頻幹擾。各流(liu)量下信号電壓(ya)梳狀帶通濾波(bō)後的結果如圖(tú)3所‼️示，信号電壓(ya)幅🔞值由低到高(gāo)對應的流量依(yī)次爲0~22.5m3/h。其中,圖2中(zhong)信㊙️号電壓🐪與圖(tú)1中前2個半周期(qi)的勵磁電流相(xiang)對應,爲正負兩(liang)個半周期。可以(yi)看出✉️，在非穩态(tai)上升過程中，信(xin)号電壓的☁️幅值(zhí)與管道内流量(liang)大💰小仍是相關(guan)的。當流量✨爲零(líng)時,信号電壓主(zhu)要爲微分幹擾(rǎo)。

　　由式(4)分析可知(zhi)，電壓電流的比(bi)值與流量有關(guan)。爲了進一步驗(yan)🈲證🈚電壓電流比(bǐ)值與各流量之(zhī)間的關系,将經(jīng)過濾🛀波處理的(de)信号電壓除以(yi)對應的勵磁電(diàn)流,再對每個半(ban)周期電壓電流(liú)比值進行幅值(zhí)解調，最後對解(jiě)調後的比值取(qu)5點求均值作爲(wei)每半周期🈲的輸(shu)出結果。
　　對各半(bàn)周期的輸出結(jié)果求均值,再利(li)用最小二乘法(fa)拟合,拟合出的(de)關系曲線如圖(tu)3所示。圖3中，電壓(ya)電流比值的💚輸(shu)出結果落在🚶拟(nǐ)合曲線上或均(jun)勻地分布在曲(qǔ)線兩側🐅。可見，電(dian)壓電流比值與(yu)🐅流量有良好的(de)線性關系;而流(liú)量爲零時對應(yīng)的值即爲電壓(yā)與電流比值後(hòu)💋的幹擾部分，可(ke)作爲零點處理(lǐ)。

4實時測量
　　爲了(le)進一步驗證其(qi)精度,用C語言實(shí)現上述處理方(fāng)法,研制🌂DSP軟件💚。在(zài)基于DSP的瞬态測(ce)量系統.上實時(shi)實現🥵該測量方(fāng)法，進行水流量(liàng)⭐标定實驗.和功(gong)耗測試。
4.1軟件編(biān)程
　　軟件設計采(cai)用模塊化設計(jì)方案,主要功能(neng)模塊有:初始化(hua)模塊、驅動模塊(kuai)、數據處理模塊(kuai)、人機接口模塊(kuài)等,程序流程🥵圖(tu)如圖4所示。系統(tong)上電後先進行(háng)初始化，然👅後配(pei)置兩片ADC同步采(cai)樣,開啓勵磁中(zhōng)斷，勵磁開始工(gong)作。半周期采樣(yàng)結束後判斷采(cai)集到的信号電(diàn)壓是否超限,之(zhi)後調用算法模(mo)塊,刷🥰新液晶顯(xian)示♋。在算法模塊(kuài)中,先是對采集(ji)到的信号電壓(ya)進行梳狀帶通(tong)濾🏃🏻‍♂️波處理，再将(jiāng)濾波後的電🌍壓(ya)除以對應勵磁(cí)電流,然後對電(diàn)壓🏃電流比值進(jin)行半周期幅值(zhí)解調,對解調後(hou)的比值取5點求(qiu)均⚽值作爲輸出(chu)結果參與到流(liú)速的計算🈲。
4.2水流(liu)量标定
　　将電磁(cí)流量變送器與(yǔ)國内某大型企(qǐ)業研制的40mm口徑(jing)🏒的夾持式傳感(gǎn)器相配合，在實(shi)驗室的水流量(liang)标定裝置.上，采(cai)取容積法進🌂行(háng)标定,即将電磁(cí)流量計測得的(de)🌈流量結💋果與量(liang)🐇筒内體積比較(jiào)，驗證電磁流量(liàng)計的精♻️度。實驗(yàn)數據如表1所示(shi)

　　如表1中數據所(suo)示，共檢定了5個(gè)流量點,其中,最(zuì)大流速☁️爲5m/s,最小(xiǎo)✔️流速爲0.3m/s。實驗結(jié)果表明,在勵磁(cí)頻率爲37.5Hz,勵磁時(shi)間爲8ms的瞬态測(cè)量中,流量計測(ce)量精度達到0.5級(ji)🆚。實驗驗證表明(míng)，利用勵磁電流(liú)的瞬态過程進(jin)行測量的系統(tǒng)❄️，采用電壓電流(liu)比值的處理方(fāng)法能達到普通(tōng)電磁流量計的(de)精度要求。
4.3功耗(hao)測試
　　功耗測試(shi)實驗DN40一次儀表(biǎo)的線圈電阻爲(wèi)56Ω,電感爲127mH,将🏃‍♂️其分(fèn)‼️别與勵磁頻率(lǜ)爲12.5Hz.的普通電磁(cí)流量變送器和(he)37.5Hz、8ms.勵磁的瞬态測(ce)量系統相配合(he)進行了勵磁系(xì)統的功耗測試(shi)。其中,通過測量(liàng)勵磁🎯電源的輸(shū)入電壓和輸入(rù)電流來計算勵(lì)磁電源的🥰輸入(ru)功率📧。
　　普通電磁(ci)流量變送器的(de)勵磁系統采用(yong)了高低壓電源(yuán)切換的💃🏻控制方(fang)式,其中,勵磁電(diàn)源的高壓爲80V,輸(shū)入電🈲流爲12mA,低壓(yā)爲24V,輸入電流爲(wèi)176.8mA,即勵磁電源的(de)輸入功率爲5.20W。文(wén)中瞬👌态測量💋系(xì)統的✔️勵磁電🌏源(yuán)輸入電壓爲24V,勵(li)磁頻率爲37.5Hz時輸(shu)入電流爲✏️65.4mA,即勵(li)磁電源的輸入(ru)功率爲1.57W.結果🔞表(biao)明，瞬态測量的(de)勵磁功耗約爲(wèi)普通電磁流量(liàng)計的⭐30%。

5結束語
　　針(zhen)對電磁流量計(ji)瞬态測量中由(you)于信号電壓同(tóng)時受到流🔞量和(hé)時間影響而導(dǎo)緻電壓與流量(liang)關系不明确的(de)問題，通過分💁析(xi)瞬态過程中動(dòng)态變化的勵磁(cí)電流和信号電(dian)壓，提出了電壓(ya)電流比值的瞬(shùn)态✨測量方法，确(què)定了電❓壓電流(liu)比🐅值與流量之(zhī)間的關系。基于(yú)DSP的硬件系統，采(cai)集瞬态時的勵(li)🤟磁電流和信📱号(hao)電壓,利用🙇‍♀️文中(zhong)方法在Matlab中對采(cai)集的數據做✊了(le)相應處理。結果(guo)表明，數據的處(chù)理結果與流量(liang)有良好的線性(xing)關系。編寫了DSP軟(ruan)件,在基于DSP的系(xi)統上實時實現(xiàn)了瞬态🔞測量方(fāng)法，進行了水流(liú)量标定實驗。實(shi)驗🔞結果表明，系(xì)統的測量精度(dù)能達到0.5%，與普通(tōng)電磁流❓量計相(xiang)同。測試了普通(tōng)電磁流.量計和(hé)瞬态測量系統(tǒng)的勵磁系統的(de)功耗,結果表明(míng)，瞬态測量時勵(li)磁系統的功耗(hao)約爲普通電磁(ci)流量計的30%，瞬态(tai)測量方法在實(shi)現高頻🍉勵磁📧的(de)同時能夠極🙇🏻大(da)地減小功耗。

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