摘要:針(zhen)對現有(you)勵磁方(fang)式的缺(que)陷,提出(chu)了一種(zhong)新型的(de)三值正(zheng)弦矩形(xing)波勵磁(ci)方式,采(cai)用具有(you)16位ADC采集(ji)模塊的(de)MSP430F4793單片機(ji)作爲MCU,構(gou)建了電(dian)磁流量(liang)計
樣機(ji)。新型勵(li)磁方式(shi)的特點(dian)并介紹(shao)了軟、硬(ying)件設計(ji)。試驗🌂結(jie)❤️果表🧑🏾🤝🧑🏼明(ming),新型勵(li)磁方式(shi)有效地(di)提高了(le)信号的(de)穩定性(xing)，克服了(le)矩形波(bo)勵磁方(fang)式帶來(lai)的微分(fen)幹擾難(nan)題,也解(jie)決⭕了正(zheng)弦✉️波勵(li)磁中的(de)正交幹(gan)擾的影(ying)響,減小(xiao)了🏃♀️測量(liang)誤差,對(dui)小流速(su)階段的(de)測量精(jing)度改💃🏻善(shan)明顯。
電(dian)磁流量(liang)計是随(sui)着電子(zi)技術的(de)應用而(er)發展起(qi)來的新(xin)型流量(liang)測量儀(yi)表,現已(yi)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(su)液體💃🏻;③含(han)有顆粒(li)的高濃(nong)度漿狀(zhuang)液體;④黏(nian)性液體(ti)。通過改(gai)進勵磁(ci)方式來(lai)提高信(xin)噪比是(shi)解決這(zhe)些問題(ti)有效方(fang)法之一(yi).
激磁技(ji)術是電(dian)磁流量(liang)計中最(zui)關鍵的(de)技術,其(qi)經曆了(le)直流激(ji)📐磁、工頻(pin)正弦激(ji)磁、低頻(pin)矩形波(bo)激磁、三(san)值低頻(pin)矩形波(bo)激磁、雙(shuang)頻矩形(xing)波激磁(ci)等5個階(jie)段(4-51。直流(liu)❓激磁方(fang)❌式由于(yu)在小流(liu)量測量(liang)時要求(qiu)信号的(de)直流穩(wen)定度必(bi)須在幾(ji)分之一(yi)微伏之(zhi)内,而使(shi)得它的(de)應㊙️用範(fan)圍受限(xian);工頻正(zheng)弦激磁(ci)方式由(you)于電磁(ci)感應造(zao)🔆成幅值(zhi)與頻率(lü)成正比(bi),從而産(chan)生了相(xiang)位比流(liu)量信号(hao)滞後90的(de)正交幹(gan)🔴擾;低頻(pin)⛱️矩形波(bo)激磁、三(san)值低頻(pin)矩形波(bo)激磁和(he)雙頻矩(ju)形波激(ji)磁這三(san)種🏃🏻♂️激磁(ci)方式會(hui)💋不同程(cheng)度❌的在(zai)電平快(kuai)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(san)值正弦(xian)矩形波(bo)🏃勵😄磁💛方(fang)式，它不(bu)僅克服(fu)了微分(fen)幹擾的(de)難題,而(er)且解決(jue)了正交(jiao)幹擾的(de)影響。基(ji)于此勵(li)磁方式(shi),采用具(ju)有16位🌐A/D轉(zhuan)換模🌈塊(kuai)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(ce)量精度(du)的電磁(ci)流🌍量計(ji)。
1勵磁方(fang)式分析(xi)
1.1測量原(yuan)理
電磁(ci)流量計(ji)的測量(liang)原理爲(wei)法拉第(di)電磁感(gan)應定律(lü)🚩,如圖1所(suo)示㊙️。當流(liu)體在管(guan)道内流(liu)過一個(ge)橫向磁(ci)場B的💜時(shi)候,相當(dang)于有一(yi)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(chang)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(liang)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(da)小與流(liu)量無關(guan),即使是(shi)在流速(su)⛱️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(liang)計的主(zhu)要幹擾(rao)D2B/dt2爲同相(xiang)幹擾,是(shi)微分幹(gan)擾的二(er)次微分(fen)得到的(de),所以隻(zhi)要盡量(liang)降低微(wei)分💁幹擾(rao)，同相幹(gan)擾也會(hui)降低🏃♂️。ec、ed和(he)ez分别是(shi)共模幹(gan)擾、串模(mo)幹擾和(he)直流極(ji)🧑🏽🤝🧑🏻化電壓(ya)，均爲電(dian)磁流量(liang)計的次(ci)👉要幹擾(rao)源
1.2三值(zhi)正弦矩(ju)形波勵(li)磁方式(shi)
對于當(dang)前廣泛(fan)應用的(de)矩形波(bo)勵磁方(fang)式來說(shuo),由于正(zheng)負值🐆勵(li)磁🈲狀态(tai)的瞬間(jian)跳變,造(zao)成在切(qie)換點的(de)磁場變(bian)化率dB/dt趨(qu)于無窮(qiong)大波形(xing)上表現(xian)爲一個(ge)尖峰),形(xing)成的微(wei)分幹擾(rao)極大,足(zu)以使得(de)前級放(fang)大器達(da)到飽和(he)，導緻信(xin)号穩定(ding)性的降(jiang)低,信号(hao)如圖3(a)所(suo)示。
對(dui)當前矩(ju)形波勵(li)磁方式(shi)改進後(hou)提出了(le)一種新(xin)型🌈的三(san)值正弦(xian)矩形波(bo)勵磁方(fang)式,波形(xing)如圖2所(suo)示，數學(xue)😘表達式(shi)如式(2)。
式(shi)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(fu)電平的(de)💁切換過(guo)程中加(jia)入了正(zheng)弦波段(duan)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(xian)波上升(sheng)沿、平台(tai)、正弦波(bo)下降沿(yan)和零值(zhi)的時間(jian)比爲1：2：1：1。
0-T/2這(zhe)段正弦(xian)波_上升(sheng)沿可知(zhi)，波形段(duan)内的磁(ci)場變化(hua)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(li)磁頻率(lü)。端點a右(you)側dB/dt=A?cos(-π/2)/2=0,左側(ce)磁場變(bian)化率爲(wei)0,兩者相(xiang)等。端點(dian)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(bian)化率也(ye)是連續(xu)的,沒🌍有(you)發生跳(tiao)🌈變。同理(li)推🌂得,整(zheng)個周期(qi)内其餘(yu)正弦波(bo)段的磁(ci)場變化(hua)率都是(shi)連續的(de),這樣就(jiu)有效✊地(di)降低了(le)微分幹(gan)擾,抑制(zhi)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(xiao)流速測(ce)量階段(duan)也能夠(gou)🤩達到較(jiao)好的測(ce)量精度(du)。
在正、負(fu)勵磁波(bo)段,由于(yu)磁場強(qiang)度恒定(ding),微分幹(gan)擾和同(tong)☎️相幹擾(rao)都很微(wei)弱,所以(yi)在這個(ge)階段對(dui)感應電(dian)動勢進(jin)行采🏃♀️樣(yang),能夠取(qu)得較爲(wei)穩定的(de)幅值，從(cong)而提高(gao)了測量(liang)的精度(du)。同時,利(li)🐪用零值(zhi)勵磁階(jie)段的電(dian)極信号(hao)來動态(tai)補償在(zai)正、負勵(li)磁階段(duan)的感應(ying)電動勢(shi)信号中(zhong)的零點(dian)部分,減(jian)小了零(ling)點漂移(yi),增加了(le)零點穩(wen)❌定性。
考慮(lü)到工頻(pin)幹擾，波(bo)形的周(zhou)期要爲(wei)工頻周(zhou)期的[17]整(zheng)數倍,而(er)我國的(de)市電工(gong)頻幹擾(rao)的頻率(lü)爲50Hz，所以(yi)選取♈頻(pin)率?爲5Hz的(de)波形,這(zhe)樣在一(yi)個200ms的周(zhou)期内工(gong)頻幹擾(rao)的正負(fu)面積相(xiang)等,平均(jun)值等于(yu)零,工頻(pin)幹擾得(de)到了有(you)效的克(ke)服。采用(yong)三值正(zheng)弦波勵(li)👄磁方式(shi)後,經過(guo)信号處(chu)理電路(lu)得🔴到的(de)流量信(xin)号如圖(tu)3(b)。
2硬件系(xi)統
21硬件(jian)電路總(zong)體設計(ji)
三值正(zheng)弦矩形(xing)波勵磁(ci)的電磁(ci)流量計(ji)的硬件(jian)部分主(zhu)要由傳(chuan)感✍️器、電(dian)源電路(lu)、勵磁電(dian)路、流量(liang)信号處(chu)理電路(lu)、MCU、液晶和(he)鍵盤等(deng)模塊構(gou)成。硬件(jian)總體結(jie)構圖如(ru)圖4所示(shi)。其中傳(chuan)⭕感器直(zhi)🚶接由廠(chang)家制作(zuo)👣,這裏不(bu)做詳細(xi)介紹。電(dian)源電路(lu)提供+24V、+12V、+5V以(yi)及3.3V。
22勵磁(ci)電路
勵(li)磁系統(tong)決定着(zhe)傳感器(qi)的工作(zuo)磁場,是(shi)轉換電(dian)路中非(fei)㊙️常重要(yao)的部分(fen)。勵磁電(dian)路由兩(liang)部分構(gou)成，如圖(tu)5所示。
其(qi)中,電路(lu)(I)是由4隻(zhi)光耦和(he)2片場效(xiao)應管RF7343(每(mei)片中有(you)一隻N溝(gou)道🆚和一(yi)隻P溝道(dao)型的場(chang)效應管(guan))組成的(de)橋式開(kai)關電路(lu)。通過兩(liang)路控制(zhi)信号CtrlA和(he)Ctrl_B的高低(di)電平來(lai)控制🌈場(chang)效應管(guan)的通🔞斷(duan),從而實(shi)現了勵(li)磁線🚶♀️圈(quan)中電流(liu)方向的(de)切換。電(dian)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(guan)TIP122和4隻399采(cai)樣電阻(zu)組成的(de)恒流源(yuan)。由MCU的定(ding)時器脈(mo)沖寬度(du)調制(PWM)輸(shu)出經✔️過(guo)RC電路濾(lü)波後來(lai)控制流(liu)過勵磁(ci)線圈的(de)電流I從(cong)而産生(sheng)三值正(zheng)弦矩形(xing)波。
2.3信号(hao)處理及(ji)采集電(dian)路
電極(ji)輸出的(de)感應電(dian)動勢信(xin)号(微伏(fu)至毫伏(fu)級的交(jiao)變🐕信号(hao))首先經(jing)過RC電路(lu)濾除部(bu)分高頻(pin)幹擾信(xin)号,然後(hou)送入儀(yi)用放大(da)器AD620進行(hang)差分放(fang)大,但是(shi)由于幹(gan)擾成份(fen)較多,且(qie)有的幹(gan)擾信号(hao)幅值遠(yuan)大于信(xin)号本身(shen),因此AD620的(de)增益不(bu)宜設置(zhi)得過大(da)，10~20倍爲佳(jia)。流量信(xin)号經💰過(guo)AD620放大後(hou),采用單(dan)端輸出(chu)👄(對地電(dian)壓)方式(shi)後通過(guo)電♻️容隔(ge)直,濾去(qu)👄了🔞直流(liu)分量,僅(jin)保留信(xin)号的交(jiao)流分量(liang)⚽。由于測(ce)量電路(lu)器件本(ben)身存在(zai)噪聲以(yi)及其他(ta)幹擾,特(te)别是50Hz的(de)工頻幹(gan)擾💋,有必(bi)要對信(xin)号再次(ci)濾波,在(zai)此選取(qu)了雙T帶(dai)阻濾波(bo),電容C取(qu)Q1μF,中心頻(pin)率f爲50Hz則(ze)R=1/?。C)=1/(2πf0C)≈321Ω。最後把(ba)正負交(jiao)變的信(xin)号進行(hang)電壓平(ping)移,即整(zheng)體🈚提升(sheng)信号幅(fu)值,使之(zhi)都爲正(zheng)值後送(song)入MCU的ADC引(yin)腳。
2.4單片(pian)機系統(tong)
采用電(dian)磁流量(liang)計的MCU,與(yu)顯示模(mo)塊和鍵(jian)盤模塊(kuai)共同構(gou)成單片(pian)機系統(tong)。MSP430F4793片内含(han)2個16位定(ding)時器,每(mei)個定時(shi)器各帶(dai)3個捕獲(huo)此較存(cun)儲器和(he)PWN輸出功(gong)能;3路具(ju)有可編(bian)程增益(yi)🙇🏻放大(PGA)功(gong)能的高(gao)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(ge)通用同(tong)步💋異步(bu)通信接(jie)口。
3軟件(jian)系統
電(dian)磁流量(liang)計有四(si)種工作(zuo)模式:标(biao)定模式(shi)、測量模(mo)式、測試(shi)模式和(he)空管檢(jian)測模式(shi)。儀表上(shang)電後,程(cheng)序完成(cheng)一系列(lie)初始化(hua),随後便(bian)進入測(ce)量模式(shi)開始正(zheng)常工作(zuo)。配合液(ye)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(shi),操作簡(jian)便。
定時(shi)器1用于(yu)産生三(san)值正弦(xian)矩形波(bo)，流程圖(tu)如圖7所(suo)示🍓。程序(xu)中設置(zhi)兩個有(you)32個元素(su)的數組(zu)分别存(cun)放用于(yu)生成正(zheng)弦波☁️上(shang)升沿和(he)下降沿(yan)的占空(kong)比數據(ju),依次使(shi)用這些(xie)值⭐來設(she)置定時(shi)器的TM1__OCAR寄(ji)存器,控(kong)制PWM輸出(chu)的占空(kong)比,進而(er)控制RC濾(lü)波電路(lu)輸出的(de)電壓大(da)小,最終(zhong)得到設(she)計的波(bo)形。
流量(liang)信号AD采(cai)集程序(xu)流程如(ru)圖8所示(shi)。以10個周(zhou)期爲-一(yi)個測量(liang)🌈過🏃🏻♂️程☁️,在(zai)每個周(zhou)期的高(gao)、低電平(ping)勵磁段(duan)各采集(ji)40個采樣(yang)點，并在(zai)兩個零(ling)值勵磁(ci)段各采(cai)樣20點作(zuo)爲相對(dui)零點,求(qiu)得平均(jun)值後換(huan)算得到(dao)E正、E負、E零(ling)1和E零2共(gong)🌈4個電勢(shi)平均值(zhi)。将E負👣與(yu)E零1的差(cha)🎯值作爲(wei)勵磁電(dian)流正⛱️向(xiang)時對應(ying)的流量(liang)信号,E負(fu)與E零2的(de)差值(負(fu)值)作爲(wei)反向流(liu)量信号(hao)。最後把(ba)兩個差(cha)值相減(jian)作爲流(liu)量信号(hao),所以流(liu)量👨❤️👨信号(hao)的計算(suan)公💯式爲(wei):
E=(E正-E零1)-(E負(fu)-E零2)(3)
其中(zhong),采樣時(shi)使用了(le)ADC的前置(zhi)可編程(cheng)增益放(fang)大器模(mo)塊,放大(da)倍數🈲爲(wei)1~32範圍内(nei)的2的倍(bei)數,對輸(shu)入到ADC引(yin)腳的流(liu)量信号(hao)進行🐪動(dong)态調整(zheng)。當輸入(ru)電壓很(hen)小時,增(zeng)加🔴PGA的放(fang)大倍數(shu);而當幅(fu)值🔴過大(da)時，則減(jian)小PGA的放(fang)大倍數(shu)，這樣就(jiu)使測得(de)的AD值🤞盡(jin)量在量(liang)程範圍(wei)的中間(jian)區域❓，從(cong)而減小(xiao)了AD采集(ji)本身的(de)誤差,進(jin)--步提高(gao)了流量(liang)信号的(de)采樣精(jing)🌏度🙇🏻。
4試(shi)驗結果(guo)及分析(xi)
試驗所(suo)用傳感(gan)器的内(nei)徑爲50mm,采(cai)用标準(zhun)計量罐(guan)進行标(biao)定。對矩(ju)形波勵(li)磁方式(shi)和三值(zhi)正弦矩(ju)形波勵(li)磁方式(shi)進行對(dui)比試驗(yan)📐,兩者均(jun)采用5Hz勵(li)磁頻率(lü),實驗數(shu)據如表(biao)💃1所示。從(cong)試驗結(jie)果可以(yi)看出,兩(liang)者在一(yi)定的流(liu)速範圍(wei)(大于20m3/h)内(nei)測量精(jing)度都可(ke)以達到(dao)士3%以内(nei),但在小(xiao)流速(小(xiao)⭐于2.0m3/h)測量(liang)時，矩形(xing)波勵磁(ci)方式的(de)誤差随(sui)✏️着流量(liang)的減💯小(xiao)迅速增(zeng)大,在标(biao)定流量(liang)爲0.3m3/h時達(da)到了👨❤️👨13%,如(ru)此大的(de)誤差是(shi)無法接(jie)受的。與(yu)之💰相比(bi),三值正(zheng)弦矩形(xing)波的測(ce)量誤差(cha)雖然有(you)所上升(sheng)但♍控制(zhi)在±5%以内(nei),明顯好(hao)于矩形(xing)波勵磁(ci)。試驗證(zheng)明,新型(xing)的三值(zhi)正弦矩(ju)形波勵(li)磁方式(shi)能夠更(geng)爲有效(xiao)地消除(chu)微分幹(gan)擾和同(tong)相幹擾(rao),從而顯(xian)著地提(ti)高了電(dian)磁流量(liang)計在小(xiao)流速測(ce)量階段(duan)的精度(du)。
5結論
采(cai)用新型(xing)的三值(zhi)正弦矩(ju)形勵磁(ci)方式增(zeng)進了信(xin)号的穩(wen)定性,加(jia)強了電(dian)磁流量(liang)計在工(gong)作過程(cheng)中的抗(kang)幹擾能(neng)力,特别(bie)是提高(gao)了小流(liu)速階段(duan)的測量(liang)精度。MCU采(cai)用MSP430F4793提高(gao)了采樣(yang)精度,簡(jian)化了電(dian)路,降低(di)了功耗(hao)。用戶通(tong)過鍵盤(pan)和菜單(dan)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(guan)，操作簡(jian)單方便(bian)。系統運(yun)行穩定(ding),測量精(jing)度較高(gao)，具有較(jiao)好的推(tui)廣應用(yong)價值。
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