摘要(yao):針對傳統(tong)電磁流量(liang)計 在測量(liang)漿液流量(liang)時存在精(jing)度低、傳感(gan)器輸出波(bo)動大等缺(que)點，設計了(le)一種基于(yu)DSP的高頻勵(li)磁電磁流(liu)量計。該電(dian)磁流量計(ji)采用高♈低(di)壓切換勵(li)磁方式，通(tong)過🥵引入電(dian)流旁路🧡來(lai)改進變送(song)器的勵磁(ci)👈電路，提高(gao)勵磁頻率(lü)。利用具有(you)高輸入阻(zu)抗的差分(fen)放大電路(lu)放大傳感(gan)器輸出信(xin)号，提高信(xin)号的信噪(zao)比，保證提(ti)取信号的(de)精度。實際(ji)測試結果(guo)表明:系統(tong)測量精度(du)高，對小流(liu)速階段測(ce)量準确度(du)明顯改善(shan)，測量誤差(cha)不超過5%。
0引(yin)言
　　流量檢(jian)測在工業(ye)生産、廢液(ye)監測以及(ji)管道運輸(shu)等領域🈲有(you)着廣泛的(de)應用，根據(ju)測量原理(li)不同，流量(liang)計可以大(da)緻分爲力(li)學、電學、聲(sheng)學、熱學、光(guang)學等類型(xing)，其中電磁(ci)流量計是(shi)依據電學(xue)原理研制(zhi)而成，電磁(ci)流量計與(yu)其他流量(liang)計相比，具(ju)有結構簡(jian)單🥵、測量精(jing)度高、穩定(ding)性好等特(te)點。但電磁(ci)流量計在(zai)測量低流(liu)速、低導電(dian)率液體時(shi)存在精度(du)不高等缺(que)點，爲了克(ke)服這個缺(que)點，研制了(le)一種基于(yu)DSP的高頻勵(li)磁電磁流(liu)量🤩計，在勵(li)磁方式上(shang)選🎯用旁路(lu)勵磁電路(lu)與恒流控(kong)制電路相(xiang)結合的方(fang)式，提高了(le)勵磁頻率(lü)以及能量(liang)的利用效(xiao)率。選用高(gao)性能DSPTMS320F28335來采(cai)集處理傳(chuan)感器輸出(chu)的信号，顯(xian)著提高了(le)系統測量(liang)時的響應(ying)速度，将流(liu)量計算💯結(jie)果通過LCD屏(ping)的方式實(shi)時顯示，系(xi)統具有體(ti)積小、便攜(xie)式以及測(ce)量精度高(gao)等優點［3］。
1高(gao)頻勵磁電(dian)磁流量計(ji)測量原理(li)
　　電磁流量(liang)計根據電(dian)磁感應定(ding)律的原理(li)來測量導(dao)電🏃液🍉體的(de)流量，測量(liang)導電液體(ti)的傳感器(qi)中繞有線(xian)圈，通過給(gei)❗線圈通電(dian)［4］，當液體流(liu)過線圈時(shi)就會切割(ge)磁感線，此(ci)時在線圈(quan)的兩端會(hui)産生感應(ying)電動勢e，根(gen)據電磁學(xue)中右手法(fa)則可得:

　　式(shi)中:B爲傳感(gan)器線圈産(chan)生的磁場(chang)強度;L爲傳(chuan)感器線圈(quan)⭕的長♌度✏️;v爲(wei)液體在傳(chuan)感器中流(liu)動的速度(du)。
由流量計(ji)算公式可(ke)得:

式中S爲(wei)傳感器管(guan)道的截面(mian)積。
　　由式(1)可(ke)知，當B和L已(yi)知時，隻要(yao)測得e就可(ke)以反推出(chu)v;由式(2)可知(zhi)，當測得v時(shi)就能計算(suan)出Q。
2高頻勵(li)磁電磁流(liu)量計硬件(jian)設計
　　高頻(pin)勵磁電磁(ci)流量計由(you)傳感器、高(gao)頻勵磁電(dian)路、信号處(chu)理電路等(deng)組成［5］，其中(zhong)高頻勵磁(ci)電路決定(ding)着傳感器(qi)🐅磁場的強(qiang)弱，勵磁電(dian)路的穩定(ding)性以及精(jing)确性決定(ding)着系統檢(jian)測的準确(que)性以及穩(wen)定性。DSP系統(tong)控制勵磁(ci)電路激勵(li)傳感📱器線(xian)圈，當線圈(quan)中有導電(dian)液體流過(guo)時，其切割(ge)磁感線并(bing)在傳感器(qi)兩端的線(xian)圈上🏃産生(sheng)感應電動(dong)🌈勢，利用信(xin)号檢測電(dian)路監測感(gan)應電動勢(shi)的大小，最(zui)後根據相(xiang)💛應關系計(ji)算出液體(ti)的流🔴量，系(xi)統硬件框(kuang)圖如♉圖1所(suo)示。

2．1高頻勵(li)磁電路設(she)計
　　高頻勵(li)磁電路主(zhu)要由高低(di)壓切換恒(heng)流控制電(dian)路🔞和✏️H橋💯勵(li)磁👣開關電(dian)路組成［6－7］。其(qi)中高低壓(ya)切換恒流(liu)控制電🈲路(lu)确保高壓(ya)或低壓情(qing)況下，都可(ke)以通過H橋(qiao)向勵磁線(xian)圈提供恒(heng)定的電流(liu)。電🌈路原理(li)✨圖如圖2所(suo)示。

　　如圖2所(suo)示，在對傳(chuan)感器線圈(quan)進行勵磁(ci)時，通過比(bi)較器控制(zhi)切換開關(guan)切換高低(di)壓進行勵(li)磁［8］。Vref作爲比(bi)較器的基(ji)準㊙️輸入端(duan)，其表示勵(li)磁電流的(de)電壓穩态(tai)值;而Cur則表(biao)示H橋勵磁(ci)電路中檢(jian)測到的電(dian)壓信号。一(yi)開始當系(xi)統⛷️處于低(di)壓🔞勵磁狀(zhuang)态時，系統(tong)會自動斷(duan)開🚶切換電(dian)路中的電(dian)流旁路，此(ci)時系統通(tong)過利用H橋(qiao)向勵磁線(xian)圈提供恒(heng)定電流。當(dang)勵磁方向(xiang)變化時，電(dian)流檢測電(dian)路就會檢(jian)測到電✂️流(liu)變爲負方(fang)向，比較器(qi)的👈Cur端與Vref端(duan)的平衡就(jiu)會😘發生變(bian)化，此時系(xi)㊙️統通過比(bi)較器自動(dong)切換爲高(gao)壓勵磁狀(zhuang)态。與低壓(ya)勵磁方式(shi)相🐇反，在此(ci)種狀态下(xia)🐕，恒流控制(zhi)電路關閉(bi)而電流旁(pang)路打開，線(xian)圈中的能(neng)量就會存(cun)儲在能量(liang)回饋電路(lu)中，此時C1端(duan)的電壓會(hui)超過高壓(ya)源。等勵磁(ci)線圈中的(de)能量釋放(fang)完後，電流(liu)逐漸降爲(wei)零，此時能(neng)量回饋電(dian)路就會利(li)用電流旁(pang)路📞和H橋将(jiang)能量反饋(kui)給勵磁線(xian)圈。當電容(rong)C1端的電壓(ya)下降到小(xiao)于🆚高壓源(yuan)時，系統就(jiu)會🤩自動❌通(tong)過電流旁(pang)路和H橋直(zhi)接對勵磁(ci)線圈進行(hang)勵磁，當勵(li)磁線圈中(zhong)的電流超(chao)過♋設定阈(yu)值時，Cur端電(dian)壓就會大(da)于Vref點電壓(ya)，此時比較(jiao)器又會切(qie)換成低壓(ya)勵磁方式(shi)，如此反複(fu)循環控制(zhi)🌐，達到對勵(li)磁線圈恒(heng)流控制的(de)目的。圖3爲(wei)H橋勵磁控(kong)制電路。

　　由(you)圖3可知，Io爲(wei)高低壓切(qie)換恒流控(kong)制電路輸(shu)出的恒🙇🏻流(liu)🔱源電流，H橋(qiao)驅動的COM1端(duan)控制三極(ji)管Q1和場效(xiao)應管Q4的通(tong)斷;COM2端控制(zhi)三極管Q2和(he)場效應管(guan)Q3的通斷。L1表(biao)示的是勵(li)磁線圈(傳(chuan)感器中線(xian)圈)，COM1、COM2爲正交(jiao)的PWM波信号(hao)，因此在🌂勵(li)磁線圈L1的(de)兩端會産(chan)生方波勵(li)磁信号。檢(jian)流電路主(zhu)要是用來(lai)檢測勵磁(ci)線圈中電(dian)流的變化(hua)，當線圈中(zhong)的勵磁電(dian)流方向變(bian)化時，可以(yi)及時将此(ci)信息反饋(kui)給高低壓(ya)切換恒流(liu)控制電路(lu)中的比較(jiao)器，從而實(shi)🌈現切換高(gao)低壓源達(da)到恒流控(kong)制的目的(de)［9］。
2．2信号調理(li)電路
　　由于(yu)傳感器線(xian)圈輸出的(de)電動勢信(xin)号非常微(wei)弱，幹擾成(cheng)分複雜，信(xin)号幅值受(shou)磁場變動(dong)影響較大(da)，不能滿足(zu)ADC采用的要(yao)求，因此需(xu)要對此信(xin)号進行調(diao)理［10］。信号調(diao)理電路原(yuan)理圖如圖(tu)4所示🌈。

　　如圖(tu)4所示，信号(hao)調理電路(lu)由前置放(fang)大電路、濾(lü)波電路以(yi)及二次💔放(fang)大電路組(zu)成［11］。其中前(qian)置放大電(dian)路主要是(shi)由AD8610組成的(de)差分放大(da)💁電路構成(cheng)，其主要是(shi)去除信号(hao)中的共模(mo)幹擾并且(qie)進行♻️第一(yi)次⁉️前置放(fang)大，前㊙️置放(fang)大電🈲路的(de)放大倍數(shu)爲15。由📱于有(you)效信号的(de)幅值很小(xiao)，經過前置(zhi)放大電路(lu)後信号中(zhong)還存在很(hen)多高📞頻雜(za)波，這些雜(za)🔆波會影響(xiang)對後級信(xin)号的處理(li)，因此還需(xu)要對前置(zhi)放大電路(lu)輸出的信(xin)号進行低(di)通濾波和(he)二次放大(da)。系統選用(yong)二階有源(yuan)低通🔴濾波(bo)電路濾除(chu)信号中的(de)高頻幹擾(rao)，低通濾波(bo)的截止頻(pin)✏️率設定在(zai)6kHz左右，選用(yong)AD817組成的二(er)次放大電(dian)路對濾波(bo)電路✌️輸出(chu)的信号進(jin)行二次放(fang)大，将信号(hao)調理電路(lu)輸出✨的信(xin)号調整在(zai)0～5V之間，最終(zhong)📱利用DSP内部(bu)的AD轉換器(qi)對此信号(hao)進行模數(shu)轉換得出(chu)傳感器線(xian)圈輸出的(de)感應🌈電動(dong)勢，從而根(gen)據相關的(de)公式計算(suan)得出管道(dao)中🍓液體的(de)流量。具體(ti)電路圖如(ru)圖5所示。

2．3通(tong)信電路
　　電(dian)磁流量計(ji)輸出的流(liu)量值可以(yi)通過外接(jie)的TFTLCD屏直♋接(jie)顯♊示，還可(ke)以通過預(yu)留的RS485通信(xin)接口将數(shu)據發送到(dao)上位機中(zhong)［12］。RS485電路最大(da)的優點是(shi)485電平與TTL電(dian)平兼容，方(fang)便與TTL電路(lu)相連;抗共(gong)🔱模幹擾能(neng)力強;數據(ju)傳輸速度(du)快，高達♍10Mbps;通(tong)信距離遠(yuan)，最大爲1．2km。系(xi)統采用SP3485芯(xin)片進行㊙️數(shu)據通信，SP3485是(shi)🔞一款低功(gong)耗芯片且(qie)符合RS485協議(yi)的收發器(qi)，電路圖如(ru)圖6所示。

3軟(ruan)件設計
　　軟(ruan)件流程圖(tu)如圖7所示(shi)。軟件采用(yong)模塊化的(de)設計方法(fa)♊，主要設計(ji)了勵磁控(kong)制切換程(cheng)序、PWM波産生(sheng)程序、A/D轉換(huan)程✍️序以及(ji)RS485通信程序(xu)等。系統上(shang)電後首先(xian)執行複位(wei)操作，利用(yong)DSP内部的定(ding)時器産生(sheng)PWM波控制H橋(qiao)電路中的(de)勵磁方式(shi)，當系統檢(jian)測到傳感(gan)器線圈👌輸(shu)出的感應(ying)電動勢後(hou)，利用DSP内部(bu)的12位A/D轉換(huan)器對此信(xin)号進行🥰模(mo)數轉換，最(zui)後根據相(xiang)應算法計(ji)算出管道(dao)中被測液(ye)體的流量(liang)。

4實驗數據(ju)分析
　　實驗(yan)中使用管(guan)道的管徑(jing)爲标準50mm，連(lian)續檢測管(guan)道中同一(yi)點的流量(liang)，每10min記錄一(yi)次數據，對(dui)比數據的(de)差異，以此(ci)來判💘定系(xi)統測量的(de)穩定性。首(shou)先對管道(dao)中的流量(liang)進行标定(ding)，利用标準(zhun)流量計進(jin)行檢測，通(tong)過改變閥(fa)門開度來(lai)調整💰管道(dao)中液體流(liu)量，流✉️量标(biao)定爲🏃‍♀️1m/s，此時(shi)啓動系統(tong)開始檢測(ce)，數據如表(biao)1所示。

　　由表(biao)1測量數據(ju)可知，當管(guan)道中液體(ti)的流速恒(heng)定時，系統(tong)在同一點(dian)檢測到的(de)流量基本(ben)一緻，誤差(cha)在4%内，由此(ci)☎️可見系統(tong)具有良好(hao)的穩定性(xing)，符合設計(ji)預期。
　　在驗(yan)證完系統(tong)的穩定性(xing)之後，進一(yi)步檢驗系(xi)統測量的(de)準确性。通(tong)過閥門改(gai)變管道中(zhong)待測液體(ti)的流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼速，将(jiang)标準流量(liang)計檢✌️測到(dao)的流速與(yu)系統測量(liang)的流‼️速進(jin)行比較，實(shi)驗測量數(shu)據如表2所(suo)示。

　　由表2測(ce)量數據可(ke)知，系統在(zai)測量低流(liu)速液體時(shi)(流速小于(yu)1m/s)誤差較大(da)，達到5%，當待(dai)測液體的(de)流速增大(da)時(大于⭕1．4m/s)，誤(wu)差逐漸減(jian)小㊙️，基本維(wei)持在3%以内(nei)。由此可見(jian)系統具有(you)較高的檢(jian)測精度，尤(you)其是當管(guan)道中的液(ye)體流速較(jiao)高時，系統(tong)的檢測誤(wu)差不超過(guo)3%，達到了設(she)計♉預期。
5結(jie)束語
　　采用(yong)了基于能(neng)量回饋和(he)電流旁路(lu)的高低壓(ya)勵磁控🐉制(zhi)方案，通過(guo)高低壓切(qie)換勵磁的(de)方式來實(shi)現對勵磁(ci)過程中恒(heng)流的控制(zhi)，從而使得(de)系統穩定(ding)可靠運行(hang)。MCU采用高性(xing)能數字處(chu)理器🌍DSPTMS320F28335，提高(gao)了㊙️系統的(de)采樣精度(du)以及算法(fa)處理的速(su)度。在測量(liang)數據顯示(shi)方面㊙️，利用(yong)TFTLCD屏直接顯(xian)示測量結(jie)果，也可以(yi)将測量數(shu)據通🔞過RS485接(jie)口發送到(dao)上位機中(zhong)。實際測試(shi)結果表明(ming)，系統具有(you)良好♉的穩(wen)定性，且測(ce)量精度較(jiao)高，誤差不(bu)超過5%。

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