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                         電磁流量計(jì)新型勵(lì)磁方式的設(shè)計(jì)

電磁流量計(jì)是隨著電子技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來的新型流量測量儀表，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)電液體的流量測量。但是在測量以下液體時(shí)仍然存在困難：①低電導(dǎo)率的液體；②低流速液體；③含有顆粒的高濃度漿狀液體；④黏性液體。通過改進(jìn)勵(lì)磁方式來提高信噪比是解決這些問題有效方法之一。

    激磁技術(shù)是電磁流量計(jì)中zui關(guān)鍵的技術(shù)，其經(jīng)歷了直流激磁、工頻正弦激磁、低頻矩形波激磁、三值低頻矩形波激磁、雙頻矩形波激磁等5個(gè)階段。直流激磁方式由于在小流量測量時(shí)要求信號的直流穩(wěn)定度必須在幾分之一微伏之內(nèi)，而使得它的應(yīng)用范圍受限；工頻正弦激磁方式由于電磁感應(yīng)造成幅值與頻率成正比，從而產(chǎn)生了相位比流量信號滯后90°的正交干擾；低頻矩形波激磁、三值低頻矩形波激磁和雙頻矩形波激磁這三種激磁方式會(huì)不同程度的在電平快速切換時(shí)而引入微分干擾等難題。

    本文提出了一種新型的勵(lì)磁方式———三值正弦矩形波勵(lì)磁方式，它不僅克服了微分干擾的難題，而且解決了正交干擾的影響?；诖藙?lì)磁方式，采用德州儀器公司（TI）的具有16位A/D轉(zhuǎn)換模塊的MSP430F4793單片機(jī)作為MCU，設(shè)計(jì)了一款具有較高穩(wěn)定性和測量精度的電磁流量計(jì)。

    1 勵(lì)磁方式分析

    1.1 測量原理

    電磁流量計(jì)的測量原理為法拉第電磁感應(yīng)定律，如圖1所示。當(dāng)流體在管道內(nèi)流過一個(gè)橫向磁場B的時(shí)候，相當(dāng)于有一定電導(dǎo)率的導(dǎo)體在切割磁力線，形成電動(dòng)勢E，其大小與磁場B、流速v和管徑D成正比，如公式（1）：    

圖1 電磁流量傳感器工作原理圖

       （1）

    其中BvD為流速信號，即真實(shí)測量值。dB/dt為微分干擾，它主要源于“變壓器效應(yīng)”，其大小與流量無關(guān)，即使是在流速等于零，沒有流量信號感應(yīng)的情況下也會(huì)存在，是電磁流量計(jì)的主要干擾。d²B/dt²為同相干擾，是微分干擾的二次微分得到的，所以只要盡量降低微分干擾，同相干擾也會(huì)降低。e_c、e_d和e_z分別是共模干擾、串模干擾和直流極化電壓，均為電磁流量計(jì)的次要干擾源。

    1.2 三值正弦矩形波勵(lì)磁方式

    對于當(dāng)前廣泛應(yīng)用的矩形波勵(lì)磁方式來說，由于正、負(fù)值勵(lì)磁狀態(tài)的瞬間跳變，造成在切換點(diǎn)的磁場變化率dB/dt趨于無窮大（波形上表現(xiàn)為一個(gè)尖峰），形成的微分干擾極大，足以使得前級放大器達(dá)到飽和，導(dǎo)致信號穩(wěn)定性的降低，信號如圖3（a）所示。    

圖2 三值正弦矩形勵(lì)磁波

    本文對當(dāng)前矩形波勵(lì)磁方式改進(jìn)后提出了一種新型的三值正弦矩形波勵(lì)磁方式，波形如圖2所示，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（2）。

        （2）

    式中k為自然數(shù)，T為一個(gè)波形周期。在零值與正、負(fù)電平的切換過程中加入了正弦波段作為過渡，使得勵(lì)磁信號變得相對平滑。選取的正弦波上升沿、平臺(tái)、正弦波下降沿和零值的時(shí)間比為1∶2∶1∶1。

    0-T/2這段正弦波上升沿可知，波形段內(nèi)的磁場變化率dB/dt=（2πf）Acos（ωt-π/2）/2，是連續(xù)平穩(wěn)變化的，幅值在0-πfA之間，其中f為勵(lì)磁頻率。端點(diǎn)a右側(cè)dB/dt=Aωcos（-π/2）/2=0，左側(cè)磁場變化率為0，兩者相等。端點(diǎn)b右側(cè)dB/dt=0，左側(cè)dB/dt=Aωcos（π/2）/2=0，亦相等。因此，在兩端點(diǎn)處的磁場變化率也是連續(xù)的，沒有發(fā)生跳變。同理推得，整個(gè)周期內(nèi)其余正弦波段的磁場變化率都是連續(xù)的，這樣就有效地降低了微分干擾，抑制了尖峰，提升了信號的穩(wěn)定性，使得電磁流量計(jì)在小流速測量階段也能夠達(dá)到較好的測量準(zhǔn)確度。

    在正、負(fù)勵(lì)磁波段，由于磁場強(qiáng)度恒定，微分干擾和同相干擾都很微弱，所以在這個(gè)階段對感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行采樣，能夠取得較為穩(wěn)定的幅值，從而提高了測量的準(zhǔn)確度。同時(shí)，利用零值勵(lì)磁階段的電極信號來動(dòng)態(tài)補(bǔ)償在正、負(fù)勵(lì)磁階段的感應(yīng)電動(dòng)勢信號中的零點(diǎn)部分，減小了零點(diǎn)漂移，增加了零點(diǎn)穩(wěn)定性。

    考慮到工頻干擾，波形的周期要為工頻周期的整數(shù)倍，而我國的市電工頻干擾的頻率為50Hz，所以本方案中選取頻率f為5Hz的波形，這樣在一個(gè)200ms的周期內(nèi)工頻干擾的正負(fù)面積相等，平均值等于零，工頻干擾得到了有效的克服。采用三值正弦波勵(lì)磁方式后，經(jīng)過信號處理電路得到的流量信號如圖3（b）。

圖3 不同勵(lì)磁方式下經(jīng)信號處理電路處理后的流量信號

    2 硬件系統(tǒng)

    2.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)

    三值正弦矩形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)的硬件部分主要由傳感器、電源電路、勵(lì)磁電路、流量信號處理電路、MCU、液晶和鍵盤等模塊構(gòu)成。硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中傳感器直接由廠家制作，這里不做詳細(xì)介紹。電源電路提供±24V、±12V、±5V以及3.3V。    

圖4 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

    2.2 勵(lì)磁電路

    勵(lì)磁系統(tǒng)決定著傳感器的工作磁場，是轉(zhuǎn)換電路中非常重要的部分。本文中的勵(lì)磁電路由兩部分構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 勵(lì)磁電路

    其中，電路（Ⅰ）是由4只光耦和2片場效應(yīng)管IRF7343（每片中有一只N溝道和一只P溝道型的場效應(yīng)管）組成的橋式開關(guān)電路。通過兩路控制信號Ctrl_A和Ctrl_B的高低電平來控制場效應(yīng)管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁線圈中電流方向的切換。電路（Ⅱ）是由一片運(yùn)算放大器OP07、一只NPN型三極管S9013、一只NPN型三極管TIP122和4只39Ω采樣電阻組成的恒流源。由MCU的定時(shí)器脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出經(jīng)過RC電路濾波后來控制流過勵(lì)磁線圈的電流I，從而產(chǎn)生三值正弦矩形波。

    2.3 信號處理及采集電路

    電極輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢信號（微伏至毫伏級的交變信號）首先經(jīng)過RC電路濾除部分高頻干擾信號，然后送入儀用放大器AD620進(jìn)行差分放大，但是由于干擾成份較多，且有的干擾信號幅值遠(yuǎn)大于信號本身，因此AD620的增益不宜設(shè)置得過大，10～20倍為佳。流量信號經(jīng)過AD620放大后，采用單端輸出（對地電壓）方式后通過電容隔直，濾去了直流分量，僅保留信號的交流分量。由于測量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾，特別是50Hz的工頻干擾，有必要對信號再次濾波，在此選取了雙T帶阻濾波，電容C取0.1μF，中心頻率f0為50Hz，則R=1/（ω₀C）=1/（2πf₀C）≈32kΩ。zui后把正負(fù)交變的信號進(jìn)行電壓平移，即整體提升信號幅值，使之都為正值后送入MCU的ADC引腳。

圖6 信號處理電路

    2.4 單片機(jī)系統(tǒng)

    采用TI公司的MSP430F4793作為電磁流量計(jì)的MCU，與顯示模塊和鍵盤模塊共同構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。MSP430F4793片內(nèi)含2個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器各帶3個(gè)捕獲/比較存儲(chǔ)器和PWN輸出功能；3路具有可編程增益放大（PGA）功能的高精度16位Σ-Δ型ADC；RAM為2.5KB，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器多達(dá)60KB，并且擁有4個(gè)通用同步/異步通信接口。    

    3 軟件系統(tǒng)

    電磁流量計(jì)有四種工作模式：標(biāo)定模式、測量模式、測試模式和空管檢測模式。儀表上電后，程序完成一系列初始化，隨后便進(jìn)入測量模式開始正常工作。配合液晶菜單顯示，用戶可以通過按鍵操作來選擇其他工作模式，操作簡便。

    定時(shí)器1用于產(chǎn)生三值正弦矩形波，流程圖如圖7所示。程序中設(shè)置兩個(gè)有32個(gè)元素的數(shù)組分別存放用于生成正弦波上升沿和下降沿的占空比數(shù)據(jù)，依次使用這些值來設(shè)置定時(shí)器的TIM1_OCAR寄存器，控制PWM輸出的占空比，進(jìn)而控制RC濾波電路輸出的電壓大小，zui終得到設(shè)計(jì)的波形。    

圖7 定時(shí)器1中斷波形產(chǎn)生流程圖

    流量信號AD采集程序流程如圖8所示。以10個(gè)周期為一個(gè)測量過程，在每個(gè)周期的高、低電平勵(lì)磁段各采集40個(gè)采樣點(diǎn)，并在兩個(gè)零值勵(lì)磁段各采樣20點(diǎn)作為相對零點(diǎn)，求得平均值后換算得到E_正、E_負(fù)、E_零1和E_零2共4個(gè)電勢平均值。將E_負(fù)與E_零1的差值作為勵(lì)磁電流正向時(shí)對應(yīng)的流量信號，E_負(fù)與E_零2的差值（負(fù)值）作為反向流量信號。zui后把兩個(gè)差值相減作為流量信號，所以流量信號的計(jì)算公式為：

        （3）

    其中，采樣時(shí)使用了ADC的前置可編程增益放大器模塊，放大倍數(shù)為1～32范圍內(nèi)的2的倍數(shù)，對輸入到ADC引腳的流量信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)輸入電壓很小時(shí)，增加PGA的放大倍數(shù)；而當(dāng)幅值過大時(shí)，則減小PGA的放大倍數(shù)，這樣就使測得的AD值盡量在量程范圍的中間區(qū)域，從而減小了AD采集本身的誤差，進(jìn)一步提高了流量信號的采樣精度。     

圖8 流量信號AD采集程序流程圖

    4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

    試驗(yàn)所用傳感器的內(nèi)徑為50mm，采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐進(jìn)行標(biāo)定。對矩形波勵(lì)磁方式和三值正弦矩形波勵(lì)磁方式進(jìn)行對比試驗(yàn)，兩者均采用5Hz勵(lì)磁頻率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩者在一定的流速范圍（大于2.0m³/h）內(nèi)測量準(zhǔn)確度都可以達(dá)到±3%以內(nèi)，但在小流速（小于2.0m³/h）測量時(shí)，矩形波勵(lì)磁方式的誤差隨著流量的減小迅速增大，在標(biāo)定流量為0.3m³/h時(shí)達(dá)到了13%，如此大的誤差是無法接受的。與之相比，三值正弦矩形波的測量誤差雖然有所上升但控制在±5%以內(nèi)，明顯好于矩形波勵(lì)磁。試驗(yàn)證明，新型的三值正弦矩形波勵(lì)磁方式能夠更為有效地消除微分干擾和同相干擾，從而顯著地提高了電磁流量計(jì)在小流速測量階段的度。

表1 電磁流量計(jì)的流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 相對誤差值對照曲線圖

    5 結(jié)論

    本系統(tǒng)采用新型的三值正弦矩形勵(lì)磁方式增進(jìn)了信號的穩(wěn)定性，加強(qiáng)了電磁流量計(jì)在工作過程中的抗*力，特別是提高了小流速階段的測量準(zhǔn)確度。MCU采用MSP430F4793提高了采樣精度，簡化了電路，降低了功耗。用戶通過鍵盤和菜單來選擇工作模式，完成各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，界面簡潔美觀，操作簡單方便。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測量精度較高，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。