劉林陰，徐永安

(1.鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450064；2.信息工程大學(xué)科研部戰(zhàn)略研究室，河南鄭州 450001)

0 引言

流量檢測在工業(yè)生產(chǎn)、廢液監(jiān)測以及管道運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，根據(jù)測量原理不同，流量計(jì)可以大致分為力學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等類型，其中電磁流量計(jì)是依據(jù)電學(xué)原理研制而成，電磁流量計(jì)與其他流量計(jì)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[1-2]。但電磁流量計(jì)在測量低流速、低導(dǎo)電率液體時(shí)存在精度不高等缺點(diǎn)，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，本文研制了一種基于DSP的高頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)，在勵(lì)磁方式上選用旁路勵(lì)磁電路與恒流控制電路相結(jié)合的方式，提高了勵(lì)磁頻率以及能量的利用效率。本文選用高性能DSP TMS320F28335來采集處理傳感器輸出的信號(hào)，顯著提高了系統(tǒng)測量時(shí)的響應(yīng)速度，將流量計(jì)算結(jié)果通過LCD屏的方式實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)具有體積小、便攜式以及測量精度高等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 高頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)測量原理

電磁流量計(jì)根據(jù)電磁感應(yīng)定律的原理來測量導(dǎo)電液體的流量，測量導(dǎo)電液體的傳感器中繞有線圈，通過給線圈通電[4]，當(dāng)液體流過線圈時(shí)就會(huì)切割磁感線，此時(shí)在線圈的兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e，根據(jù)電磁學(xué)中右手法則可得：

e=BLv

(1)

式中：B為傳感器線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度；L為傳感器線圈的長度；v為液體在傳感器中流動(dòng)的速度。

由流量計(jì)算公式可得：

(2)

式中S為傳感器管道的截面積。

由式(1)可知，當(dāng)B和L已知時(shí)，只要測得e就可以反推出v；由式(2)可知，當(dāng)測得v時(shí)就能計(jì)算出Q。

2 高頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)

高頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)由傳感器、高頻勵(lì)磁電路、信號(hào)處理電路等組成[5]，其中高頻勵(lì)磁電路決定著傳感器磁場的強(qiáng)弱，勵(lì)磁電路的穩(wěn)定性以及精確性決定著系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性。DSP系統(tǒng)控制勵(lì)磁電路激勵(lì)傳感器線圈，當(dāng)線圈中有導(dǎo)電液體流過時(shí)，其切割磁感線并在傳感器兩端的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，利用信號(hào)檢測電路監(jiān)測感應(yīng)電動(dòng)勢的大小，最后根據(jù)相應(yīng)關(guān)系計(jì)算出液體的流量，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 高頻勵(lì)磁電路設(shè)計(jì)

高頻勵(lì)磁電路主要由高低壓切換恒流控制電路和H橋勵(lì)磁開關(guān)電路組成[6-7]。其中高低壓切換恒流控制電路確保高壓或低壓情況下，都可以通過H橋向勵(lì)磁線圈提供恒定的電流。電路原理圖如圖2所示。

圖2 高低壓恒流切換電路

如圖2所示，在對傳感器線圈進(jìn)行勵(lì)磁時(shí)，通過比較器控制切換開關(guān)切換高低壓進(jìn)行勵(lì)磁[8]。Vref作為比較器的基準(zhǔn)輸入端，其表示勵(lì)磁電流的電壓穩(wěn)態(tài)值；而Cur則表示H橋勵(lì)磁電路中檢測到的電壓信號(hào)。一開始當(dāng)系統(tǒng)處于低壓勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷開切換電路中的電流旁路，此時(shí)系統(tǒng)通過利用H橋向勵(lì)磁線圈提供恒定電流。當(dāng)勵(lì)磁方向變化時(shí)，電流檢測電路就會(huì)檢測到電流變?yōu)樨?fù)方向，比較器的Cur端與Vref端的平衡就會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)通過比較器自動(dòng)切換為高壓勵(lì)磁狀態(tài)。與低壓勵(lì)磁方式相反，在此種狀態(tài)下，恒流控制電路關(guān)閉而電流旁路打開，線圈中的能量就會(huì)存儲(chǔ)在能量回饋電路中，此時(shí)C1端的電壓會(huì)超過高壓源。等勵(lì)磁線圈中的能量釋放完后，電流逐漸降為零，此時(shí)能量回饋電路就會(huì)利用電流旁路和H橋?qū)⒛芰糠答伣o勵(lì)磁線圈。當(dāng)電容C1端的電壓下降到小于高壓源時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)通過電流旁路和H橋直接對勵(lì)磁線圈進(jìn)行勵(lì)磁，當(dāng)勵(lì)磁線圈中的電流超過設(shè)定閾值時(shí)，Cur端電壓就會(huì)大于Vref點(diǎn)電壓，此時(shí)比較器又會(huì)切換成低壓勵(lì)磁方式，如此反復(fù)循環(huán)控制，達(dá)到對勵(lì)磁線圈恒流控制的目的。圖3為H橋勵(lì)磁控制電路。

圖3 H橋勵(lì)磁控制電路

由圖3可知，Io為高低壓切換恒流控制電路輸出的恒流源電流，H橋驅(qū)動(dòng)的COM1端控制三極管Q1和場效應(yīng)管Q4的通斷；COM2端控制三極管Q2和場效應(yīng)管Q3的通斷。L1表示的是勵(lì)磁線圈(傳感器中線圈)，COM1、COM2為正交的PWM波信號(hào)，因此在勵(lì)磁線圈L1的兩端會(huì)產(chǎn)生方波勵(lì)磁信號(hào)。檢流電路主要是用來檢測勵(lì)磁線圈中電流的變化，當(dāng)線圈中的勵(lì)磁電流方向變化時(shí)，可以及時(shí)將此信息反饋給高低壓切換恒流控制電路中的比較器，從而實(shí)現(xiàn)切換高低壓源達(dá)到恒流控制的目的[9]。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

由于傳感器線圈輸出的電動(dòng)勢信號(hào)非常微弱，干擾成分復(fù)雜，信號(hào)幅值受磁場變動(dòng)影響較大，不能滿足ADC采用的要求，因此需要對此信號(hào)進(jìn)行調(diào)理[10]。信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

如圖4所示，信號(hào)調(diào)理電路由前置放大電路、濾波電路以及二次放大電路組成[11]。其中前置放大電路主要是由AD8610組成的差分放大電路構(gòu)成，其主要是去除信號(hào)中的共模干擾并且進(jìn)行第一次前置放大，前置放大電路的放大倍數(shù)為15。由于有效信號(hào)的幅值很小，經(jīng)過前置放大電路后信號(hào)中還存在很多高頻雜波，這些雜波會(huì)影響對后級(jí)信號(hào)的處理，因此還需要對前置放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行低通濾波和二次放大。系統(tǒng)選用二階有源低通濾波電路濾除信號(hào)中的高頻干擾，低通濾波的截止頻率設(shè)定在6 kHz左右，選用AD817組成的二次放大電路對濾波電路輸出的信號(hào)進(jìn)行二次放大，將信號(hào)調(diào)理電路輸出的信號(hào)調(diào)整在0～5 V之間，最終利用DSP內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器對此信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得出傳感器線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢，從而根據(jù)相關(guān)的公式計(jì)算得出管道中液體的流量。具體電路圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 通信電路

電磁流量計(jì)輸出的流量值可以通過外接的TFT LCD屏直接顯示，還可以通過預(yù)留的RS485通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中[12]。RS485電路最大的優(yōu)點(diǎn)是485電平與TTL電平兼容，方便與TTL電路相連；抗共模干擾能力強(qiáng)；數(shù)據(jù)傳輸速度快，高達(dá)10 Mbps；通信距離遠(yuǎn)，最大為1.2 km。系統(tǒng)采用SP3485芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，SP3485是一款低功耗芯片且符合RS485協(xié)議的收發(fā)器，電路圖如圖6所示。

圖6 通信電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖7所示。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要設(shè)計(jì)了勵(lì)磁控制切換程序、PWM波產(chǎn)生程序、A/D轉(zhuǎn)換程序以及RS485通信程序等。系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行復(fù)位操作，利用DSP內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生PWM波控制H橋電路中的勵(lì)磁方式，當(dāng)系統(tǒng)檢測到傳感器線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢后，利用DSP內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器對此信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后根據(jù)相應(yīng)算法計(jì)算出管道中被測液體的流量。

圖7 基于DSP的高頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)中使用管道的管徑為標(biāo)準(zhǔn)50 mm，連續(xù)檢測管道中同一點(diǎn)的流量，每10 min記錄一次數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)的差異，以此來判定系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性。首先對管道中的流量進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行檢測，通過改變閥門開度來調(diào)整管道中液體流量，流量標(biāo)定為1 m/s，此時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)開始檢測，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 同一點(diǎn)流速測量數(shù)據(jù)

由表1測量數(shù)據(jù)可知，當(dāng)管道中液體的流速恒定時(shí)，系統(tǒng)在同一點(diǎn)檢測到的流量基本一致，誤差在4%內(nèi)，由此可見系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

在驗(yàn)證完系統(tǒng)的穩(wěn)定性之后，進(jìn)一步檢驗(yàn)系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。通過閥門改變管道中待測液體的流速，將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢測到的流速與系統(tǒng)測量的流速進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同流速時(shí)系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)

由表2測量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)在測量低流速液體時(shí)(流速小于1 m/s)誤差較大，達(dá)到5%，當(dāng)待測液體的流速增大時(shí)(大于1.4 m/s)，誤差逐漸減小，基本維持在3%以內(nèi)。由此可見系統(tǒng)具有較高的檢測精度，尤其是當(dāng)管道中的液體流速較高時(shí)，系統(tǒng)的檢測誤差不超過3%，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)束語

文中采用了基于能量回饋和電流旁路的高低壓勵(lì)磁控制方案，通過高低壓切換勵(lì)磁的方式來實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁過程中恒流的控制，從而使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。MCU采用高性能數(shù)字處理器DSP TMS320F28335，提高了系統(tǒng)的采樣精度以及算法處理的速度。在測量數(shù)據(jù)顯示方面，利用TFT LCD屏直接顯示測量結(jié)果，也可以將測量數(shù)據(jù)通過RS485接口發(fā)送到上位機(jī)中。實(shí)際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，且測量精度較高，誤差不超過5%。