摘要:針(zhen)對傳統(tǒng)電磁流(liú)量計 在(zài)測量漿(jiang)液流量(liang)時存在(zài)精度低(di)、傳感器(qi)輸出波(bo)動大等(děng)缺點，設(she)計了一(yi)種基于(yu)DSP的高頻(pin)勵磁電(diàn)磁流量(liang)計。該電(dian)磁流量(liang)計采用(yong)高低壓(ya)切換勵(lì)磁方式(shi)，通過引(yin)入電流(liu)旁路來(lai)改進🤩變(bian)送器的(de)勵磁電(diàn)路，提高(gāo)勵磁頻(pin)率。利用(yong)具有高(gāo)輸入阻(zu)抗❓的差(cha)分放大(da)電路放(fàng)大傳感(gan)器輸🌈出(chu)信号，提(tí)高信号(hào)的信噪(zao)比，保證(zhèng)提取🛀🏻信(xin)号的精(jing)度。實際(ji)測試結(jié)果表明(míng):系統測(cè)量精📧度(du)高，對小(xiao)流速階(jie)段測量(liàng)準确度(dù)明顯改(gai)👨‍❤️‍👨善，測量(liàng)誤差不(bú)💞超過5%。
0引(yǐn)言
　　流量(liàng)檢測在(zai)工業生(shēng)産、廢液(ye)監測以(yi)及管道(dao)運輸等(deng)領❤️域有(you)着廣泛(fàn)的應用(yòng)，根據測(ce)量原理(lǐ)不同，流(liú)量計可(kě)以大緻(zhì)分爲力(li)學🧑🏽‍🤝‍🧑🏻、電學(xue)、聲學、熱(rè)學、光學(xué)等類型(xing)，其中電(dian)磁流量(liàng)計是依(yi)據電學(xué)原理研(yan)制而成(chéng)，電磁流(liú)量計與(yu)其🈲他流(liu)量計相(xiàng)比，具有(yǒu)結構簡(jian)單、測量(liang)精度🔱高(gao)、穩定性(xing)好等特(te)點。但電(diàn)磁流量(liàng)計在測(cè)量低流(liú)速、低導(dao)電率液(yè)體時存(cun)在精度(du)不💘高等(deng)缺點，爲(wèi)了克服(fu)這個缺(que)點，研制(zhì)了一種(zhong)基于DSP的(de)高頻勵(lì)磁電磁(cí)流量計(ji)，在勵磁(cí)方式上(shàng)選用旁(pang)路勵磁(ci)電路與(yǔ)恒流控(kong)制電路(lù)相結合(hé)的方式(shi)，提高了(le)勵磁頻(pín)率以及(jí)能量的(de)利用效(xiào)率。選用(yong)高性能(neng)DSPTMS320F28335來⛹🏻‍♀️采集(jí)處理傳(chuán)感器輸(shu)出的🐪信(xin)号，顯著(zhe)提高了(le)系統測(cè)量時的(de)響應速(su)度，将流(liu)量計算(suan)結果通(tōng)過LCD屏的(de)方式實(shi)時顯示(shi)，系統具(jù)有體積(ji)🈲小、便攜(xié)式以及(jí)測量精(jing)度高等(děng)優點［3］。
1高(gao)頻勵磁(cí)電磁流(liú)量計測(cè)量原理(li)
　　電磁流(liu)量計根(gēn)據電磁(ci)感應定(dìng)律的原(yuan)理來測(cè)量導電(diàn)液體的(de)流量，測(cè)量導電(dian)液體的(de)傳感器(qì)中繞有(yǒu)線☂️圈，通(tong)過給線(xian)圈通電(dian)［4］，當液♌體(ti)流過線(xiàn)圈時就(jiu)會切割(gē)磁感線(xiàn)，此時在(zai)線圈的(de)🍉兩端會(huì)産生感(gan)應電動(dòng)勢e，根💃🏻據(jù)電磁學(xue)中右手(shǒu)法則可(ke)得:

　　式中(zhōng):B爲傳感(gan)器線圈(quan)産生的(de)磁場強(qiáng)度;L爲傳(chuan)感器線(xian)圈的長(zhang)度;v爲液(ye)體在傳(chuán)感器中(zhōng)流動的(de)速度。
由(you)流量計(ji)算公式(shi)可得:

式(shì)中S爲傳(chuan)感器管(guan)道的截(jié)面積。
　　由(you)式(1)可知(zhi)，當B和L已(yi)知時，隻(zhi)要測得(de)e就可以(yi)反推出(chu)v;由式(2)可(ke)知，當測(cè)得v時就(jiù)能計算(suan)出Q。
2高頻(pín)勵磁電(dian)磁流量(liàng)計硬件(jiàn)設計
　　高(gao)頻勵磁(cí)電磁流(liu)量計由(yóu)傳感器(qì)、高頻勵(li)磁電路(lù)、信号處(chù)理電路(lù)等組成(cheng)［5］，其中高(gao)頻勵磁(cí)電路決(jue)定着傳(chuán)感器磁(ci)場的強(qiáng)弱，勵磁(ci)電路的(de)穩定性(xìng)以及精(jīng)确性決(jue)定着♌系(xì)統檢測(ce)的準确(què)性以👅及(jí)穩定性(xìng)。DSP系統控(kòng)制勵磁(cí)電路激(jī)勵傳感(gǎn)器線圈(quan)，當線圈(quan)中有🚶‍♀️導(dǎo)電液體(ti)流過時(shí)，其切割(gē)磁感線(xiàn)并在傳(chuán)感器兩(liang)端的線(xiàn)圈上産(chǎn)生感應(ying)電動勢(shì)，利用信(xin)号檢測(ce)電路監(jian)測感應(ying)電👈動勢(shì)的大👄小(xiǎo)，最後💃根(gēn)據相應(yīng)關系計(jì)算出液(ye)體的流(liu)量，系統(tong)硬件框(kuang)圖如圖(tu)1所示。

2．1高(gāo)頻勵磁(ci)電路設(shè)計
　　高頻(pin)勵磁電(diàn)路主要(yao)由高低(di)壓切換(huan)恒流控(kong)制電路(lù)和H橋勵(lì)💛磁🏃‍♂️開關(guan)電路組(zǔ)成［6－7］。其中(zhōng)高低壓(ya)切換恒(heng)流控制(zhi)電路确(què)保高🙇‍♀️壓(ya)或🈚低壓(yā)情況下(xià)，都可以(yi)通過H橋(qiáo)向勵磁(cí)線圈提(ti)供恒定(dìng)的電流(liú)。電⛷️路原(yuán)理圖如(ru)圖2所示(shi)。

　　如圖2所(suǒ)示，在對(dui)傳感器(qì)線圈進(jin)行勵磁(ci)時，通過(guò)比較器(qì)💰控制切(qie)換開關(guan)切換高(gāo)低壓進(jin)行勵磁(ci)［8］。Vref作爲比(bǐ)較器的(de)基準👌輸(shū)入👅端，其(qí)表示勵(li)磁電流(liú)的電壓(ya)穩态值(zhí);而Cur則表(biǎo)示H橋勵(lì)磁電路(lu)中檢測(cè)到的電(dian)壓信号(hao)。一開始(shǐ)當系統(tǒng)處于低(dī)壓勵磁(ci)狀态時(shi)，系統會(huì)🏃🏻‍♂️自動斷(duàn)開☔切換(huàn)電路中(zhong)的電流(liú)旁路♊，此(ci)時系統(tong)通過利(li)用H橋向(xiang)勵磁線(xian)圈提供(gong)恒定電(diàn)流。當勵(lì)磁方向(xiang)變化時(shí)，電流🤟檢(jiǎn)測電路(lu)就會檢(jiǎn)測到電(diàn)流變爲(wèi)負方向(xiàng)，比較器(qi)的🐅Cur端與(yu)Vref端的平(píng)衡就會(huì)發生變(biàn)化，此時(shí)系✏️統通(tōng)過比較(jiào)器自動(dòng)切換爲(wèi)高壓勵(lì)💰磁狀态(tai)。與低壓(ya)勵磁方(fāng)式相反(fǎn)，在此種(zhong)狀态下(xia)，恒流控(kong)制電路(lu)關閉而(er)電流旁(páng)路打開(kāi)，線圈中(zhōng)的能量(liang)就會💃存(cún)儲在能(neng)量回饋(kui)電路中(zhōng)，此時C1端(duān)的電壓(yā)會超過(guò)高壓源(yuan)。等勵磁(cí)線圈中(zhong)的能量(liàng)釋放完(wan)㊙️後，電流(liu)逐漸降(jiang)爲零，此(cǐ)時能量(liàng)回饋電(diàn)路就會(hui)利用電(dian)流旁路(lù)和H橋将(jiang)能量反(fan)饋給勵(lì)磁線圈(quan)。當電容(rong)C1端的電(dian)壓下💛降(jiàng)到小于(yú)高壓源(yuan)🈲時，系統(tǒng)就會自(zi)動通過(guo)電流旁(pang)路和H橋(qiao)直接對(dui)勵磁線(xiàn)圈進行(hang)勵磁，當(dang)勵磁線(xian)圈中的(de)電流超(chāo)過設定(ding)阈值時(shi)，Cur端電壓(ya)就會大(da)于Vref點電(diàn)壓，此時(shi)比較器(qi)又會切(qiē)換成低(dī)壓勵磁(ci)方式，如(ru)📱此反複(fú)循環控(kòng)制，達到(dao)對勵磁(ci)線圈恒(heng)流💯控制(zhì)的目的(de)。圖3爲H橋(qiao)🙇🏻勵磁控(kong)制電路(lu)。

　　由圖3可(ke)知，Io爲高(gao)低壓切(qie)換恒流(liú)控制電(diàn)路輸出(chū)的恒♉流(liú)🥰源電流(liu)，H橋驅動(dong)的COM1端控(kòng)制三極(ji)管Q1和場(chang)效應管(guǎn)Q4的通斷(duan);COM2端控制(zhi)三極管(guan)Q2和場效(xiao)應管Q3的(de)通斷。L1表(biao)示的是(shi)勵磁線(xiàn)圈(傳感(gǎn)器中線(xiàn)圈)，COM1、COM2爲正(zheng)交的PWM波(bō)信号，因(yin)此在勵(lì)磁線圈(quan)🍓L1的兩端(duān)會💋産生(shēng)方波勵(li)磁信号(hao)。檢流電(dian)路🌐主要(yào)是用來(lai)檢測勵(li)磁線圈(quān)中電流(liu)的變化(hua)，當線圈(quān)中的勵(li)磁電流(liu)方向變(bian)化時，可(kě)以及時(shi)将此信(xìn)息反饋(kuì)給高低(dī)壓切換(huàn)恒流控(kong)制電路(lù)中的比(bi)較器，從(cóng)而🔞實現(xiàn)切換高(gāo)低壓源(yuan)㊙️達到恒(heng)流控制(zhi)的目的(de)［9］。
2．2信号調(diao)理電路(lù)
　　由于傳(chuán)感器線(xian)圈輸出(chū)的電動(dòng)勢信号(hào)非常微(wēi)弱，幹擾(rǎo)成分複(fu)雜，信号(hao)幅值受(shou)磁場變(bian)動影響(xiang)較大，不(bú)能滿足(zu)💛ADC采用的(de)要求，因(yin)此需要(yao)對此信(xin)号進行(háng)調理［10］。信(xìn)号調理(li)電路原(yuán)理圖如(ru)圖4所示(shì)。

　　如圖4所(suo)示，信号(hao)調理電(dian)路由前(qián)置放大(da)電路、濾(lǜ)波電路(lù)以及二(er)次放大(dà)電路組(zu)成［11］。其中(zhong)前置放(fàng)大電路(lu)主要是(shì)由AD8610組成(cheng)的差分(fen)放大電(dian)路構成(cheng)，其主要(yào)是去除(chú)信号中(zhong)的共模(mó)幹擾并(bìng)且進行(háng)😍第一次(ci)🏃🏻‍♂️前置放(fàng)大，前置(zhi)放大電(dian)路的放(fàng)大🥵倍數(shù)爲15。由🎯于(yu)有效信(xin)号的幅(fu)值很小(xiǎo)，經過前(qián)置放大(da)電路後(hou)信号中(zhong)還存在(zai)很多高(gāo)頻雜波(bō)，這些雜(za)波會影(yǐng)響對後(hòu)級信号(hao)的處理(li)，因此還(hái)需要對(duì)前置放(fang)大電路(lù)輸出的(de)信号進(jin)行低通(tōng)濾波和(hé)二次放(fàng)大。系統(tǒng)選用二(èr)階有源(yuán)低通濾(lǜ)波電路(lù)💁濾除信(xìn)号☁️中的(de)高頻幹(gàn)擾，低通(tōng)濾波的(de)截止頻(pin)率設✍️定(dìng)在6kHz左右(you)，選用AD817組(zǔ)成的二(er)次放大(dà)電路對(dui)濾波電(dian)路輸出(chu)的信号(hào)進行二(er)次放大(dà)，将信号(hào)調理電(dian)路輸出(chū)的信号(hào)調整在(zài)0～5V之間，最(zui)終利用(yong)DSP内🧡部的(de)AD轉換器(qi)對此信(xìn)号進行(hang)模數轉(zhuǎn)換得出(chū)傳感器(qi)❓線圈🤞輸(shu)出的感(gǎn)應電動(dòng)勢，從而(er)根據相(xiang)關的公(gong)式計算(suàn)得出管(guan)道中液(ye)體的流(liu)量。具體(tǐ)電路✏️圖(tu)如圖5所(suǒ)示。

2．3通信(xin)電路
　　電(dian)磁流量(liang)計輸出(chu)的流量(liang)值可以(yi)通過外(wai)接的TFTLCD屏(ping)直接♊顯(xian)示，還可(kě)✏️以通過(guo)預留的(de)RS485通信接(jie)口将數(shù)據發送(sòng)到上✉️位(wèi)機中［12］。RS485電(diàn)路最大(da)的優點(dian)是485電平(píng)與TTL電平(ping)兼容，方(fāng)便與TTL電(dian)路相連(lian);抗共模(mo)幹擾能(neng)力強;數(shù)據傳輸(shu)速度快(kuài)，高達🌍10Mbps;通(tōng)信距離(li)遠，最大(dà)爲1．2km。系統(tong)采用✊SP3485芯(xīn)片進行(hang)數據通(tōng)信，SP3485是一(yī)款低功(gōng)耗芯片(piàn)且符合(hé)RS485協議的(de)收發器(qi)，電路圖(tu)如🐅圖6所(suǒ)示。

3軟件(jiàn)設計
　　軟(ruan)件流程(chéng)圖如圖(tu)7所示。軟(ruǎn)件采用(yòng)模塊化(hua)的設計(jì)方法💜，主(zhǔ)要設計(jì)了勵磁(ci)控制切(qiē)換程序(xu)、PWM波産生(shēng)程序、A/D轉(zhuan)換程序(xu)以及RS485通(tong)信程序(xù)等🌈。系統(tǒng)上電後(hou)首先執(zhí)行複位(wèi)操作🔞，利(lì)用DSP内部(bù)的定時(shí)器産生(sheng)PWM波控制(zhi)H橋電路(lu)中的勵(li)磁方式(shi)，當系統(tǒng)檢測到(dào)傳感器(qi)線圈輸(shu)出的感(gan)🌈應電動(dong)勢後，利(lì)用DSP内部(bu)的㊙️12位A/D轉(zhuan)換器對(dui)此信号(hao)進行模(mo)數轉換(huàn)，最後根(gen)據相應(ying)算法計(jì)算出管(guǎn)道中❌被(bèi)測液體(ti)的流🈚量(liàng)。

4實驗數(shu)據分析(xi)
　　實驗中(zhong)使用管(guǎn)道的管(guǎn)徑爲标(biao)準50mm，連續(xu)檢測管(guǎn)道中同(tong)一點的(de)流量，每(mei)10min記錄一(yi)次數據(ju)，對比數(shù)據的差(cha)異，以此(ci)來判🐉定(ding)系統測(cè)🤞量的穩(wěn)定性。首(shǒu)先對管(guan)道中的(de)流量進(jin)行标定(ding)👨‍❤️‍👨，利用标(biāo)準流量(liàng)計進行(háng)檢測，通(tōng)過改變(biàn)閥門開(kāi)度來調(diao)整管道(dào)中液體(ti)流量，流(liú)量标定(ding)爲😍1m/s，此時(shi)啓動系(xi)統開始(shi)檢測，數(shù)據如表(biao)1所示。

　　由(yóu)表1測量(liang)數據可(ke)知，當管(guan)道中液(yè)體的流(liú)速恒定(dìng)時，系統(tǒng)在❄️同一(yi)點檢測(cè)到的流(liú)量基本(běn)一緻，誤(wu)差在4%内(nèi)，由此可(kě)見系統(tǒng)具有良(liáng)好的穩(wěn)定性，符(fu)合設計(jì)預期。
　　在(zai)驗證完(wan)系統的(de)穩定性(xing)之後，進(jìn)一步檢(jiǎn)驗系統(tǒng)測量的(de)準确性(xìng)。通過閥(fá)門改變(biàn)管道中(zhong)待測液(ye)體的流(liú)速，将🧑🏾‍🤝‍🧑🏼标(biao)準流量(liang)🔴計檢測(cè)到的流(liu)速與系(xi)統測量(liang)的流🈲速(su)進行比(bǐ)較，實驗(yàn)測量數(shù)據如表(biao)2所示。

　　由(yóu)表2測量(liang)數據可(kě)知，系統(tong)在測量(liàng)低流速(su)液體時(shi)(流速小(xiao)于1m/s)誤差(cha)❓較大，達(dá)到5%，當待(dài)測液體(tǐ)的流速(sù)增大時(shí)(大于1．4m/s)，誤(wù)差逐漸(jiàn)減小，基(jī)本維持(chí)在3%以内(nei)。由此可(kě)見系統(tong)具有較(jiao)高的檢(jiǎn)測精度(dù)，尤其是(shì)當管道(dao)中的液(ye)體流速(sù)較高時(shi)，系統的(de)檢測誤(wu)差不超(chao)過3%，達到(dào)了設計(jì)預期。
5結(jie)束語
　　采(cai)用了基(jī)于能量(liàng)回饋和(he)電流旁(pang)路的高(gāo)低壓勵(li)磁🈲控制(zhi)🏃🏻‍♂️方案，通(tōng)過高低(di)壓切換(huan)勵磁的(de)方式來(lai)實現對(dui)勵磁⭐過(guo)程中恒(héng)流的控(kòng)制，從而(er)使得系(xi)統穩定(ding)可靠☁️運(yun)行。MCU采用(yong)高性能(neng)數字處(chù)理器DSPTMS320F28335，提(tí)高了系(xì)統的采(cai)樣🏃🏻‍♂️精度(du)以及算(suan)法處理(li)♍的速度(du)。在測量(liang)數據顯(xiǎn)示方面(mian)，利用TFTLCD屏(píng)直接顯(xian)示測量(liang)結🔆果，也(yě)可以将(jiāng)測量數(shù)據通過(guò)RS485接口發(fā)送到上(shàng)位機中(zhōng)。實際測(cè)試結果(guo)表明，系(xì)統具有(you)良好的(de)穩定性(xìng)，且測量(liang)精度較(jiào)高，誤差(cha)不超過(guo)5%。

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