摘要:針對現有勵(li)磁方式的缺陷,提(ti)出了一種新型的(de)三⭕值正弦矩形波(bo)勵磁方式,采用具(jù)有16位ADC采集模塊的(de)MSP430F4793單片🥰機作🙇‍♀️爲MCU,構🔅建(jiàn)了電磁流量計 樣(yang)機。新型勵磁方式(shi)的特點并介紹了(le)軟、硬件設計。試驗(yan)結💰果🏃🏻表💋明,新型勵(lì)磁方式有效地提(ti)高了信号的穩💔定(ding)性，克服了矩形波(bō)勵磁方式帶來的(de)微分幹♌擾難題,也(yě)解決了正弦🛀🏻波勵(lì)磁中的正交幹擾(rǎo)的影響,減小了測(ce)量誤差,對小流速(sù)階段的測量精度(du)改善明顯。
　　電磁流(liu)量計是随着電子(zǐ)技術的應用而發(fa)展起來的新型流(liu)量測量儀表,現已(yi)廣泛應用于各種(zhǒng)導電液體的流量(liàng)測量。但是在⛹🏻‍♀️測量(liàng)以下液體時仍然(ran)存在困難:①低電導(dao)率的液體;②低流速(sù)液體;③含有顆粒的(de)高濃度漿狀液體(ti);④黏性液體。通過改(gai)進勵磁方式來提(ti)高信噪比是解決(jue)這些問題有效方(fang)法之一.
　　激磁技術(shu)是電磁流量計中(zhong)最關鍵的技術,其(qí)經曆㊙️了直流激磁(ci)、工頻正弦激磁、低(dī)頻矩形波激磁、三(sān)值🔞低頻矩形波激(ji)磁、雙頻矩形波激(ji)磁等5個階段(4-51。直流(liú)激磁方式由于在(zai)小流㊙️量測量時要(yào)求信号的直流穩(wěn)定度必須在幾分(fen)之一微伏之内,而(ér)使得它的應🔴用範(fan)圍受限;工頻正弦(xian)激磁方式由于電(dian)磁感應造❗成幅值(zhí)與頻率成正比,從(cóng)而産生了相位比(bi)流量信号滞後90的(de)正交幹😍擾;低頻矩(jǔ)形波激磁、三值低(dī)頻矩形波激磁和(he)雙頻矩形波激磁(ci)這三種激磁方式(shi)會🚶‍♀️不同程度的在(zài)電平快🛀🏻速切換時(shi)而引入微分幹擾(rǎo)⁉️等難題。
本文提出(chu)了一種新型的勵(li)磁方式一三值正(zhèng)弦矩形🧑🏽‍🤝‍🧑🏻波🐪勵磁方(fāng)式，它不僅克服了(le)微分幹擾的難題(ti),而且解決了正交(jiao)幹擾的影響。基于(yú)此勵磁方式,采用(yòng)具有16位A/D轉換模❄️塊(kuài)的MSP430F4793單♊片機作爲MCU，設(shè)計🤟了一款具有穩(wěn)定性和測量精度(du)的電磁流量計。
1勵(li)磁方式分析
1.1測量(liang)原理
　　電磁流量計(ji)的測量原理爲法(fǎ)拉第電磁感應定(ding)律,如圖1所示。當流(liú)體在管道内流過(guo)一個橫向磁場B的(de)時候,相當于有一(yi)定電導⛷️率的導體(ti)在切割磁力線,形(xing)成電動勢E,其大小(xiǎo)與磁場B、流速和管(guan)徑D成正比,如公式(shi)(1):

　　其(qí)中B?D爲流速信号,即(ji)真實測量值。dB/dt爲微(wēi)分千擾,它主🔞要源(yuán)于變壓器效應其(qí)大小與流量無關(guan),即使是在流速🧑🏾‍🤝‍🧑🏼等(deng)于零,沒有流量信(xìn)号感應[14]的情況下(xià)也會存🏃在,是電磁(cí)流量💔計的主要幹(gan)擾D2B/dt2爲同相幹擾,是(shì)微分幹擾的二次(ci)微分得到的,所以(yǐ)隻要盡量降低微(wei)分🧡幹擾，同相幹擾(rao)也會降低。ec、ed和ez分别(bié)是共模幹擾、串模(mo)幹擾和直流極化(huà)電壓，均爲電磁流(liú)量計的次要幹擾(rǎo)源
1.2三值正弦矩形(xing)波勵磁方式
　　對于(yu)當前廣泛應用的(de)矩形波勵磁方式(shì)來說,由于正負值(zhí)勵磁狀态的瞬間(jian)跳變,造成在切換(huàn)點的磁🔴場變化率(lǜ)dB/dt趨于無窮大波形(xing)上表現爲一個尖(jian)峰),形成的微分幹(gàn)擾極大,足❓以使得(de)前級放大器達到(dào)飽和，導緻信号穩(wěn)定性的降低,信号(hao)如圖3(a)所示。

　　對(duì)當前矩形波勵磁(cí)方式改進後提出(chū)了一種新型🏒的三(san)🐕值正弦矩形波勵(lì)磁方式,波形如圖(tú)2所示，數學表達式(shi)如式(2)。

　　式中k爲自然(rán)數,T爲一個波形周(zhou)期。在零值與正、負(fù)電平的⁉️切換過程(cheng)中加入了正弦波(bo)段作爲過渡,使得(dé)🌈勵磁⚽信号變得相(xiang)對平滑。選取的正(zhèng)弦波上升沿、平台(tái)、正弦波下降沿和(he)零☁️值的時🐕間比爲(wèi)❗1：2：1：1。
　　0-T/2這段正弦波_上升(shēng)沿可知，波形段内(nèi)的磁場變化率dB/dt=(2π?)4cos(?t-π/2)/2,是(shì)連續平👨‍❤️‍👨穩🚶變化的(de),幅值在0-π?A之間，其中(zhong)?爲勵磁頻率。端點(dian)a右側☀️dB/dt=A?cos(-π/2)/2=0,左側磁場變(bian)化率爲0,兩者相等(deng)。端點b右側☀️dB/dt=0,左側dB/dt=A?cosπ/2)/2=0，亦(yi)相等。因此,在兩🈚端(duan)點處的磁場變化(huà)率也是🏃‍♀️連續的,沒(méi)有發生跳✏️變。同理(li)推得,整個周期内(nèi)其餘🌈正弦波段的(de)磁場變化率都是(shi)連續的,這樣就有(you)效地降低了微分(fen)幹擾,抑制了尖💃🏻峰(fēng),提升了信号的穩(wen)定性,使得電磁流(liu)📐量計在小流速測(ce)量階段也能夠達(dá)✨到較好的測量精(jing)度。
　　在正、負勵磁波(bō)段,由于磁場強度(dù)恒定,微分幹擾和(he)🌈同👅相💜幹擾都很微(wēi)弱,所以在這個階(jie)段對感應電動勢(shì)進行采樣,能👣夠取(qu)得較爲穩定的幅(fu)值，從而提高了測(ce)量的精度。同時,利(li)🏃🏻用零值勵磁階段(duan)的電極信号來動(dòng)态補償在正😘、負勵(lì)磁階段的感應電(dian)動勢信号中的零(líng)點部分,減小了零(ling)點漂移,增😍加了零(líng)點穩定性。

　　考慮(lǜ)到工頻幹擾，波形(xíng)的周期要爲工頻(pín)周期的[17]整數倍,而(ér)我國的市電工頻(pín)幹擾的頻率爲50Hz，所(suo)以選取頻率?爲5Hz的(de)波形,這樣👄在一個(gè)200ms的周期内工頻幹(gàn)擾的💋正負面積相(xiàng)等,平均值等于零(líng),工頻幹擾得到了(le)有🌂效的克服。采用(yong)三值正弦波勵磁(cí)方式後,經過信号(hao)處理電路得🌈到的(de)流量信🐆号如圖3(b)。
2硬(yìng)件系統
21硬件電路(lù)總體設計
　　三值正(zhèng)弦矩形波勵磁的(de)電磁流量計的硬(yìng)件部分主要由傳(chuán)🆚感器、電源電路、勵(lì)磁電路、流量信号(hao)處理🎯電路、MCU、液晶💛和(hé)鍵盤等模塊構成(chéng)。硬件總體結構圖(tu)如🏃‍♀️圖4所示✂️。其中傳(chuán)🐅感器直接由廠家(jia)制作⛱️,這裏不做詳(xiáng)細介紹。電🔱源電路(lù)提供+24V、+12V、+5V以及3.3V。

22勵磁電路
　　勵(lì)磁系統決定着傳(chuan)感器的工作磁場(chang),是轉換電路⁉️中非(fei)常重㊙️要的部分。勵(lì)磁電路由兩部分(fen)構成，如圖5所示❌。

　　其(qí)中,電路(I)是由4隻光(guāng)耦和2片場效應管(guǎn)RF7343(每片中有一隻N溝(gōu)❌道和一📧隻P溝道型(xíng)的場效應管)組成(cheng)的橋式開關電路(lu)。通過兩路控制信(xin)号CtrlA和Ctrl_B的高低電平(píng)來控制場效應管(guan)的通斷,從而實現(xian)了勵磁線圈中電(dian)流方向的切換。電(dian)路(I)是由一片運算(suàn)放大器OP07.-隻NPN型三極(jí)管S9013、一隻NPN型三極管(guan)TIP122和4隻399采樣電阻組(zu)成的恒流源。由MCU的(de)定時器脈沖❤️寬度(dù)調制(PWM)輸出經過RC電(dian)路濾波後來控制(zhì)流過勵磁線圈的(de)電流I從而産生三(san)值正弦矩形⚽波。
2.3信(xìn)号處理及采集電(diàn)路
　　電極輸出的感(gǎn)應電動勢信号(微(wēi)伏至毫伏級的交(jiao)變信号)首💰先經過(guo)RC電路濾除部分高(gāo)頻幹擾信号,然後(hòu)送🆚入儀💞用放大器(qì)AD620進行差分放大,但(dan)是由于幹擾🌂成份(fèn)較🆚多,且有的幹擾(rao)信号幅值遠大于(yu)信号本身,因此AD620的(de)增益不宜設置得(dé)過大，10~20倍爲佳。流量(liang)信号經過AD620放大後(hou),采用單端輸出(對(dui)地電壓)方式後通(tōng)過電容隔直,濾去(qù)了直流分量,僅保(bǎo)留信号的交流🙇🏻分(fen)量。由于測量電路(lù)器❗件本身存在噪(zao)聲以及其他幹擾(rǎo),特🥵别是50Hz的工頻幹(gan)擾🚶,有必要對信号(hào)再🔴次濾波,在此🙇‍♀️選(xuan)取了雙T帶阻濾波(bō),電容C取Q1μF,中🥵心頻率(lǜ)f爲50Hz則R=1/?。C)=1/(2πf0C)≈321Ω。最後把正負(fù)交變的信号進行(háng)電壓平移,即整體(tǐ)提升信号幅值,使(shǐ)之都爲正值後送(sòng)入MCU的ADC引腳。

2.4單片機(ji)系統
　　采用電磁流(liú)量計的MCU,與顯示模(mó)塊和鍵盤模塊共(gong)同構成單🈲片機系(xì)統。MSP430F4793片内含2個16位定(dìng)時器,每個定時器(qi)各帶3個捕🈲獲此較(jiào)存儲器和PWN輸出功(gong)能;3路具有可編程(chéng)增益放大(PGA)功能的(de)高精度16位?-△型ADC;RAM爲25KB,FLASH存(cún)儲器多達60KB，并且擁(yōng)有4個通用同步異(yi)步通信接口。
3軟件(jian)系統
　　電磁流量計(jì)有四種工作模式(shi):标定模式、測量模(mó)式、測試模式和空(kong)管檢測模式。儀表(biao)上電後,程序完成(cheng)一系列初始化,随(sui)後便進入測量模(mó)式開始正常工作(zuò)。配合液晶菜單顯(xiǎn)示,用戶可以通過(guo)按鍵操作來選擇(ze)其他工作模式,操(cao)作簡便。
　　定時器1用(yong)于産生三值正弦(xián)矩形波，流程圖如(ru)圖7所示。程序中設(shè)🔆置兩個有32個元素(su)的數組分别存放(fang)用✉️于生成正😄弦波(bō)上升💔沿和下降沿(yán)的占空比數據,依(yī)次使用👌這些值來(lai)設置♻️定時器的TM1__OCAR寄(jì)存器,控制PWM輸出的(de)占空比,進而控制(zhì)RC濾波電路輸出的(de)電壓大小,最終得(dé)到設計的波形。

　　流(liú)量信号AD采集程序(xù)流程如圖8所示。以(yi)10個周期爲-一個🤟測(cè)量過程,在每個周(zhou)期的高、低電平勵(li)磁段各采集40個采(cai)樣點，并🌏在兩個零(líng)值勵磁段各采樣(yang)20點作爲🏒相對零點(dian),求得平均值✊後換(huàn)算得到E正、E負、E零1和(hé)E零2共🆚4個電勢平均(jun)值。将E負與E零1的差(chà)🙇🏻值作爲勵磁電流(liu)正向時對應的📱流(liu)量信号,E負與E零2的(de)差值(負值)作爲反(fan)🏃🏻‍♂️向流量信号🛀🏻。最後(hòu)把兩個差值相減(jiǎn)作爲流量信号,所(suǒ)以流量信号的計(ji)算公🌏式爲:
E=(E正-E零1)-(E負(fu)-E零2)(3)
　　其中,采樣時使(shǐ)用了ADC的前置可編(biān)程增益放大器模(mó)塊,放大倍數爲1~32範(fan)圍内的2的倍數,對(dui)輸入到ADC引腳的流(liu)量信号進行動态(tài)調整。當輸入電壓(ya)很小時,增加PGA的放(fàng)大倍數;而當幅值(zhi)🔱過大時‼️，則減小PGA的(de)放大倍數，這樣就(jiù)使🥵測得的AD值盡量(liang)在量🌈程範圍的中(zhong)間區域，從而減小(xiǎo)了AD采集本身的誤(wu)差,進--步提高了流(liú)量信号的采樣精(jīng)度。

4試驗結果(guo)及分析
　　試驗所用(yong)傳感器的内徑爲(wei)50mm,采用标準計量罐(guàn)進行标定。對矩形(xíng)波勵磁方式和三(san)值正弦矩形波勵(li)磁方式進行對比(bi)試驗,兩者均采用(yong)5Hz勵磁頻率,實驗數(shù)👉據如表1所示。從試(shi)驗結果可以看出(chu),兩者在一定的流(liu)速範圍(大于20m3/h)内測(cè)量精度都可以達(da)到士3%以内,但在小(xiao)流速(小于2.0m3/h)測量時(shi)，矩形波勵磁方⛷️式(shi)的誤差随着流量(liang)的減小迅速增大(da),在标定流量爲0.3m3/h時(shí)達到了13%,如此大的(de)☁️誤差是無法接受(shou)的。與之♊相比,三值(zhi)正弦矩形波的測(cè)量誤差雖然有所(suǒ)上升但控制在±5%以(yi)内,明顯好于矩形(xing)波勵磁。試驗證明(ming),新型的三值正弦(xián)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻矩形波勵磁方式(shì)✏️能夠更爲有效地(di)消除微分幹擾🏃‍♂️和(hé)同相幹擾,從而顯(xian)著地🏃‍♂️提高了電磁(ci)流量計在小流速(su)測量階段的精度(du)。


5結論
　　采用新型的(de)三值正弦矩形勵(li)磁方式增進了信(xin)号的穩定性,加強(qiáng)了電磁流量計在(zai)工作過程中的抗(kang)幹擾能力,特别是(shì)提高了小流速階(jiē)段的測量精度。MCU采(cai)用MSP430F4793提高了采樣精(jing)度,簡化了電路,降(jiàng)低了功耗。用戶通(tōng)過鍵盤和菜單來(lai)選擇工作模式,完(wan)成各項參數設置(zhì)，界面簡潔美觀，操(cao)作簡單方便。系統(tong)運行穩定,測量精(jīng)度較高，具有較好(hao)的推廣應用價值(zhí)。

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