摘要:針(zhēn)對傳統(tong)電磁流(liu)量計 在(zài)測量漿(jiang)液流量(liàng)時存在(zai)精度低(di)、傳感器(qi)輸出波(bo)動大🍉等(děng)缺點，設(she)計了一(yī)種基于(yu)DSP的高頻(pin)勵磁電(diàn)磁流量(liàng)計。該電(diàn)磁流量(liàng)✌️計采用(yòng)高低壓(ya)切換勵(li)磁方式(shì)，通過引(yin)入電流(liu)旁路來(lái)改進變(bian)送器🚩的(de)勵磁電(dian)路，提高(gao)勵磁頻(pin)率。利用(yong)具有高(gāo)輸入阻(zu)抗的差(cha)分放🔴大(dà)電路放(fang)大傳感(gǎn)器輸出(chū)信号，提(tí)高信号(hao)的信噪(zao)比，保證(zheng)提取信(xìn)号的精(jing)度。實際(jì)測試結(jié)果表明(míng):系統測(ce)量精👌度(dù)高，對小(xiǎo)流速階(jiē)段測量(liàng)準确度(dù)明顯改(gai)善，測量(liàng)誤差不(bu)超過5%。
0引(yǐn)言
　　流量(liàng)檢測在(zài)工業生(shēng)産、廢液(yè)監測以(yǐ)及管道(dao)運輸等(deng)🐪領域有(you)着廣泛(fan)的應用(yòng)，根據測(ce)量原理(lǐ)不同，流(liu)量計🆚可(ke)以大緻(zhi)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(yī)據電學(xué)原理研(yan)制而成(cheng)，電磁流(liu)量計與(yǔ)其他流(liu)量計相(xiang)比，具有(you)結構簡(jian)單、測量(liang)精度高(gāo)、穩定性(xing)好等特(tè)點。但電(diàn)💘磁流量(liàng)計在測(ce)量低流(liú)速、低導(dǎo)電率液(yè)體時存(cún)在精度(dù)不高等(děng)缺點，爲(wei)了♊克服(fu)🥰這個缺(que)點，研制(zhi)了一種(zhǒng)基于DSP的(de)高頻勵(lì)磁電磁(cí)流量計(jì)，在勵磁(cí)方式上(shàng)選用旁(páng)路勵磁(cí)電路與(yǔ)恒流控(kòng)制電路(lu)相結合(he)的方式(shi)，提高了(le)勵磁頻(pin)率以及(ji)能量的(de)利用效(xiao)率。選用(yong)高性能(néng)DSPTMS320F28335來采集(ji)處理傳(chuán)感器輸(shū)出的信(xìn)号，顯著(zhe)提高了(le)系統測(cè)🌈量時的(de)響應速(sù)度，将流(liú)量計算(suàn)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(deng)優🤟點［3］。
1高(gāo)頻勵磁(cí)電磁流(liu)量計測(cè)量原理(lǐ)
　　電磁流(liú)量計根(gēn)據電磁(ci)感應定(dìng)律的原(yuán)理來測(ce)量導電(dian)液體的(de)流❓量，測(ce)量導電(dian)液體的(de)傳感器(qì)中繞有(yǒu)線圈，通(tōng)過給🧑🏽‍🤝‍🧑🏻線(xian)圈🍓通電(diàn)［4］，當液體(ti)流過線(xiàn)圈時就(jiu)會切割(ge)磁感線(xiàn)，此時在(zai)線圈的(de)兩端會(hui)産生感(gǎn)應電動(dong)勢e，根據(jù)電磁學(xué)中右手(shou)法則可(kě)得:

　　式中(zhōng):B爲傳感(gǎn)器線圈(quān)産生的(de)磁場強(qiáng)度;L爲傳(chuan)感器線(xiàn)圈的長(zhǎng)🏃‍♀️度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼;v爲液(yè)體在傳(chuán)感器中(zhōng)流動的(de)速度。
由(yóu)流量計(ji)算公式(shì)可得:

式(shi)中S爲傳(chuan)感器管(guǎn)道的截(jie)面積。
　　由(yóu)式(1)可知(zhi)，當B和L已(yǐ)知時，隻(zhī)要測得(de)e就可以(yǐ)反推出(chū)v;由式(2)可(kě)知，當測(ce)🤟得v時就(jiù)能計算(suàn)出Q。
2高頻(pin)勵磁電(diàn)磁流量(liàng)計硬件(jiàn)設計
　　高(gao)頻勵磁(cí)電磁流(liú)量計由(yóu)傳感器(qi)、高頻勵(li)磁電路(lù)、信号處(chù)🔞理電♋路(lù)等組成(chéng)［5］，其中高(gao)頻勵磁(cí)電路決(jue)定着傳(chuan)感器磁(cí)場的強(qiang)弱，勵磁(cí)電路的(de)穩定性(xing)以及精(jing)确性決(jué)定着系(xì)統檢測(cè)的準确(què)性以及(jí)穩定性(xìng)。DSP系統控(kòng)制勵磁(ci)電路激(jī)勵傳感(gǎn)器線圈(quan)，當線圈(quan)中有導(dao)電液體(ti)流過時(shi)，其切割(gē)磁感線(xiàn)并😍在傳(chuán)感器兩(liang)端的線(xian)圈上産(chan)生感應(yīng)電動⛹🏻‍♀️勢(shi)，利用信(xìn)号檢測(cè)電路監(jiān)測感應(ying)電動勢(shi)的大小(xiǎo)，最後根(gēn)據相應(yīng)關系計(jì)算出液(ye)體的流(liú)量‼️，系統(tong)硬件框(kuang)圖如圖(tú)1所示。

2．1高(gao)頻勵磁(ci)電路設(she)計
　　高頻(pín)勵磁電(dian)路主要(yao)由高低(di)壓切換(huàn)恒流控(kong)制電路(lu)和H橋勵(li)磁🎯開關(guān)電路組(zu)成［6－7］。其中(zhong)高低壓(yā)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(qiao)向👄勵磁(cí)線圈提(ti)供恒定(dìng)的電流(liú)。電路原(yuan)理圖如(rú)圖2所示(shì)♉。

　　如圖2所(suo)示，在對(dui)傳感器(qi)線圈進(jìn)行勵磁(cí)時，通過(guo)比較器(qi)⛹🏻‍♀️控制切(qiē)換開關(guān)切換高(gāo)低壓進(jìn)行勵磁(ci)［8］。Vref作爲比(bi)較器的(de)基準輸(shu)入端，其(qi)✏️表示勵(lì)磁電流(liú)的電壓(yā)穩态值(zhí);而Cur則表(biao)示H橋勵(lì)磁電路(lu)中檢測(cè)到的電(diàn)壓信号(hao)。一開始(shi)當系統(tong)處于低(di)壓勵磁(cí)狀态時(shí)，系統會(huì)自動斷(duan)開切換(huàn)電路中(zhong)的電流(liu)旁路，此(cǐ)時系統(tǒng)通過利(lì)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(lù)就會檢(jian)測到電(dian)流變爲(wei)負方向(xiàng)，比較器(qì)的Cur端與(yǔ)Vref端的平(píng)衡就會(huì)發生變(biàn)化，此時(shi)系🔞統通(tong)過比較(jiao)器自動(dong)切換爲(wei)高壓勵(lì)磁狀态(tai)。與低壓(yā)勵磁方(fang)式相反(fǎn)，在此種(zhǒng)狀态下(xià)，恒流控(kong)制電路(lù)關閉而(er)電流旁(páng)路✔️打開(kai)，線圈中(zhōng)🙇‍♀️的能量(liàng)就會存(cún)💘儲在能(néng)量回饋(kuì)電路中(zhōng)✊，此時C1端(duān)的電壓(yā)會超過(guo)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(jiàng)爲零，此(cǐ)🛀🏻時能量(liàng)回饋電(dian)路就會(hui)利用電(diàn)流旁路(lu)和H橋将(jiang)能量反(fǎn)㊙️饋給勵(lì)磁線圈(quan)✂️。當電容(róng)C1端的電(diàn)壓下降(jiàng)到小于(yú)🌈高壓源(yuán)時，系統(tǒng)就會自(zì)動通過(guò)電流旁(pang)路和H橋(qiao)直接對(duì)勵磁線(xian)🌏圈進行(hang)勵磁，當(dāng)勵磁線(xian)圈中的(de)電流超(chāo)過設定(dìng)阈值時(shí)，Cur端電壓(ya)就會大(da)于Vref點電(dian)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(fu)循環控(kòng)制，達到(dào)對勵磁(cí)線圈恒(heng)🔴流控制(zhi)的目的(de)。圖3爲H橋(qiáo)勵磁控(kong)制電路(lu)。

　　由圖3可(kě)知，Io爲高(gao)低壓切(qie)換恒流(liú)控制電(dian)路輸出(chū)的恒流(liu)源電💛流(liu)，H橋驅動(dong)的COM1端控(kòng)制三極(ji)管Q1和場(chǎng)效應管(guan)Q4的通斷(duàn);COM2端控制(zhì)三極管(guǎn)Q2和場效(xiào)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(bo)❌信号，因(yīn)此在勵(lì)磁線圈(quan)L1的兩端(duan)會🆚産生(shēng)方波勵(li)磁信号(hao)。檢流電(diàn)路主要(yào)是用來(lai)檢測勵(li)磁線圈(quan)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(ke)以及時(shí)将此信(xin)息反饋(kui)給高低(dī)壓切換(huan)恒流控(kòng)制電路(lu)中的比(bi)較器，從(cong)而實現(xiàn)切換高(gao)低壓源(yuán)達到恒(héng)流控制(zhi)的🈲目的(de)［9］。
2．2信号調(diào)理電路(lù)
　　由于傳(chuan)感器線(xiàn)圈輸出(chu)的電動(dong)勢信号(hào)非常微(wei)弱，幹擾(rǎo)成分複(fu)雜🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，信号(hao)幅值受(shòu)磁場變(biàn)動影響(xiang)較大，不(bú)能🏒滿足(zu)ADC采用的(de)要求，因(yīn)此需要(yao)對此信(xin)号進行(háng)調理［10］。信(xin)号調理(lǐ)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(qian)置放大(dà)電路、濾(lǜ)波電路(lù)以及二(èr)次放大(dà)電路組(zu)成［11］。其中(zhong)前置放(fang)大電路(lù)主要是(shi)由AD8610組成(chéng)的差分(fen)放大電(diàn)路構成(chéng)，其主要(yào)是去除(chu)信号中(zhong)的共模(mó)幹擾并(bìng)且進行(hang)第一次(ci)前置放(fang)大，前置(zhì)放大電(dian)🌂路的放(fang)大❄️倍數(shu)爲15。由于(yu)有效信(xin)号的幅(fu)值👨‍❤️‍👨很小(xiao)，經過前(qián)置放大(da)電路後(hòu)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(lǐ)，因此還(hai)需要對(dui)前置放(fang)大電路(lù)輸出的(de)信👌号進(jin)行低通(tong)濾波和(he)二次放(fang)大。系統(tǒng)選用二(er)階有源(yuán)低通濾(lü)波電路(lu)💃🏻濾除信(xin)号中的(de)高頻幹(gan)擾，低通(tōng)濾波的(de)截止頻(pín)率設💃定(dìng)在6kHz左右(yòu)，選用AD817組(zǔ)♍成的二(èr)㊙️次放大(da)電路對(dui)💘濾波電(dian)路輸出(chū)的信号(hao)進行二(er)次放大(dà)，将信号(hao)調理電(diàn)路輸出(chū)的信号(hao)調整在(zai)0～5V之間，最(zuì)終利用(yòng)💋DSP内部的(de)AD轉換器(qì)對此信(xin)号進行(háng)模數轉(zhuǎn)換得出(chu)傳感器(qi)線圈輸(shu)出的感(gan)應😄電動(dong)勢，從而(ér)根據相(xiàng)關的公(gōng)式計算(suan)得出管(guǎn)道中🔴液(ye)體的流(liú)量。具體(tǐ)電路圖(tu)如圖5所(suo)示。

2．3通信(xin)電路
　　電(dian)磁流量(liang)計輸出(chu)的流量(liàng)值可以(yi)通過外(wai)接的TFTLCD屏(ping)直接顯(xiǎn)💜示，還可(kě)以通過(guò)預留的(de)RS485通信接(jie)口将數(shù)據發送(sòng)到上位(wei)機中［12］。RS485電(diàn)路最大(dà)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(néng)力強🈲;數(shù)據傳輸(shū)速度快(kuai)，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(háng)🐪數據通(tong)信，SP3485是🌈一(yī)款低功(gong)耗芯片(pian)且符合(hé)RS485協議的(de)收發🐇器(qi)，電路圖(tú)如圖6所(suo)示。

3軟件(jian)設計
　　軟(ruǎn)件流程(chéng)圖如圖(tú)7所示。軟(ruǎn)件采用(yong)模塊化(huà)的設計(ji)方法，主(zhu)💰要設計(ji)了勵磁(ci)控制切(qie)換程序(xu)、PWM波産生(sheng)程序、A/D轉(zhuǎn)換程序(xù)以及RS485通(tōng)信程🔱序(xù)等。系統(tǒng)上電後(hòu)首先執(zhi)行複位(wei)操作，利(lì)用DSP内部(bù)的定時(shí)器産✍️生(sheng)PWM波控制(zhì)H橋電路(lù)中的勵(li)磁方式(shì)，當系統(tong)檢測到(dào)傳感器(qi)線圈✏️輸(shu)出的感(gǎn)應電動(dòng)勢後，利(li)用DSP内部(bù)的12位A/D轉(zhuan)換器對(dui)此信号(hào)進行🛀模(mo)數轉換(huan)，最後👌根(gen)據相應(yīng)算法計(ji)算出管(guǎn)道中被(bei)測液體(ti)的流🐪量(liang)。

4實驗數(shu)據分析(xī)
　　實驗中(zhōng)使用管(guǎn)道的管(guǎn)徑爲标(biāo)準50mm，連續(xù)檢測管(guan)道中同(tóng)一點的(de)🌈流量，每(mei)10min記錄一(yi)次數據(jù)，對比數(shu)據的差(cha)異，以此(ci)來判定(dìng)系統測(cè)量的穩(wen)定性。首(shou)先對管(guan)道中的(de)流量進(jìn)行标定(ding)，利用标(biāo)準流量(liang)計進行(hang)檢測，通(tong)過改變(biàn)閥門開(kai)度來調(diao)整管道(dao)中液♋體(tǐ)流量，流(liu)量标定(dìng)爲💋1m/s，此時(shi)啓動系(xi)統開始(shi)檢測，數(shù)據如表(biǎo)1所🍉示。

　　由(you)表1測量(liàng)數據可(kě)知，當管(guan)道中液(yè)體的流(liú)速恒定(dìng)時，系統(tǒng)在同🏃‍♀️一(yī)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(tong)具有☎️良(liang)好的穩(wěn)定性，符(fú)合設計(jì)預期。
　　在(zài)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(fa)門改變(bian)管道中(zhong)待測液(ye)體的流(liú)速，将标(biāo)準流量(liang)計檢測(cè)到的流(liú)速與系(xi)統測量(liang)的流🆚速(su)進行比(bi)較，實驗(yàn)測量數(shù)據如表(biǎo)2所示。

　　由(yóu)表2測量(liang)數據可(kě)知，系統(tǒng)在測量(liàng)低流速(su)液體時(shí)(流速🍉小(xiao)💞于1m/s)誤差(cha)㊙️較大，達(dá)到5%，當待(dài)測液體(ti)的流速(su)增大時(shí)(大于1．4m/s)，誤(wù)差逐漸(jian)減小，基(jī)本維持(chí)在3%以内(nèi)。由此可(kě)見系統(tǒng)具有較(jiao)高的😘檢(jiǎn)測精度(du)，尤其是(shi)當管❤️道(dào)中的液(ye)體流速(su)較高時(shí)，系統的(de)檢測誤(wu)差不超(chāo)過3%，達到(dao)了設計(ji)預期。
5結(jie)束語
　　采(cai)用了基(ji)于能量(liàng)回饋和(hé)電流旁(pang)路的高(gāo)低壓勵(lì)磁控🍓制(zhì)方案，通(tong)過高低(di)壓切換(huàn)勵磁的(de)方式來(lai)實現對(duì)勵磁🙇‍♀️過(guo)程中恒(heng)流的控(kòng)制，從而(ér)使得系(xì)統穩定(dìng)可靠運(yùn)行。MCU采用(yong)高性能(neng)數字處(chù)理器DSPTMS320F28335，提(ti)高了系(xì)統的采(cai)樣精度(du)以及算(suàn)法處理(lǐ)的速度(dù)。在測量(liang)數據顯(xiǎn)示方面(mian)，利用TFTLCD屏(píng)直接顯(xiǎn)示測量(liàng)結果，也(ye)可以将(jiang)測量數(shu)據通💯過(guo)RS485接口發(fā)送到上(shang)位機中(zhong)。實際🔞測(cè)試結果(guǒ)表明，系(xi)統具有(yǒu)良好的(de)穩定性(xing)，且測量(liang)精度較(jiào)高，誤差(chà)不超過(guo)5%。

以上内(nèi)容源于(yú)網絡，如(ru)有侵權(quán)聯系即(jí)删除!