摘(zhai)要:針對現有(yǒu)勵磁方式的(de)缺陷,提出了(le)一種新型的(de)❗三值正弦矩(ju)形波勵磁方(fang)式,采用具有(you)16位ADC采集模塊(kuai)的MSP430F4793單片機作(zuo)爲MCU,構建了電(dian)磁流量計 樣(yang)機。新型勵磁(ci)方式的特點(dian)并介紹了軟(ruan)、硬件設計🍉。試(shì)驗結果表❄️明(ming),新型勵磁方(fāng)式有效地提(ti)高了信号⚽的(de)穩定性，克服(fu)了矩形波😍勵(li)磁方式帶來(lai)的微分幹擾(rao)難題,也解決(jué)了正弦🎯波勵(li)磁中的正交(jiao)幹擾的影響(xiǎng),減小了🌍測量(liàng)誤差,對小流(liú)速💔階段的測(cè)🏃量精度改善(shàn)明顯。
　　電磁流(liú)量計是随着(zhe)電子技術的(de)應用而發展(zhǎn)起來的新型(xíng)🚶‍♀️流量測量儀(yí)表,現已廣泛(fan)應用于各種(zhǒng)導電液體✊的(de)流量測量。但(dan)是在🌈測量以(yǐ)下液體時仍(réng)然存在困難(nán):①低電導率的(de)液♈體;②低流速(sù)液體;③含有顆(ke)粒的高濃度(dù)漿⁉️狀液體;④黏(nian)性液體。通過(guò)改進勵磁方(fang)式來提高信(xin)噪比👉是解決(jue)這些問題有(yǒu)效方法之一(yi).
　　激磁技術是(shi)電磁流量計(ji)中最關鍵的(de)技術,其經曆(li)🆚了直流激磁(ci)、工頻正弦激(ji)磁、低頻矩形(xíng)波激磁、三值(zhí)低頻矩形🛀波(bo)激磁、雙頻矩(jǔ)形波激磁等(deng)5個階段(4-51。直流(liú)🐪激磁方式由(you)于在小流量(liàng)測量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻時要求(qiu)信号的直流(liú)穩定度必須(xu)在幾分之一(yi)微伏之内,而(er)使得它的應(ying)用範圍受限(xiàn);工頻正弦激(ji)磁方式由于(yu)電磁感應造(zào)🏃‍♀️成幅值與頻(pin)率成正比,從(cong)而産💔生了相(xiang)位比流量信(xin)号滞後90的正(zheng)交幹擾;低頻(pín)😍矩形波激🏃🏻磁(cí)、三值低頻矩(jǔ)形波激磁和(hé)雙頻矩形波(bo)激磁這三種(zhong)激磁方式會(huì)🥵不同程度🔞的(de)在電平快速(sù)切換時而引(yǐn)入微分幹擾(rao)🎯等難題。
本文(wén)提出了一種(zhong)新型的勵磁(ci)方式一三值(zhí)正弦矩形波(bō)勵磁方式，它(tā)不僅克服了(le)微分幹擾的(de)難題,而🌈且解(jie)✂️決了正交🔴幹(gan)擾的影響。基(ji)于此勵磁方(fāng)式,采用具有(yǒu)16位A/D轉換模塊(kuai)的MSP430F4793單㊙️片機作(zuo)爲MCU，設計🔴了一(yī)款具有🤟穩定(ding)性和測量精(jīng)度🍉的電磁流(liú)量計。
1勵磁方(fang)式分析
1.1測量(liang)原理
　　電磁流(liú)量計的測量(liang)原理爲法拉(lā)第電磁感應(yīng)定律🔱,如圖1所(suǒ)㊙️示。當🚩流體在(zài)管道内流過(guo)一個橫向磁(ci)場B的時候🥵,相(xiàng)當于有一定(dìng)電導率的導(dao)體在切割磁(cí)力線,形成電(dian)動勢E,其大小(xiǎo)與磁場B、流速(sù)和管♻️徑D成正(zhèng)比,如公式(1):

　　其中B?D爲(wèi)流速信号,即(jí)真實測量值(zhí)。dB/dt爲微分千擾(rǎo),它主🤩要源🛀于(yú)變壓器效應(ying)其大小與流(liu)量無關,即使(shǐ)是在流速💯等(děng)于🏃🏻零,沒有流(liu)量信号感應(yīng)[14]的情況下也(yě)會存在,是電(dian)磁流量計的(de)主⭐要幹擾D2B/dt2爲(wei)同相幹擾,是(shì)微分幹擾的(de)二次微分得(de)💃到的,所以㊙️隻(zhī)要盡量降低(dī)微分幹擾，同(tóng)相幹🐕擾也會(hui)降低。ec、ed和ez分别(bie)是共模幹擾(rǎo)、串模幹擾和(he)直流極化電(diàn)壓，均爲電💘磁(ci)流量計的次(ci)要幹擾源
1.2三(sān)值正弦矩形(xíng)波勵磁方式(shi)
　　對于當前廣(guang)泛應用的矩(ju)形波勵磁方(fāng)式來說,由于(yu)正負值勵磁(cí)狀态的瞬間(jian)跳變,造成在(zài)切換點的磁(cí)場變化率dB/dt趨(qū)于無窮大波(bō)形上表現爲(wèi)一個尖峰),形(xíng)成的微分幹(gàn)擾極大,足以(yi)使得前級放(fàng)大器達到飽(bao)和，導緻信号(hao)穩定性的降(jiàng)低,信号如圖(tu)3(a)所示。

　　對當(dāng)前矩形波勵(li)磁方式改進(jin)後提出了一(yī)種新型🌂的三(san)值🔴正弦矩形(xíng)波勵磁方式(shi),波形如圖2所(suǒ)示，數學表達(da)式如式(2)。

　　式中(zhōng)k爲自然數,T爲(wei)一個波形周(zhōu)期。在零值與(yǔ)正、負電㊙️平🌈的(de)切換過程中(zhong)加入了正弦(xián)波段作爲過(guo)渡,使得勵磁(cí)信号變得相(xiang)對平滑🐅。選取(qu)的正弦波上(shàng)升沿、平台、正(zheng)弦波下降沿(yan)和零值的時(shi)㊙️間比爲1：2：1：1。
　　0-T/2這段(duan)正弦波_上升(shēng)沿可知，波形(xíng)段内的磁場(chang)變化率dB/dt=(2π?)4cos(?t-π/2)/2,是連(lián)🈲續平穩變化(huà)的,幅值在0-π?A之(zhi)間，其中?爲勵(li)磁頻率。端點(diǎn)a右側👌dB/dt=A?cos(-π/2)/2=0,左側磁(cí)場變化率爲(wèi)0,兩者相等。端(duan)點b右側dB/dt=0,左側(ce)dB/dt=A?cosπ/2)/2=0，亦相等。因🙇‍♀️此(cǐ),在兩端點處(chu)🤟的磁場變化(hua)率也是👌連續(xù)的,沒有發生(sheng)跳🔅變。同理推(tuī)得,整個周期(qi)内其餘正弦(xian)波段的💯磁場(chang)變化率都是(shì)連續的,這樣(yang)就有效地降(jiàng)低了微分幹(gan)擾,抑制了尖(jiān)峰,提升了信(xin)号的穩定性(xìng),使得🐅電磁流(liú)量計在小流(liu)速測量階段(duàn)也能夠達到(dao)較好的測量(liàng)精‼️度。
　　在正、負(fu)勵磁波段,由(yóu)于磁場強度(dù)恒定,微分幹(gàn)擾和同相幹(gan)擾都很微弱(ruo),所以在這個(ge)階段對感應(yīng)電動勢進行(hang)采樣,能夠取(qu)得較爲穩定(dìng)的幅值，從而(ér)提高🐆了測量(liàng)的精度。同時(shi),利㊙️用零值勵(li)磁階段的電(dian)極信号來動(dòng)态補償在正(zheng)、負勵磁階段(duan)的感應電動(dòng)勢信号中的(de)零點部分,減(jiǎn)小了零點漂(piāo)移,增加了零(ling)點穩㊙️定性。

　　考慮(lǜ)到工頻幹擾(rao)，波形的周期(qi)要爲工頻周(zhou)期的[17]整🤩數🌏倍(bei),而我國💜的市(shì)電工頻幹擾(rao)的頻率爲50Hz，所(suo)以選取頻率(lü)?爲5Hz的波形,這(zhe)樣在一個200ms的(de)周期内工頻(pín)幹擾的✉️正負(fù)面積相等,平(píng)均值等于零(líng)✊,工頻幹擾得(dé)到了有㊙️效的(de)克服。采用三(sān)值正弦波勵(lì)磁方式後,經(jing)過信号♍處理(li)電路得到的(de)流量信号如(rú)圖3(b)。
2硬件系統(tong)
21硬件電路總(zong)體設計
　　三值(zhi)正弦矩形波(bo)勵磁的電磁(cí)流量計的硬(ying)件部分主㊙️要(yào)由🚩傳感📞器、電(dian)源電路、勵磁(ci)電路、流量信(xìn)号處理電路(lù)、MCU、液晶和鍵👈盤(pan)等🐪模塊構成(cheng)。硬件總體結(jie)構圖如圖4所(suǒ)示。其中傳感(gǎn)器直接由廠(chǎng)家制作,這裏(li)不做詳細介(jie)紹。電源電路(lu)提供+24V、+12V、+5V以及3.3V。

22勵磁電路(lù)
　　勵磁系統決(jue)定着傳感器(qì)的工作磁場(chǎng),是轉換電路(lù)中非常⚽重要(yào)的部分。勵磁(cí)電路由兩部(bù)分構成，如圖(tú)👌5所示🏃。

　　其中,電(dian)路(I)是由4隻光(guang)耦和2片場效(xiao)應管RF7343(每片中(zhong)有一隻N溝🏃🏻道(dao)和🔅一隻P溝道(dao)型的場效應(ying)管)組成的橋(qiao)式開關電路(lù)。通過兩路控(kong)⁉️制信号CtrlA和Ctrl_B的(de)高低電平來(lái)控制場效應(yīng)管的通斷,從(cong)而實現了勵(li)磁線圈中電(diàn)流方向的切(qie)換。電路(I)是由(you)一片運算♋放(fang)大器OP07.-隻👈NPN型三(sān)極管🙇‍♀️S9013、一隻NPN型(xing)三極❌管TIP122和4隻(zhi)399采樣電阻組(zu)成的恒流源(yuán)。由MCU的定時器(qi)脈沖‼️寬度調(diào)制(PWM)輸出經過(guò)RC電路濾波後(hou)來控制流過(guo)勵磁線圈的(de)電流I從而産(chan)生三值正弦(xián)矩形波。
2.3信号(hào)處理及采集(jí)電路
　　電極輸(shū)出的感應電(dian)動勢信号(微(wēi)伏至毫伏級(jí)的交變信号(hào))首先經過RC電(diàn)路濾除部分(fèn)高頻幹擾信(xìn)号,然後送🤩入(rù)儀用放大器(qì)AD620進行差分放(fang)大,但是由于(yú)幹擾成份較(jiào)🔞多,且有的幹(gàn)擾👉信号幅值(zhi)遠大于信号(hao)本身,因此AD620的(de)增益不宜設(she)置得過大，10~20倍(bei)爲佳。流量信(xìn)号經🤩過AD620放大(dà)後,采用單端(duān)輸出(對地電(diàn)壓)方🔆式後通(tōng)過電容隔直(zhí),濾去了直流(liú)分量,僅保留(liu)信号的交流(liu)分量。由于測(ce)量電路器件(jian)本身🌐存在噪(zao)聲㊙️以及其他(tā)幹擾,特别是(shì)50Hz的工頻幹擾(rao)👈,有必要對信(xìn)号再次⛹🏻‍♀️濾波(bo),在此選取了(le)雙T帶阻濾波(bo),電容C取Q1μF,中心(xīn)頻率f爲50Hz則R=1/?。C)=1/(2πf0C)≈321Ω。最(zui)後把🐇正負交(jiāo)變的信号進(jin)行電壓平移(yi),即整體提升(shēng)信号💋幅值,使(shǐ)之都爲正值(zhi)後送♻️入MCU的ADC引(yǐn)腳。

2.4單片機系(xì)統
　　采用電磁(cí)流量計的MCU,與(yu)顯示模塊和(he)鍵盤模塊共(gòng)同構成✍️單片(piàn)機系統。MSP430F4793片内(nèi)含2個16位定時(shí)器,每個定時(shí)器各帶3個捕(bu)獲此較存儲(chu)器和PWN輸出功(gōng)能;3路具有可(kě)編程增益放(fàng)大(PGA)功能的高(gāo)精度16位?-△型ADC;RAM爲(wèi)25KB,FLASH存儲器多達(dá)60KB，并🈲且擁有4個(gè)通用同步♌異(yi)步通信接口(kou)。
3軟件系統
　　電(diàn)磁流量計有(yǒu)四種工作模(mo)式:标定模式(shi)、測量模式、測(ce)試模式和空(kong)管檢測模式(shì)。儀表上電後(hou),程序完成一(yī)系列初始化(huà),随後便進入(rù)測量模式開(kai)始正常工作(zuò)。配合液晶菜(cai)單顯示,用戶(hu)可以通過按(an)鍵操作來選(xuan)擇其他工作(zuò)模式,操作簡(jiǎn)便。
　　定時器1用(yong)于産生三值(zhí)正弦矩形波(bo)，流程圖如圖(tú)7所示。程序🙇🏻中(zhong)設置兩個有(you)32個元素的數(shu)組分别存放(fang)用于生成正(zhèng)弦波上升沿(yán)和下降沿的(de)占空比數據(ju),依🔆次使用這(zhe)些值來設置(zhi)定時器的TM1__OCAR寄(ji)存器,控制PWM輸(shū)出的占空比(bi),進而控制RC濾(lǜ)波電路輸出(chū)的電壓大小(xiǎo),最終得到設(shè)計的波形。

　　流(liú)量信号AD采集(ji)程序流程如(rú)圖8所示。以10個(ge)周期爲-一個(ge)測量💁過程,在(zai)每個周期的(de)高、低電平勵(li)磁段各采集(ji)40個采樣點，并(bing)在兩✉️個零值(zhí)勵磁段各采(cǎi)樣20點作爲相(xiàng)對零點,求得(de)平均值後換(huàn)算得到E正、E負(fu)、E零1和E零2共4個(ge)電勢平均值(zhí)。将E負與E零1的(de)差🚶‍♀️值作爲勵(li)磁電流正🔆向(xiàng)時對應的流(liú)量信号,E負與(yǔ)E零2的差值🛀(負(fu)值)作爲反向(xiàng)流量信号。最(zuì)後把兩個差(chà)值相減作爲(wèi)流量信号,所(suǒ)以流量信号(hào)的計算公🏃‍♀️式(shi)爲:
E=(E正-E零1)-(E負-E零(ling)2)(3)
　　其中,采樣時(shi)使用了ADC的前(qian)置可編程增(zeng)益放大器模(mo)塊,放大倍💯數(shu)爲1~32範圍内的(de)2的倍數,對輸(shū)入到ADC引腳的(de)流量信号㊙️進(jin)行動态調整(zheng)。當輸入電壓(ya)很小時,增加(jiā)PGA的放大倍數(shu);而🐇當幅值過(guò)大時，則減小(xiao)PGA的放大倍數(shu)，這樣就使測(cè)得的AD值盡量(liàng)在量程範圍(wéi)的中間區域(yù)，從而減小了(le)AD采集本身的(de)誤差,進--步提(ti)高了流量信(xìn)号的采樣精(jing)度🙇‍♀️。

4試驗結(jie)果及分析
　　試(shi)驗所用傳感(gan)器的内徑爲(wèi)50mm,采用标準計(ji)量罐進行标(biāo)定。對矩形波(bō)勵磁方式和(he)三值正弦矩(ju)形波勵磁方(fāng)式進行對比(bǐ)試驗,兩者均(jun)采用5Hz勵磁頻(pin)率,實驗數據(ju)如表1所示。從(cong)試驗結果可(kě)以看出,兩者(zhě)在一定的流(liu)速範圍(大于(yu)20m3/h)内測量精度(du)都可以達到(dào)👅士3%以内,但♈在(zài)小流速(小于(yú)2.0m3/h)測量時，矩形(xing)波勵磁方式(shi)的誤差随着(zhe)流量的減小(xiao)迅速增大,在(zai)标定流量爲(wei)0.3m3/h時達到了13%,如(rú)此大的誤差(chà)是無法接受(shou)的。與之相比(bi),三值正弦矩(jǔ)💃🏻形波的測量(liang)誤差雖然有(yǒu)所上升但控(kòng)👣制在±5%以内,明(ming)顯好于矩形(xing)波勵磁。試驗(yan)證明,新型的(de)三值正弦矩(ju)形波勵磁方(fāng)式能夠更爲(wèi)有效地消除(chú)微分幹擾和(he)同相幹擾,從(cong)而顯著地提(tí)高了電磁流(liu)量計在小流(liú)速測量階段(duan)的精度。


5結論(lùn)
　　采用新型的(de)三值正弦矩(jǔ)形勵磁方式(shì)增進了信号(hao)的穩定性,加(jiā)強了電磁流(liú)量計在工作(zuo)過程中的抗(kàng)幹擾能力,特(tè)别是提高了(le)小流速階段(duan)的測量精度(du)。MCU采用MSP430F4793提高了(le)采樣精度,簡(jiǎn)化了電路,降(jiang)低了功耗。用(yòng)戶通過鍵盤(pan)和菜單來選(xuǎn)擇工作模式(shi),完成各項參(can)數設置，界面(miàn)簡潔美觀，操(cao)作簡單方便(biàn)。系統運行穩(wěn)定,測量精度(dù)較高，具有較(jiao)好的推廣應(yīng)用價值。

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