摘要:爲了實(shí)現較高的勵磁頻(pin)率，提高響應速度(du),同⛹🏻‍♀️時減少電磁流(liu)量計 的功耗，提出(chu)基于電壓電流比(bi)值的瞬态測量方(fāng)法♉,确定🎯電壓電流(liu)比值與流量之間(jiān)的關系。設計了基(jī)于DSP的👣硬件,采集瞬(shùn)态時的勵磁電流(liú)和信号電壓來驗(yan)證該處理方法，離(li)線數據分析表明(ming)，電壓電流比值與(yu)流量有良好的線(xiàn)性關系。設計的DSP軟(ruǎn)件可實時♌實現瞬(shùn)态測量方法，并進(jin)行水流量标🌈定和(he)功耗測⚽試實驗。實(shí)驗結果表明，流量(liang)測量精度到0.5級，與(yu)普通電磁流量計(jì)相同。功耗對比表(biǎo)明,基于瞬态測量(liàng)原理的電磁流量(liang)計的✏️勵磁功耗是(shì)普通電磁流量計(jì)的30%。
1引言
　　電磁流量(liang)計是一種基于電(dian)磁感應定律測量(liàng)導電液體✏️體積流(liu)量的儀表。由于其(qí)測量管道内無阻(zǔ)擋體、耐腐蝕性強(qiáng)、可靠性高，且不受(shou)流體密度、黏度、溫(wēn)度、壓力變化的影(ying)響，所㊙️以，在石油、化(huà)工、冶金、造紙等行(hang)業得到🚶較爲廣泛(fan)的應用，被用于水(shui)流量和漿液流量(liang)的測量[1,2]目前電磁(cí)流🔴量計在水流量(liang)測量時大多采用(yòng)低頻矩形波或三(san)值波勵磁.[3-5]，勵磁電(diàn)流需要保持足夠(gòu)時間的穩定段，以(yi)使傳感器輸出信(xìn)号獲得較長時間(jian)的平穩段,保證其(qi)測量精度。在用于(yú)漿液測量時,爲了(le)克服漿液噪聲對(dui)流量信号的影響(xiang)❓，大多采用高頻勵(li)磁方法。通過采用(yòng)高低壓勵磁的💯方(fang)法使電流快速進(jin)入穩🏒态，即在提高(gāo)勵磁頻率的情況(kuàng)🐪下保證勵磁電流(liu)進🌈入穩态;但是，無(wu)論水流量🐉測量時(shi)的低頻勵磁，還是(shi)漿液流㊙️量測量時(shí)的高頻勵磁，都是(shi)在勵磁電🙇🏻流的穩(wěn)态段拾取對應的(de).傳💜感♉器信号,即都(dōu)是利用💃🏻勵磁電流(liu)🐇的穩态段進行測(cè)量，需要維持勵磁(cí)電流的穩定,這将(jiang)導緻電磁流量計(ji)的勵磁功耗大,發(fā)熱嚴重，影響🛀其使(shǐ)用壽命。爲了降低(dī)功耗,文獻[9]對勵磁(ci)電流的瞬态過程(chéng)💃進行了研究,驗證(zheng)了瞬态測量的可(ke)行性。相比穩态測(ce)🔴量,瞬态💛測量時的(de)勵磁電流不⚽需要(yào)進入穩态，也不需(xū)要恒流源來穩定(ding)勵磁電流，可有效(xiào)地🔞降低勵磁功耗(hao),并有⭐利于實現較(jiao)高的勵磁頻率;但(dàn)是，瞬态時的勵磁(cí)電流和✏️信号電壓(yā)都處于動态上升(shēng)過程，信号的幅值(zhi)✂️同時與流量和時(shí)間有關,而且此時(shí)微分幹擾也不能(neng)忽略，導緻信号電(dian)壓與流量之間的(de)關系難以确定。文(wén)獻[9]先求出輸出⚽電(dian)壓兩個指數項的(de)系數，再利♋用得到(dao)的系數間接求得(dé)與流速對應的結(jie)果,并通過對離線(xiàn)數據處理,驗證了(le)瞬态測量♻️的可行(háng)性;但✌️是，該方式求(qiu)解過程👈較爲複雜(zá)，不利🏃‍♂️于實時實現(xian)。
　　爲此,分析電磁流(liú)量計瞬态過程的(de)信号模[10,11]型，提出電(dian)壓電🎯流比值的處(chu)理方法，确定了電(diàn)壓電流比值㊙️與流(liu)量之間的🙇🏻關系;定(dìng)量計算并比較了(le)穩态測量和瞬态(tai)測量時勵磁線圈(quan)上的功耗;設計基(jī)于DSP的硬件，采集電(dian)壓電流數據進行(háng)了離線驗證;研制(zhì)DSP軟件✊，實時實現瞬(shùn)态測量方法;進行(hang)水流量🔞标定實驗(yàn)驗證。
2瞬态測量原(yuán)理
2.1信号模型
　　瞬态(tài)測量由于勵磁時(shi)間短，勵磁電流和(he)其感應産生😄的🤟磁(ci)場均不能達到穩(wen)态，此時的勵磁線(xiàn)圈應作✂️爲一-個感(gan)性負載處理。因此(ci),在勵磁電流的非(fei)穩态上升過程中(zhong),線圈中勵磁電流(liú)爲:

　　式中:U爲勵磁電(diàn)壓;R爲勵磁回路電(dian)阻;α=R/L爲勵磁回路時(shí)🤩間常數🐉;L爲勵磁線(xiàn)圈電感。管道中導(dao)電液體流經勵磁(ci)電流感應産🔞生的(de)☁️磁場時,産生感應(ying)電動勢。忽略共模(mó)幹擾等噪聲影響(xiang)，傳感器電極兩端(duān)産生的信🙇‍♀️号電壓(yā)爲:

　　可見,信号電壓(yā)主要由2部分組成(cheng):一部分是導電液(yè)體流經磁場産生(sheng)的電壓分量即流(liú)量分量，其大小與(yǔ)流量相關,系數a對(dui)應流速;另一部分(fen)爲微分幹擾,其系(xì)數✌️爲b。分析可知，微(wēi)😘分幹擾是由勵磁(ci)電流變化所引起(qǐ)，其系數b與管道内(nei)流速無關。微分幹(gan)擾不随流速變化(huà)，随時間增加而逐(zhú)漸變小。
2.2電壓電流(liú)比值方法
　　針對瞬(shùn)态測量,通過對信(xin)号電壓的分析，确(que)定了信号電🏃🏻壓和(he)勵磁電流的比值(zhi)與流量的線性關(guān)系，提出了基于電(diàn)壓電流比值的處(chù)理方法。瞬态測量(liang)勵磁時間短,勵磁(ci)電流及其感應産(chan)生的磁場均未進(jìn)入穩态。在勵磁電(diàn)流🤩的上升過程中(zhōng)，微分幹擾隻随👣時(shí)間變化，而流量分(fèn)量受到勵磁電流(liú)的影響，其大小不(bú)僅與流速有關,還(hai)随時間變化。爲了(le)消除勵磁電流對(dui)流量分量的影響(xiang),同時減小電流波(bo)動帶來🔞的磁場波(bo)動對信号産生的(de)影響,将信💛号電壓(yā)比上勵磁電流，即(jí)式(2)比上式(1),得到:

　　式(shì)中:i=1,2.k;ti爲同相位對應(ying)的時間點。根據式(shì)(4),幹擾隻随時間變(biàn)🧡化而與流速無關(guān)，那麽對于任一同(tóng)相位點t，不同流量(liàng)下的幹擾均✨爲相(xiang)同的确定值。即同(tóng)相位取點後幹擾(rǎo)部分相同，電壓電(diàn)流的比值隻跟随(sui)流量變化。若對電(dian)壓電流比值進行(háng)多個同相位取點(diǎn)并💃求和，得到:

　　式(6)中(zhōng)對電壓電流比值(zhi)取了5個同相位點(dian)。可知，對電壓與電(dian)流比值進行5個同(tóng)相位取點後,在同(tóng)一流量⛹🏻‍♀️下，每個同(tong)相位點的幹擾部(bù)分B(t)均是确定值，則(zé)求和之後的也是(shì)一個确定值。又由(yóu)于不同流量下同(tong)相位取點的幹🔆擾(rǎo)部分相同，則不同(tong)流量下電壓電流(liu)比值的🐅5個同相位(wei)點求和後，幹擾也(ye)是相同的确定值(zhí)。即對電壓電流比(bǐ)值取5個同相位點(dian)求和後,幹擾部分(fen)固🐕定,比值的大小(xiǎo)隻随流量變化。而(ér)流量爲零時，電壓(ya)電流比值等于幹(gàn)擾部分的值，所以(yǐ)，可👄将幹擾部分作(zuò)爲零點處理。
2.3功耗(hao)分析
　　以 DN40 電磁流量(liàng)計 爲例,比較穩态(tài)測量和瞬态測量(liàng)時勵磁線圈上的(de)功♌耗。對于口徑爲(wei)40mm,勵磁回路電阻爲(wei)56Ω,勵磁線圈電感爲(wei)127mH的一次儀表，穩态(tài)測量時采用高低(dī)壓電源切換的勵(li)磁控制方法,穩态(tài)勵磁電流約爲180mA,勵(li)磁頻率可調[10),不同(tóng)頻⭐率勵磁時，勵磁(ci)功耗基本相同。當(dāng)勵磁頻率爲12.5Hz時，每(mei)半周期勵磁時🐅間(jiān)爲40ms。在勵磁🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電流上(shang)升到穩态值這段(duan)時間裏，加載在勵(li)磁線圈.上的勵🛀磁(ci)電壓爲80V,已知勵磁(cí)回路時間常數爲(wei)，則此時的勵磁電(dian)流爲：
　　勵磁電源爲(wèi)高壓電源時,勵磁(ci)電流可以快速達(dá)到🚶‍♀️180mA,之後切換爲低(di)壓源,使勵磁電流(liu)保持在穩态值。計(ji)算可知，此時勵磁(ci)電流達到180mA的時間(jian)約爲0.3ms,則上升段對(dui)應的勵磁能耗爲(wei):

　　勵磁電流達到穩(wen)态值後線圈.上勵(li)磁電壓爲17V,勵磁電(diàn)🏃流😘達到穩态值的(de)時間約爲0.3ms,半周期(qi)時間爲40ms,可得勵磁(ci)電流穩定段對應(ying)的能耗爲:
W2=17V·0.18A·(0.04s-0.0003s)=0.1215J
　　即每半(bàn)周期的勵磁功耗(hao)爲W=W1+W2=0.1237J。而12.5Hz勵磁時每秒(miǎo)有25個勵磁🧡半🏒周期(qi)，則普通電磁流量(liang)計1s内的能耗爲Wp=W·75=3.0925J。
　　瞬(shun)态測量時,配合同(tong)樣的一-次儀表,計(jì)算了在高頻勵磁(ci)時勵磁線圈上的(de)能耗。此時,線圈上(shang)勵磁電壓約爲16V,勵(li)磁💞頻率爲37.5Hz,每秒有(you)75個勵磁半周期。半(ban)周期勵磁時間爲(wei)8ms,此時勵磁電流尚(shang)未進入穩态，勵磁(ci)電流最大約爲190mA。
由(you)瞬态測量時線圈(quān)中勵磁電流爲

　　對(dui)比可知,瞬态測量(liàng)時勵磁線圈上1s内(nei)的能耗約爲普✏️通(tōng)電磁流量計的64%,即(ji)瞬态測量時勵磁(ci)線圈上的功耗約(yue)爲普通電磁流量(liang)🥵計的64%。而且瞬态測(cè)量時不需要恒流(liu)源，也能降低勵磁(ci)系統的功耗，所以(yi),瞬态測量能有效(xiao)地降低勵磁系統(tong)的功耗。
3方法驗證(zheng)
　　爲了驗證提出的(de)處理方法,硬件系(xi)統,采集電壓和電(dian)流數據🔅,并🌈對數據(jù)進行離線處理。硬(ying)件設計中,選用24位(wei)AD進行⛱️采樣🚶，以更準(zhun)确地測得動态變(biàn)化的信号💋電壓和(hé)勵磁電流,提高🔱測(cè)量精度。同時，爲了(le)準确地求得電壓(yā)電流比值⭐，需要同(tóng)步❗測得電壓😘和電(diàn)流。否則，會造成電(dian)壓電流比值出現(xiàn)偏差，影響到測量(liang)結果。所以，硬件電(diàn)路中使用兩片24位(wèi)AD分别采集電壓和(hé)電流,并配置爲同(tóng)步采樣。
3.1硬件研制(zhì)
　　硬件主要包括勵(lì)磁驅動模塊、信号(hào)調理采集模塊、人(ren)機接🙇🏻口模塊、輸出(chu)模塊、通訊模塊和(hé)存儲模塊。在勵磁(ci)驅動模塊中,通過(guò)DSP芯片.上的ePWM産生勵(lì)磁時序控🎯制H橋的(de)通斷,進而控制勵(li)磁線圈的勵磁。信(xin)号調理采集模塊(kuai)中,通過兩片24位ADC同(tong)時采集經過信号(hao)處理電路的信号(hao)電壓和勵磁👈電流(liu)。人機接口模塊中(zhōng),利用鍵盤設置和(he)修改相關參數,通(tōng)過液晶實時顯示(shi)流量相關信息。輸(shū)出模塊🌈中,通過GPIO口(kǒu)控制輸出4~20mA電流。通(tōng)信模塊中,通過上(shang)🔞位機發出命令,實(shi)現數據上傳與參(can)數設置。存儲模塊(kuai)中，利用🐪鐵電存儲(chǔ)重要👌參數以及上(shàng)次斷電時的累計(jì)流量。與普通電磁(cí)流量計相比，由于(yú)瞬🆚态測量時勵磁(ci)電流不需要進入(rù)穩态，因而在設計(jì)中去掉了恒流源(yuán)🔞電路。
3.2離線數據分(fèn)析
　　利用DSP硬件系統(tong)，在勵磁電壓爲16V,勵(li)磁頻率爲37.5Hz,勵磁時(shí)間爲8ms,采樣頻率爲(wèi)2500Hz的情況下，進行了(le)流量測量實驗🔴。分(fèn).别在0，1.5,2.5,4.5，10，15,22.5m3/h等流量下采(cai)集勵磁電流和信(xin)号電壓，并在Matlab中對(dui)采集的數據做了(le)相應的處理。
　　瞬态(tài)測量利用的是勵(li)磁電流動态上升(sheng)的階段，不😘需要電(diàn)流進入穩态。勵磁(cí)電流波形如圖1所(suǒ)示，由于是在勵磁(ci)控制模塊的H橋🧡路(lù)近地端加入一一(yi)個檢流電阻來測(cè)量勵磁電流,所以(yi)，這樣的采集方法(fǎ)就導緻電流方向(xiang)始終保持同向㊙️。，可(ke)以看到🏃‍♀️,在勵磁電(dian)
流的瞬态_上升過(guò)程中，勵磁電流還(hai)未進入穩态時系(xi)統就已經停止勵(li)磁,此時勵磁電流(liu)達到最大，約爲190mA,。

　　由于(yú)勵磁電流沒有達(da)到穩态，與之對應(ying)的信号電🌈壓也👄處(chu)于💘非☔穩态過程，主(zhu)要包含流量分量(liang)和微分✊幹擾兩部(bu)分,但是,實😄際采集(ji)到的傳感器信号(hào)引入✨了直流偏置(zhì)和50Hz工頻幹擾,爲此(ci)，對信号🔞電壓進行(háng)梳狀帶通濾波處(chù)理以消除直流偏(piān)置和工頻幹擾。各(ge)流量下信号電壓(yā)梳狀帶通濾波後(hòu)的👉結果如圖3所示(shì)，信号電壓幅值由(you)低到高對應的流(liu)量依次爲0~22.5m3/h。其中,圖(tú)2中信号電壓與圖(tú)1中🎯前2個半周💃期的(de)勵磁電流相對應(ying),爲正負兩個半周(zhōu)期。可以看出，在✂️非(fēi)穩态上升過程中(zhong)，信号電壓的幅值(zhi)與管道内流量大(dà)小仍是相關的。當(dang)流量爲零時,信号(hào)電壓主要爲微分(fen)幹擾。

　　由式(4)分析可(ke)知，電壓電流的比(bǐ)值與流量有關。爲(wèi)了進一步驗證電(dian)壓電流比值與各(gè)流量之間的關系(xì),将經過濾波處理(li)的信号電壓除以(yi)對應的勵磁電流(liu),再對🧑🏾‍🤝‍🧑🏼每個半周期(qī)電壓電流比值進(jin)行幅值解調🈲，最後(hòu)對解調後的比值(zhí)取5點求均值作爲(wèi)每半周期的輸出(chū)結果。
　　對各半周期(qī)的輸出結果求均(jun1)值,再利用最小二(èr)乘👅法拟合,拟合出(chu)的關系曲線如圖(tu)3所示。圖3中，電壓電(diàn)流比值的輸出🙇‍♀️結(jie)果落在🈲拟合曲線(xian)上或均勻地分布(bù)在曲線兩側。可見(jiàn)，電壓電流比值與(yǔ)流量有良好☀️的線(xian)性關㊙️系;而流量爲(wei)零時對應的值即(jí)✌️爲電壓與電流比(bǐ)值後的幹擾部分(fèn)，可作爲零點處理(li)。

4實時測量(liàng)
　　爲了進一步驗證(zheng)其精度,用C語言實(shi)現上述處理方法(fǎ),研制🈲DSP軟件。在基于(yú)DSP的瞬态測量系統(tong).上實時實現該測(cè)量方法，進行水流(liu)量标定實驗.和功(gong)耗測試。
4.1軟件編程(cheng)
　　軟件設計采用模(mó)塊化設計方案,主(zhǔ)要功能模塊有:初(chū)始化模塊、驅動模(mó)塊、數據處理模塊(kuai)、人機接口模塊等(děng),程序流程圖如圖(tú)4所示。系統上電後(hòu)先進行初始化，然(rán)後配置兩片ADC同步(bù)采樣,開啓勵磁中(zhong)斷，勵磁🚶‍♀️開始工作(zuo)。半周期采樣結束(shu)後判斷采集到的(de)信号電壓是否超(chao)限,之後調用算法(fǎ)模塊,刷🈚新液晶顯(xian)示。在算法模塊中(zhōng),先是對采集到的(de)信号電壓進行梳(shū)🔞狀帶通濾🧑🏾‍🤝‍🧑🏼波處理(li)♉，再将濾波後的電(dian)壓除以對應勵磁(ci)電流,然後對電壓(ya)電流比值進行半(ban)👄周期幅值解調,對(duì)解調後的比值取(qu)5點求均值作爲輸(shū)出結💞果參🔞與到流(liu)速的計算。
4.2水流量(liàng)标定
　　将電磁流量(liang)變送器與國内某(mou)大型企業研制的(de)40mm口徑的夾持♻️式傳(chuán)感器相配合，在實(shí)驗室的水流量标(biao)定裝置.上，采取容(rong)積法進行标定,即(ji)将電磁流量計測(cè)得的流量結果與(yǔ)量⛷️筒内體積比較(jiào)，驗證電磁流量計(ji)的精🔞度。實驗數據(jù)如表1所❄️示

　　如表1中(zhōng)數據所示，共檢定(ding)了5個流量點,其中(zhong),最大流速爲🏃🏻5m/s,最小(xiǎo)流速爲0.3m/s。實驗結果(guo)表明,在勵磁頻率(lü)爲37.5Hz,勵磁時間爲🏃‍♀️8ms的(de)瞬态測量中,流量(liang)計測量精度達到(dao)0.5級。實驗驗證表明(míng)🐅，利用勵磁電流的(de)瞬态過程進行測(cè)量的系統，采用電(diàn)壓電流比值的處(chu)理方法能達到㊙️普(pu)通電磁流量計的(de)精度要求。
4.3功耗測(cè)試
　　功耗測試實驗(yàn)DN40一次儀表的線圈(quān)電阻爲56Ω,電感爲127mH,将(jiāng)其分别與勵磁頻(pin)率爲12.5Hz.的普通電磁(cí)流量變送器和37.5Hz、8ms.勵(lì)磁的瞬态測量系(xì)統相⛷️配合進行了(le)勵磁系統的㊙️功耗(hào)測試。其中,通過測(cè)量勵磁電源的輸(shū)入電壓和👄輸入電(diàn)流來計算勵磁電(dian)源的輸入功率。
　　普(pu)通電磁流量變送(sòng)器的勵磁系統采(cǎi)用了高低壓電源(yuán)切換💔的控制方式(shì),其中,勵磁電源的(de)高壓爲80V,輸入電🔅流(liu)爲12mA,低壓爲24V,輸入電(dian)流爲176.8mA,即勵磁電源(yuán)的輸入功率爲5.20W。文(wen)中瞬态測量🔴系統(tǒng)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼勵磁電源輸入(rù)電壓爲24V,勵磁頻率(lǜ)爲37.5Hz時輸入電流爲(wei)65.4mA,即勵磁電源的輸(shu)入❤️功率爲1.57W.結果表(biao)明，瞬态測量的勵(lì)磁功耗約爲普通(tong)電磁流量計的30%。

5結(jié)束語
　　針對電磁流(liu)量計瞬态測量中(zhong)由于信号電壓同(tong)時受到流量和時(shí)間影響而導緻電(diàn)壓與流量關系不(bu)明确✔️的問題，通過(guò)分析瞬态過程中(zhōng)動态變化的勵磁(cí)電流和信号⛹🏻‍♀️電壓(yā)，提❌出了電壓電流(liú)比值的瞬态測量(liang)方法，确定了電壓(yā)電流比值與流量(liang)之間的關系。基于(yu)DSP的硬件系統，采集(jí)瞬态時的勵磁電(diàn)流和信号電壓,利(lì)用文中方法在Matlab中(zhong)對⭐采集的數據做(zuo)🐕了相應處理。結果(guǒ)表明，數據的處理(li)結果🔞與流量有良(liang)好的👅線性關系。編(biān)寫了🌏DSP軟件,在基于(yu)DSP的系統上實時實(shi)現了瞬态測量方(fang)法，進行了水流量(liang)标定實驗。實驗結(jie)果表明，系統的🥰測(ce)量精度能達到0.5%，與(yǔ)普☁️通電磁流量計(ji)相同。測🤩試了普通(tong)電磁✊流.量計和瞬(shùn)态測量系統的勵(lì)磁系統的功耗,結(jié)果表明，瞬态測量(liang)時勵磁系統的功(gong)耗約爲普通電磁(cí)流量計的⛱️30%，瞬态測(ce)量方法在實現高(gao)頻勵磁的同時能(néng)夠極大地減小功(gōng)耗。

以上内容源于(yú)網絡，如有侵權聯(lian)系即删除!