摘要:針對(duì)現(xiàn)有勵(lì)磁方式的缺陷,提出了一種新型的三值正弦矩形波勵(lì)磁方式,采用具有16位ADC采集模塊的MSP430F4793單片機(jī)作為MCU,構(gòu)建了電磁流量計(jì)樣機(jī)。新型勵(lì)磁方式的特點(diǎn)并介紹了軟、硬件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明,新型勵(lì)磁方式有效地提高了信號(hào)的穩(wěn)定性，克服了矩形波勵(lì)磁方式帶來(lái)的微分干擾難題,也解決了正弦波勵(lì)磁中的正交干擾的影響,減小了測(cè)量誤差,對(duì)小流速階段的測(cè)量精度改善明顯。
電磁流量計(jì)是隨著電子技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的新型流量測(cè)量?jī)x表,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)電液體的流量測(cè)量。但是在測(cè)量以下液體時(shí)仍然存在困難:①低電導(dǎo)率的液體;②低流速液體;③含有顆粒的高濃度漿狀液體;④黏性液體。通過(guò)改進(jìn)勵(lì)磁方式來(lái)提高信噪比是解決這些問(wèn)題有效方法之一.
激磁技術(shù)是電磁流量計(jì)中最關(guān)鍵的技術(shù),其經(jīng)歷了直流激磁、工頻正弦激磁、低頻矩形波激磁、三值低頻矩形波激磁、雙頻矩形波激磁等5個(gè)階段(4-51。直流激磁方式由于在小流量測(cè)量時(shí)要求信號(hào)的直流穩(wěn)定度必須在幾分之一微伏之內(nèi),而使得它的應(yīng)用范圍受限;工頻正弦激磁方式由于電磁感應(yīng)造成幅值與頻率成正比,從而產(chǎn)生了相位比流量信號(hào)滯后90的正交干擾;低頻矩形波激磁、三值低頻矩形波激磁和雙頻矩形波激磁這三種激磁方式會(huì)不同程度的在電平快速切換時(shí)而引入微分干擾等難題。
本文提出了一種新型的勵(lì)磁方式一三值正弦矩形波勵(lì)磁方式，它不僅克服了微分干擾的難題,而且解決了正交干擾的影響�；诖藙�(lì)磁方式,采用具有16位A/D轉(zhuǎn)換模塊的MSP430F4793單片機(jī)作為MCU，設(shè)計(jì)了一款具有穩(wěn)定性和測(cè)量精度的電磁流量計(jì)。
1勵(lì)磁方式分析
1.1測(cè)量原理
電磁流量計(jì)的測(cè)量原理為法拉第電磁感應(yīng)定律,如圖1所示。當(dāng)流體在管道內(nèi)流過(guò)一個(gè)橫向磁場(chǎng)B的時(shí)候,相當(dāng)于有一定電導(dǎo)率的導(dǎo)體在切割磁力線,形成電動(dòng)勢(shì)E,其大小與磁場(chǎng)B、流速和管徑D成正比,如公式(1):
其中B?D為流速信號(hào),即真實(shí)測(cè)量值。dB/dt為微分千擾,它主要源于變壓器效應(yīng)其大小與流量無(wú)關(guān),即使是在流速等于零,沒(méi)有流量信號(hào)感應(yīng)[14]的情況下也會(huì)存在,是電磁流量計(jì)的主要干擾D2B/dt2為同相干擾,是微分干擾的二次微分得到的,所以只要盡量降低微分干擾，同相干擾也會(huì)降低。ec、ed和ez分別是共模干擾、串模干擾和直流極化電壓，均為電磁流量計(jì)的次要干擾源
1.2三值正弦矩形波勵(lì)磁方式
對(duì)于當(dāng)前廣泛應(yīng)用的矩形波勵(lì)磁方式來(lái)說(shuō),由于正負(fù)值勵(lì)磁狀態(tài)的瞬間跳變,造成在切換點(diǎn)的磁場(chǎng)變化率dB/dt趨于無(wú)窮大波形上表現(xiàn)為一個(gè)尖峰),形成的微分干擾極大,足以使得前級(jí)放大器達(dá)到飽和，導(dǎo)致信號(hào)穩(wěn)定性的降低,信號(hào)如圖3(a)所示。
對(duì)當(dāng)前矩形波勵(lì)磁方式改進(jìn)后提出了一種新型的三值正弦矩形波勵(lì)磁方式,波形如圖2所示，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(2)。
式中k為自然數(shù),T為一個(gè)波形周期。在零值與正、負(fù)電平的切換過(guò)程中加入了正弦波段作為過(guò)渡,使得勵(lì)磁信號(hào)變得相對(duì)平滑。選取的正弦波上升沿、平臺(tái)、正弦波下降沿和零值的時(shí)間比為1：2：1：1。
0-T/2這段正弦波_上升沿可知，波形段內(nèi)的磁場(chǎng)變化率dB/dt=(2π?)4cos(?t-π/2)/2,是連續(xù)平穩(wěn)變化的,幅值在0-π?A之間，其中?為勵(lì)磁頻率。端點(diǎn)a右側(cè)dB/dt=A?cos(-π/2)/2=0,左側(cè)磁場(chǎng)變化率為0,兩者相等。端點(diǎn)b右側(cè)dB/dt=0,左側(cè)dB/dt=A?cosπ/2)/2=0，亦相等。因此,在兩端點(diǎn)處的磁場(chǎng)變化率也是連續(xù)的,沒(méi)有發(fā)生跳變。同理推得,整個(gè)周期內(nèi)其余正弦波段的磁場(chǎng)變化率都是連續(xù)的,這樣就有效地降低了微分干擾,抑制了尖峰,提升了信號(hào)的穩(wěn)定性,使得電磁流量計(jì)在小流速測(cè)量階段也能夠達(dá)到較好的測(cè)量精度。
在正、負(fù)勵(lì)磁波段,由于磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定,微分干擾和同相干擾都很微弱,所以在這個(gè)階段對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣,能夠取得較為穩(wěn)定的幅值，從而提高了測(cè)量的精度。同時(shí),利用零值勵(lì)磁階段的電極信號(hào)來(lái)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償在正、負(fù)勵(lì)磁階段的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)中的零點(diǎn)部分,減小了零點(diǎn)漂移,增加了零點(diǎn)穩(wěn)定性。
考慮到工頻干擾，波形的周期要為工頻周期的[17]整數(shù)倍,而我國(guó)的市電工頻干擾的頻率為50Hz，所以選取頻率?為5Hz的波形,這樣在一個(gè)200ms的周期內(nèi)工頻干擾的正負(fù)面積相等,平均值等于零,工頻干擾得到了有效的克服。采用三值正弦波勵(lì)磁方式后,經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路得到的流量信號(hào)如圖3(b)。
2硬件系統(tǒng)
21硬件電路總體設(shè)計(jì)
三值正弦矩形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)的硬件部分主要由傳感器、電源電路、勵(lì)磁電路、流量信號(hào)處理電路、MCU、液晶和鍵盤(pán)等模塊構(gòu)成。硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中傳感器直接由廠家制作,這里不做詳細(xì)介紹。電源電路提供+24V、+12V、+5V以及3.3V。
22勵(lì)磁電路
勵(lì)磁系統(tǒng)決定著傳感器的工作磁場(chǎng),是轉(zhuǎn)換電路中非常重要的部分。勵(lì)磁電路由兩部分構(gòu)成，如圖5所示。
其中,電路(I)是由4只光耦和2片場(chǎng)效應(yīng)管RF7343(每片中有一只N溝道和一只P溝道型的場(chǎng)效應(yīng)管)組成的橋式開(kāi)關(guān)電路。通過(guò)兩路控制信號(hào)CtrlA和Ctrl_B的高低電平來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷,從而實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁線圈中電流方向的切換。電路(I)是由一片運(yùn)算放大器OP07.-只NPN型三極管S9013、一只NPN型三極管TIP122和4只399采樣電阻組成的恒流源。由MCU的定時(shí)器脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出經(jīng)過(guò)RC電路濾波后來(lái)控制流過(guò)勵(lì)磁線圈的電流I從而產(chǎn)生三值正弦矩形波。
2.3信號(hào)處理及采集電路
電極輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)(微伏至毫伏級(jí)的交變信號(hào))首先經(jīng)過(guò)RC電路濾除部分高頻干擾信號(hào),然后送入儀用放大器AD620進(jìn)行差分放大,但是由于干擾成份較多,且有的干擾信號(hào)幅值遠(yuǎn)大于信號(hào)本身,因此AD620的增益不宜設(shè)置得過(guò)大，10~20倍為佳。流量信號(hào)經(jīng)過(guò)AD620放大后,采用單端輸出(對(duì)地電壓)方式后通過(guò)電容隔直,濾去了直流分量,僅保留信號(hào)的交流分量。由于測(cè)量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾,特別是50Hz的工頻干擾,有必要對(duì)信號(hào)再次濾波,在此選取了雙T帶阻濾波,電容C取Q1μF,中心頻率f為50Hz則R=1/?。C)=1/(2πf0C)≈321Ω。最后把正負(fù)交變的信號(hào)進(jìn)行電壓平移,即整體提升信號(hào)幅值,使之都為正值后送入MCU的ADC引腳。
2.4單片機(jī)系統(tǒng)
采用電磁流量計(jì)的MCU,與顯示模塊和鍵盤(pán)模塊共同構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。MSP430F4793片內(nèi)含2個(gè)16位定時(shí)器,每個(gè)定時(shí)器各帶3個(gè)捕獲此較存儲(chǔ)器和PWN輸出功能;3路具有可編程增益放大(PGA)功能的高精度16位?-△型ADC;RAM為25KB,FLASH存儲(chǔ)器多達(dá)60KB，并且擁有4個(gè)通用同步異步通信接口。
3軟件系統(tǒng)
電磁流量計(jì)有四種工作模式:標(biāo)定模式、測(cè)量模式、測(cè)試模式和空管檢測(cè)模式。儀表上電后,程序完成一系列初始化,隨后便進(jìn)入測(cè)量模式開(kāi)始正常工作。配合液晶菜單顯示,用戶可以通過(guò)按鍵操作來(lái)選擇其他工作模式,操作簡(jiǎn)便。
定時(shí)器1用于產(chǎn)生三值正弦矩形波，流程圖如圖7所示。程序中設(shè)置兩個(gè)有32個(gè)元素的數(shù)組分別存放用于生成正弦波上升沿和下降沿的占空比數(shù)據(jù),依次使用這些值來(lái)設(shè)置定時(shí)器的TM1__OCAR寄存器,控制PWM輸出的占空比,進(jìn)而控制RC濾波電路輸出的電壓大小,最終得到設(shè)計(jì)的波形。
流量信號(hào)AD采集程序流程如圖8所示。以10個(gè)周期為-一個(gè)測(cè)量過(guò)程,在每個(gè)周期的高、低電平勵(lì)磁段各采集40個(gè)采樣點(diǎn)，并在兩個(gè)零值勵(lì)磁段各采樣20點(diǎn)作為相對(duì)零點(diǎn),求得平均值后換算得到E正、E負(fù)、E零1和E零2共4個(gè)電勢(shì)平均值。將E負(fù)與E零1的差值作為勵(lì)磁電流正向時(shí)對(duì)應(yīng)的流量信號(hào),E負(fù)與E零2的差值(負(fù)值)作為反向流量信號(hào)。最后把兩個(gè)差值相減作為流量信號(hào),所以流量信號(hào)的計(jì)算公式為:
E=(E正-E零1)-(E負(fù)-E零2)(3)
其中,采樣時(shí)使用了ADC的前置可編程增益放大器模塊,放大倍數(shù)為1~32范圍內(nèi)的2的倍數(shù),對(duì)輸入到ADC引腳的流量信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)輸入電壓很小時(shí),增加PGA的放大倍數(shù);而當(dāng)幅值過(guò)大時(shí)，則減小PGA的放大倍數(shù)，這樣就使測(cè)得的AD值盡量在量程范圍的中間區(qū)域，從而減小了AD采集本身的誤差,進(jìn)--步提高了流量信號(hào)的采樣精度。
4試驗(yàn)結(jié)果及分析
試驗(yàn)所用傳感器的內(nèi)徑為50mm,采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)矩形波勵(lì)磁方式和三值正弦矩形波勵(lì)磁方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),兩者均采用5Hz勵(lì)磁頻率,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,兩者在一定的流速范圍(大于20m3/h)內(nèi)測(cè)量精度都可以達(dá)到士3%以內(nèi),但在小流速(小于2.0m3/h)測(cè)量時(shí)，矩形波勵(lì)磁方式的誤差隨著流量的減小迅速增大,在標(biāo)定流量為0.3m3/h時(shí)達(dá)到了13%,如此大的誤差是無(wú)法接受的。與之相比,三值正弦矩形波的測(cè)量誤差雖然有所上升但控制在±5%以內(nèi),明顯好于矩形波勵(lì)磁。試驗(yàn)證明,新型的三值正弦矩形波勵(lì)磁方式能夠更為有效地消除微分干擾和同相干擾,從而顯著地提高了電磁流量計(jì)在小流速測(cè)量階段的精度。
5結(jié)論
采用新型的三值正弦矩形勵(lì)磁方式增進(jìn)了信號(hào)的穩(wěn)定性,加強(qiáng)了電磁流量計(jì)在工作過(guò)程中的抗干擾能力,特別是提高了小流速階段的測(cè)量精度。MCU采用MSP430F4793提高了采樣精度,簡(jiǎn)化了電路,降低了功耗。用戶通過(guò)鍵盤(pán)和菜單來(lái)選擇工作模式,完成各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，界面簡(jiǎn)潔美觀，操作簡(jiǎn)單方便。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,測(cè)量精度較高，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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