摘要:為了實(shí)現(xiàn)較高的勵(lì)磁頻率，提高響應(yīng)速度,同時(shí)減少電磁流量計(jì)的功耗，提出基于電壓電流比值的瞬態(tài)測(cè)量方法,確定電壓電流比值與流量之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)了基于DSP的硬件,采集瞬態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流和信號(hào)電壓來驗(yàn)證該處理方法，離線數(shù)據(jù)分析表明，電壓電流比值與流量有良好的線性關(guān)系。設(shè)計(jì)的DSP軟件可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)測(cè)量方法，并進(jìn)行水流量標(biāo)定和功耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流量測(cè)量精度到0.5級(jí)，與普通電磁流量計(jì)相同。功耗對(duì)比表明,基于瞬態(tài)測(cè)量原理的電磁流量計(jì)的勵(lì)磁功耗是普通電磁流量計(jì)的30%。
1引言
電磁流量計(jì)是一種基于電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由于其測(cè)量管道內(nèi)無阻擋體、耐腐蝕性強(qiáng)、可靠性高，且不受流體密度、黏度、溫度、壓力變化的影響，所以，在石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用，被用于水流量和漿液流量的測(cè)量[1,2]目前電磁流量計(jì)在水流量測(cè)量時(shí)大多采用低頻矩形波或三值波勵(lì)磁.[3-5]，勵(lì)磁電流需要保持足夠時(shí)間的穩(wěn)定段，以使傳感器輸出信號(hào)獲得較長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)段,保證其測(cè)量精度。在用于漿液測(cè)量時(shí),為了克服漿液噪聲對(duì)流量信號(hào)的影響，大多采用高頻勵(lì)磁方法。通過采用高低壓勵(lì)磁的方法使電流快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即在提高勵(lì)磁頻率的情況下保證勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài);但是，無論水流量測(cè)量時(shí)的低頻勵(lì)磁，還是漿液流量測(cè)量時(shí)的高頻勵(lì)磁，都是在勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)段拾取對(duì)應(yīng)的.傳感器信號(hào),即都是利用勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)段進(jìn)行測(cè)量，需要維持勵(lì)磁電流的穩(wěn)定,這將導(dǎo)致電磁流量計(jì)的勵(lì)磁功耗大,發(fā)熱嚴(yán)重，影響其使用壽命。為了降低功耗,文獻(xiàn)[9]對(duì)勵(lì)磁電流的瞬態(tài)過程進(jìn)行了研究,驗(yàn)證了瞬態(tài)測(cè)量的可行性。相比穩(wěn)態(tài)測(cè)量,瞬態(tài)測(cè)量時(shí)的勵(lì)磁電流不需要進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，也不需要恒流源來穩(wěn)定勵(lì)磁電流，可有效地降低勵(lì)磁功耗,并有利于實(shí)現(xiàn)較高的勵(lì)磁頻率;但是，瞬態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流和信號(hào)電壓都處于動(dòng)態(tài)上升過程，信號(hào)的幅值同時(shí)與流量和時(shí)間有關(guān),而且此時(shí)微分干擾也不能忽略，導(dǎo)致信號(hào)電壓與流量之間的關(guān)系難以確定。文獻(xiàn)[9]先求出輸出電壓兩個(gè)指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)，再利用得到的系數(shù)間接求得與流速對(duì)應(yīng)的結(jié)果,并通過對(duì)離線數(shù)據(jù)處理,驗(yàn)證了瞬態(tài)測(cè)量的可行性;但是，該方式求解過程較為復(fù)雜，不利于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。
為此,分析電磁流量計(jì)瞬態(tài)過程的信號(hào)模[10,11]型，提出電壓電流比值的處理方法，確定了電壓電流比值與流量之間的關(guān)系;定量計(jì)算并比較了穩(wěn)態(tài)測(cè)量和瞬態(tài)測(cè)量時(shí)勵(lì)磁線圈上的功耗;設(shè)計(jì)基于DSP的硬件，采集電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了離線驗(yàn)證;研制DSP軟件，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)測(cè)量方法;進(jìn)行水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
2瞬態(tài)測(cè)量原理
2.1信號(hào)模型
瞬態(tài)測(cè)量由于勵(lì)磁時(shí)間短，勵(lì)磁電流和其感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)均不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)的勵(lì)磁線圈應(yīng)作為一-個(gè)感性負(fù)載處理。因此,在勵(lì)磁電流的非穩(wěn)態(tài)上升過程中,線圈中勵(lì)磁電流為:
式中:U為勵(lì)磁電壓;R為勵(lì)磁回路電阻;α=R/L為勵(lì)磁回路時(shí)間常數(shù);L為勵(lì)磁線圈電感。管道中導(dǎo)電液體流經(jīng)勵(lì)磁電流感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí),產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。忽略共模干擾等噪聲影響，傳感器電極兩端產(chǎn)生的信號(hào)電壓為:
可見,信號(hào)電壓主要由2部分組成:一部分是導(dǎo)電液體流經(jīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的電壓分量即流量分量，其大小與流量相關(guān),系數(shù)a對(duì)應(yīng)流速;另一部分為微分干擾,其系數(shù)為b。分析可知，微分干擾是由勵(lì)磁電流變化所引起，其系數(shù)b與管道內(nèi)流速無關(guān)。微分干擾不隨流速變化，隨時(shí)間增加而逐漸變小。
2.2電壓電流比值方法
針對(duì)瞬態(tài)測(cè)量,通過對(duì)信號(hào)電壓的分析，確定了信號(hào)電壓和勵(lì)磁電流的比值與流量的線性關(guān)系，提出了基于電壓電流比值的處理方法。瞬態(tài)測(cè)量勵(lì)磁時(shí)間短,勵(lì)磁電流及其感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)均未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。在勵(lì)磁電流的上升過程中，微分干擾只隨時(shí)間變化，而流量分量受到勵(lì)磁電流的影響，其大小不僅與流速有關(guān),還隨時(shí)間變化。為了消除勵(lì)磁電流對(duì)流量分量的影響,同時(shí)減小電流波動(dòng)帶來的磁場(chǎng)波動(dòng)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響,將信號(hào)電壓比上勵(lì)磁電流，即式(2)比上式(1),得到:
式中:i=1,2.k;ti為同相位對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)式(4),干擾只隨時(shí)間變化而與流速無關(guān)，那么對(duì)于任一同相位點(diǎn)t，不同流量下的干擾均為相同的確定值。即同相位取點(diǎn)后干擾部分相同，電壓電流的比值只跟隨流量變化。若對(duì)電壓電流比值進(jìn)行多個(gè)同相位取點(diǎn)并求和，得到:
式(6)中對(duì)電壓電流比值取了5個(gè)同相位點(diǎn)�？芍瑢�(duì)電壓與電流比值進(jìn)行5個(gè)同相位取點(diǎn)后,在同一流量下，每個(gè)同相位點(diǎn)的干擾部分B(t)均是確定值，則求和之后的
也是一個(gè)確定值。又由于不同流量下同相位取點(diǎn)的干擾部分相同，則不同流量下電壓電流比值的5個(gè)同相位點(diǎn)求和后，干擾也是相同的確定值。即對(duì)電壓電流比值取5個(gè)同相位點(diǎn)求和后,干擾部分固定,比值的大小只隨流量變化。而流量為零時(shí)，電壓電流比值等于干擾部分的值，所以，可將干擾部分作為零點(diǎn)處理。
2.3功耗分析
以DN40電磁流量計(jì)為例,比較穩(wěn)態(tài)測(cè)量和瞬態(tài)測(cè)量時(shí)勵(lì)磁線圈上的功耗。對(duì)于口徑為40mm,勵(lì)磁回路電阻為56Ω,勵(lì)磁線圈電感為127mH的一次儀表，穩(wěn)態(tài)測(cè)量時(shí)采用高低壓電源切換的勵(lì)磁控制方法,穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流約為180mA,勵(lì)磁頻率可調(diào)[10),不同頻率勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁功耗基本相同。當(dāng)勵(lì)磁頻率為12.5Hz時(shí)，每半周期勵(lì)磁時(shí)間為40ms。在勵(lì)磁電流上升到穩(wěn)態(tài)值這段時(shí)間里，加載在勵(lì)磁線圈.上的勵(lì)磁電壓為80V,已知?jiǎng)?lì)磁回路時(shí)間常數(shù)為
，則此時(shí)的勵(lì)磁電流為：
勵(lì)磁電源為高壓電源時(shí),勵(lì)磁電流可以快速達(dá)到180mA,之后切換為低壓源,使勵(lì)磁電流保持在穩(wěn)態(tài)值。計(jì)算可知，此時(shí)勵(lì)磁電流達(dá)到180mA的時(shí)間約為0.3ms,則上升段對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁能耗為:
勵(lì)磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值后線圈.上勵(lì)磁電壓為17V,勵(lì)磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間約為0.3ms,半周期時(shí)間為40ms,可得勵(lì)磁電流穩(wěn)定段對(duì)應(yīng)的能耗為:
W2=17V·0.18A·(0.04s-0.0003s)=0.1215J
即每半周期的勵(lì)磁功耗為W=W1+W2=0.1237J。而12.5Hz勵(lì)磁時(shí)每秒有25個(gè)勵(lì)磁半周期，則普通電磁流量計(jì)1s內(nèi)的能耗為Wp=W·75=3.0925J。
瞬態(tài)測(cè)量時(shí),配合同樣的一-次儀表,計(jì)算了在高頻勵(lì)磁時(shí)勵(lì)磁線圈上的能耗。此時(shí),線圈上勵(lì)磁電壓約為16V,勵(lì)磁頻率為37.5Hz,每秒有75個(gè)勵(lì)磁半周期。半周期勵(lì)磁時(shí)間為8ms,此時(shí)勵(lì)磁電流尚未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，勵(lì)磁電流最大約為190mA。
由瞬態(tài)測(cè)量時(shí)線圈中勵(lì)磁電流為
對(duì)比可知,瞬態(tài)測(cè)量時(shí)勵(lì)磁線圈上1s內(nèi)的能耗約為普通電磁流量計(jì)的64%,即瞬態(tài)測(cè)量時(shí)勵(lì)磁線圈上的功耗約為普通電磁流量計(jì)的64%。而且瞬態(tài)測(cè)量時(shí)不需要恒流源，也能降低勵(lì)磁系統(tǒng)的功耗，所以,瞬態(tài)測(cè)量能有效地降低勵(lì)磁系統(tǒng)的功耗。
3方法驗(yàn)證
為了驗(yàn)證提出的處理方法,硬件系統(tǒng),采集電壓和電流數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理。硬件設(shè)計(jì)中,選用24位AD進(jìn)行采樣，以更準(zhǔn)確地測(cè)得動(dòng)態(tài)變化的信號(hào)電壓和勵(lì)磁電流,提高測(cè)量精度。同時(shí)，為了準(zhǔn)確地求得電壓電流比值，需要同步測(cè)得電壓和電流。否則，會(huì)造成電壓電流比值出現(xiàn)偏差，影響到測(cè)量結(jié)果。所以，硬件電路中使用兩片24位AD分別采集電壓和電流,并配置為同步采樣。
3.1硬件研制
硬件主要包括勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)調(diào)理采集模塊、人機(jī)接口模塊、輸出模塊、通訊模塊和存儲(chǔ)模塊。在勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊中,通過DSP芯片.上的ePWM產(chǎn)生勵(lì)磁時(shí)序控制H橋的通斷,進(jìn)而控制勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁。信號(hào)調(diào)理采集模塊中,通過兩片24位ADC同時(shí)采集經(jīng)過信號(hào)處理電路的信號(hào)電壓和勵(lì)磁電流。人機(jī)接口模塊中,利用鍵盤設(shè)置和修改相關(guān)參數(shù),通過液晶實(shí)時(shí)顯示流量相關(guān)信息。輸出模塊中,通過GPIO口控制輸出4~20mA電流。通信模塊中,通過上位機(jī)發(fā)出命令,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與參數(shù)設(shè)置。存儲(chǔ)模塊中，利用鐵電存儲(chǔ)重要參數(shù)以及上次斷電時(shí)的累計(jì)流量。與普通電磁流量計(jì)相比，由于瞬態(tài)測(cè)量時(shí)勵(lì)磁電流不需要進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因而在設(shè)計(jì)中去掉了恒流源電路。
3.2離線數(shù)據(jù)分析
利用DSP硬件系統(tǒng)，在勵(lì)磁電壓為16V,勵(lì)磁頻率為37.5Hz,勵(lì)磁時(shí)間為8ms,采樣頻率為2500Hz的情況下，進(jìn)行了流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)。分.別在0，1.5,2.5,4.5，10，15,22.5m3/h等流量下采集勵(lì)磁電流和信號(hào)電壓，并在Matlab中對(duì)采集的數(shù)據(jù)做了相應(yīng)的處理。
瞬態(tài)測(cè)量利用的是勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)上升的階段，不需要電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。勵(lì)磁電流波形如圖1所示，由于是在勵(lì)磁控制模塊的H橋路近地端加入一一個(gè)檢流電阻來測(cè)量勵(lì)磁電流,所以，這樣的采集方法就導(dǎo)致電流方向始終保持同向。，可以看到,在勵(lì)磁電
流的瞬態(tài)_上升過程中，勵(lì)磁電流還未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)就已經(jīng)停止勵(lì)磁,此時(shí)勵(lì)磁電流達(dá)到最大，約為190mA,。
由于勵(lì)磁電流沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)，與之對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓也處于非穩(wěn)態(tài)過程，主要包含流量分量和微分干擾兩部分,但是,實(shí)際采集到的傳感器信號(hào)引入了直流偏置和50Hz工頻干擾,為此，對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行梳狀帶通濾波處理以消除直流偏置和工頻干擾。各流量下信號(hào)電壓梳狀帶通濾波后的結(jié)果如圖3所示，信號(hào)電壓幅值由低到高對(duì)應(yīng)的流量依次為0~22.5m3/h。其中,圖2中信號(hào)電壓與圖1中前2個(gè)半周期的勵(lì)磁電流相對(duì)應(yīng),為正負(fù)兩個(gè)半周期�？梢钥闯�，在非穩(wěn)態(tài)上升過程中，信號(hào)電壓的幅值與管道內(nèi)流量大小仍是相關(guān)的。當(dāng)流量為零時(shí),信號(hào)電壓主要為微分干擾。
由式(4)分析可知，電壓電流的比值與流量有關(guān)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證電壓電流比值與各流量之間的關(guān)系,將經(jīng)過濾波處理的信號(hào)電壓除以對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流,再對(duì)每個(gè)半周期電壓電流比值進(jìn)行幅值解調(diào)，最后對(duì)解調(diào)后的比值取5點(diǎn)求均值作為每半周期的輸出結(jié)果。
對(duì)各半周期的輸出結(jié)果求均值,再利用最小二乘法擬合,擬合出的關(guān)系曲線如圖3所示。圖3中，電壓電流比值的輸出結(jié)果落在擬合曲線上或均勻地分布在曲線兩側(cè)�？梢姡妷弘娏鞅戎蹬c流量有良好的線性關(guān)系;而流量為零時(shí)對(duì)應(yīng)的值即為電壓與電流比值后的干擾部分，可作為零點(diǎn)處理。
4實(shí)時(shí)測(cè)量
為了進(jìn)一步驗(yàn)證其精度,用C語言實(shí)現(xiàn)上述處理方法,研制DSP軟件。在基于DSP的瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng).上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)該測(cè)量方法，進(jìn)行水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn).和功耗測(cè)試。
4.1軟件編程
軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案,主要功能模塊有:初始化模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)接口模塊等,程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，然后配置兩片ADC同步采樣,開啟勵(lì)磁中斷，勵(lì)磁開始工作。半周期采樣結(jié)束后判斷采集到的信號(hào)電壓是否超限,之后調(diào)用算法模塊,刷新液晶顯示。在算法模塊中,先是對(duì)采集到的信號(hào)電壓進(jìn)行梳狀帶通濾波處理，再將濾波后的電壓除以對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電流,然后對(duì)電壓電流比值進(jìn)行半周期幅值解調(diào),對(duì)解調(diào)后的比值取5點(diǎn)求均值作為輸出結(jié)果參與到流速的計(jì)算。
4.2水流量標(biāo)定
將電磁流量變送器與國(guó)內(nèi)某大型企業(yè)研制的40mm口徑的夾持式傳感器相配合，在實(shí)驗(yàn)室的水流量標(biāo)定裝置.上，采取容積法進(jìn)行標(biāo)定,即將電磁流量計(jì)測(cè)得的流量結(jié)果與量筒內(nèi)體積比較，驗(yàn)證電磁流量計(jì)的精度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示
如表1中數(shù)據(jù)所示，共檢定了5個(gè)流量點(diǎn),其中,最大流速為5m/s,最小流速為0.3m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在勵(lì)磁頻率為37.5Hz,勵(lì)磁時(shí)間為8ms的瞬態(tài)測(cè)量中,流量計(jì)測(cè)量精度達(dá)到0.5級(jí)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，利用勵(lì)磁電流的瞬態(tài)過程進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)，采用電壓電流比值的處理方法能達(dá)到普通電磁流量計(jì)的精度要求。
4.3功耗測(cè)試
功耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)DN40一次儀表的線圈電阻為56Ω,電感為127mH,將其分別與勵(lì)磁頻率為12.5Hz.的普通電磁流量變送器和37.5Hz、8ms.勵(lì)磁的瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)相配合進(jìn)行了勵(lì)磁系統(tǒng)的功耗測(cè)試。其中,通過測(cè)量勵(lì)磁電源的輸入電壓和輸入電流來計(jì)算勵(lì)磁電源的輸入功率。
普通電磁流量變送器的勵(lì)磁系統(tǒng)采用了高低壓電源切換的控制方式,其中,勵(lì)磁電源的高壓為80V,輸入電流為12mA,低壓為24V,輸入電流為176.8mA,即勵(lì)磁電源的輸入功率為5.20W。文中瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的勵(lì)磁電源輸入電壓為24V,勵(lì)磁頻率為37.5Hz時(shí)輸入電流為65.4mA,即勵(lì)磁電源的輸入功率為1.57W.結(jié)果表明，瞬態(tài)測(cè)量的勵(lì)磁功耗約為普通電磁流量計(jì)的30%。
5結(jié)束語
針對(duì)電磁流量計(jì)瞬態(tài)測(cè)量中由于信號(hào)電壓同時(shí)受到流量和時(shí)間影響而導(dǎo)致電壓與流量關(guān)系不明確的問題，通過分析瞬態(tài)過程中動(dòng)態(tài)變化的勵(lì)磁電流和信號(hào)電壓，提出了電壓電流比值的瞬態(tài)測(cè)量方法，確定了電壓電流比值與流量之間的關(guān)系�；贒SP的硬件系統(tǒng)，采集瞬態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流和信號(hào)電壓,利用文中方法在Matlab中對(duì)采集的數(shù)據(jù)做了相應(yīng)處理。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)的處理結(jié)果與流量有良好的線性關(guān)系。編寫了DSP軟件,在基于DSP的系統(tǒng)上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)測(cè)量方法，進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的測(cè)量精度能達(dá)到0.5%，與普通電磁流量計(jì)相同。測(cè)試了普通電磁流.量計(jì)和瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的勵(lì)磁系統(tǒng)的功耗,結(jié)果表明，瞬態(tài)測(cè)量時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的功耗約為普通電磁流量計(jì)的30%，瞬態(tài)測(cè)量方法在實(shí)現(xiàn)高頻勵(lì)磁的同時(shí)能夠極大地減小功耗。
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