摘要:針(zhēn)對傳統(tǒng)電磁流(liú)量計 在(zài)測量漿(jiāng)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(yú)DSP的高頻(pín)勵磁電(dian)磁流量(liàng)計。該🌈電(dian)磁流量(liang)計采用(yòng)高低壓(ya)切換勵(lì)磁方式(shì)，通過引(yin)入電㊙️流(liú)旁路來(lái)改進變(biàn)送器👅的(de)勵磁電(diàn)路，提高(gao)勵磁頻(pín)率。利用(yong)具有高(gao)輸入阻(zǔ)抗的差(cha)分放大(dà)電路放(fàng)⭕大傳感(gǎn)器輸出(chu)信号，提(ti)高信号(hào)的信噪(zào)⭕比，保證(zhèng)提取✔️信(xìn)号的精(jing)度。實際(ji)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(liang)準确度(dù)明顯改(gai)善，測量(liàng)誤差不(bú)超過5%。
0引(yin)言
　　流量(liang)檢測在(zài)工業生(sheng)産、廢液(yè)監測以(yi)及管道(dào)運輸等(děng)🍓領域有(you)着廣泛(fan)的應用(yòng)，根據測(ce)量原理(lǐ)不同，流(liú)量計可(ke)以大緻(zhì)分爲力(lì)學、電學(xué)、聲學、熱(re)學、光學(xué)等類型(xing)，其中電(diàn)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(yu)其他流(liú)量計相(xiang)比，具有(you)結構簡(jiǎn)單、測量(liàng)精度📐高(gāo)、穩定性(xing)好等特(tè)點。但電(dian)磁流量(liàng)計在測(cè)量低流(liú)速、低導(dao)電率液(yè)體🔱時存(cun)在精度(dù)不高等(děng)缺點，爲(wèi)了克服(fu)這個缺(quē)點，研制(zhi)了一種(zhong)基于DSP的(de)高頻勵(lì)磁電磁(cí)流量計(jì)，在勵磁(cí)方式上(shang)選用旁(páng)路勵磁(ci)電路與(yǔ)💚恒流控(kòng)制電路(lù)相結合(hé)的方式(shì)，提高了(le)勵磁頻(pín)率以及(ji)能量的(de)利用效(xiao)率。選用(yong)高性能(néng)DSPTMS320F28335來采集(jí)處理傳(chuán)感器輸(shu)出的信(xìn)号，顯著(zhe)提💃🏻高了(le)系統測(ce)量時的(de)響應速(sù)度，将流(liu)量計算(suàn)結果通(tōng)過LCD屏的(de)方式實(shi)時📧顯☂️示(shi)，系統具(ju)有體積(jī)小、便攜(xié)式以及(jí)測量精(jing)度高等(deng)優點［3］。
1高(gao)頻勵磁(ci)電磁流(liú)量計測(ce)量原理(lǐ)
　　電磁流(liú)量計根(gen)據電磁(ci)感應定(dìng)律的原(yuan)理來測(ce)量導電(dian)液體的(de)流量，測(cè)量導電(diàn)液體的(de)傳感器(qi)中繞有(you)線圈，通(tong)🏃🏻‍♂️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(xian)，此時在(zài)線圈的(de)兩端會(huì)産生感(gǎn)應電動(dòng)勢e，根據(ju)電磁學(xue)中右手(shǒu)法則可(kě)得:

　　式中(zhong):B爲傳感(gan)器線圈(quan)産生的(de)磁場強(qiáng)度;L爲傳(chuán)感器線(xian)🔴圈💔的長(zhang)🎯度;v爲液(yè)體在傳(chuan)感器中(zhōng)流動的(de)速度。
由(yóu)流量計(jì)算公式(shì)可得:

式(shì)中S爲傳(chuán)感器管(guan)道的截(jie)面積。
　　由(yóu)式(1)可知(zhi)，當B和L已(yǐ)知時，隻(zhi)要測得(de)e就可以(yǐ)反推出(chū)v;由式🔞(2)可(ke)知，當測(cè)得v時就(jiu)能計算(suàn)出Q。
2高頻(pin)勵磁電(diàn)磁流量(liang)計硬件(jiàn)設計
　　高(gāo)頻勵磁(cí)電磁流(liu)量計由(yóu)傳感器(qi)、高頻勵(li)磁電路(lu)、信号處(chù)理電路(lù)等組成(cheng)［5］，其中高(gao)頻勵磁(ci)電路決(jue)定着傳(chuán)感器磁(ci)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(xi)統檢測(cè)的準确(que)性以及(ji)穩定性(xìng)。DSP系統控(kong)制勵磁(ci)電路激(ji)勵傳感(gǎn)器線圈(quān)，當🔞線圈(quan)中有♈導(dao)電液體(ti)❌流過時(shí)，其切割(ge)磁感線(xian)并在傳(chuán)感器兩(liang)☀️端的線(xiàn)圈上産(chan)生感應(ying)電動勢(shì)，利用信(xìn)号檢測(cè)電路監(jian)測感🧡應(yīng)電動勢(shi)的大小(xiǎo)，最後根(gen)據相應(yīng)關系計(jì)算出液(ye)體的流(liú)量，系統(tǒng)硬件框(kuang)圖如圖(tu)1所示。

2．1高(gao)頻勵磁(ci)電路設(she)計
　　高頻(pin)勵磁電(diàn)路主要(yao)由高低(dī)壓切換(huan)恒流控(kong)制電路(lù)和H橋勵(lì)磁開關(guān)電路組(zǔ)成［6－7］。其中(zhong)高低壓(ya)切換恒(héng)流控制(zhì)電路确(que)保高壓(ya)或低壓(yā)情況下(xià)，都可以(yǐ)通過H橋(qiáo)向勵磁(ci)線圈提(ti)供恒定(dìng)的⁉️電流(liú)。電路原(yuán)理圖如(ru)圖2所示(shì)。

　　如圖2所(suǒ)示，在對(dui)傳感器(qi)線圈進(jin)行勵磁(cí)時，通過(guò)比較器(qi)控制切(qiē)換開關(guan)切換高(gāo)低壓進(jìn)行勵磁(ci)［8］。Vref作爲比(bǐ)較器的(de)基準輸(shū)入🔴端，其(qi)表示勵(li)磁電流(liu)的電壓(yā)穩态值(zhi);而Cur則表(biǎo)示H橋勵(li)磁電路(lu)中檢測(cè)到的電(dian)壓信号(hao)。一開🛀始(shǐ)當系統(tǒng)處于低(dī)壓勵磁(ci)狀态👉時(shi)，系統會(huì)自動斷(duàn)開切換(huàn)電路中(zhong)的電流(liú)旁路，此(ci)時系統(tong)通🏃🏻過利(lì)用H橋向(xiàng)勵磁線(xiàn)圈提供(gòng)恒定電(diàn)流。當勵(lì)磁方向(xiàng)變化時(shi)📧，電流檢(jian)測電路(lù)就會檢(jiǎn)測到電(diàn)流變爲(wèi)負方向(xiang)，比較器(qi)的Cur端與(yǔ)Vref端的平(ping)衡就會(hui)發生變(bian)化，此時(shi)系統通(tong)過比較(jiào)🍉器自動(dong)切😘換爲(wei)高壓勵(lì)磁狀态(tài)。與低壓(ya)勵磁方(fang)式相反(fǎn)，在此種(zhong)狀态下(xià)，恒流控(kong)制電路(lu)關閉而(er)💰電流旁(pang)路♌打開(kāi)，線圈中(zhōng)的能量(liang)就會存(cún)儲在能(neng)量回饋(kui)電路中(zhōng)，此時🏃🏻C1端(duan)的電壓(ya)會超過(guo)高壓源(yuán)。等勵磁(cí)線圈中(zhong)的能量(liang)釋放完(wan)🛀後，電流(liu)逐漸降(jiàng)爲零，此(ci)時能量(liang)回饋電(diàn)路就會(hui)利用電(dian)流旁路(lu)✉️和H橋将(jiāng)能量反(fǎn)饋給勵(li)磁線圈(quān)⛱️。當電容(rong)C1端的電(diàn)壓下🛀🏻降(jiàng)到小于(yú)高壓源(yuán)時，系統(tong)就會自(zì)動通過(guo)電流旁(pang)路和H橋(qiáo)直接對(dui)勵磁線(xiàn)圈進行(háng)勵磁，當(dāng)勵磁線(xiàn)圈中的(de)電流超(chāo)過設定(ding)阈值時(shí)，Cur端電壓(ya)就會大(da)于Vref點電(diàn)壓，此💜時(shi)比較器(qì)又會切(qiē)🔞換成低(dī)壓勵磁(cí)方式，如(ru)此反複(fú)循環控(kòng)制，達到(dao)對勵磁(ci)線圈恒(héng)流控制(zhì)的目的(de)。圖3爲H橋(qiao)🏃🏻‍♂️勵磁控(kòng)制電路(lu)♉。

　　由圖3可(ke)知，Io爲高(gao)低壓切(qiē)換恒流(liu)控制電(diàn)路輸出(chu)的恒流(liú)源電流(liu)👈，H橋驅動(dong)的COM1端控(kong)制三極(jí)管Q1和場(chǎng)效應管(guan)Q4的通斷(duan);COM2端控制(zhi)三極管(guan)☀️Q2和場效(xiao)應管Q3的(de)通斷。L1表(biǎo)示的是(shi)勵磁線(xiàn)圈(傳感(gan)器中線(xiàn)♍圈)，COM1、COM2爲正(zhèng)📧交的PWM波(bō)信号，因(yīn)此在勵(lì)磁線圈(quān)L1的兩端(duān)會産生(shēng)方波勵(lì)磁信号(hao)。檢流電(dian)路📞主要(yào)是用來(lai)♋檢測勵(li)磁線圈(quān)中電流(liú)的變化(huà)，當線圈(quān)中的勵(li)磁電流(liú)方向變(bian)化時，可(ke)以及時(shi)将此信(xìn)息反饋(kui)給高低(dī)💰壓切換(huan)💛恒流控(kòng)制電路(lù)中✌️的比(bǐ)較器，從(cong)而實現(xian)切換高(gāo)低壓源(yuán)達到恒(héng)流控制(zhì)的目的(de)［9］。
2．2信号調(diao)理電路(lù)
　　由于傳(chuan)感器線(xian)圈輸出(chū)的電動(dòng)勢信号(hào)非常微(wēi)弱，幹擾(rǎo)成🔆分複(fu)雜，信号(hao)幅值受(shòu)磁場變(bian)動影響(xiang)較大，不(bú)能滿足(zu)🔞ADC采用的(de)要求，因(yin)此需要(yào)對此信(xin)号進行(háng)調理［10］。信(xin)👣号調理(lǐ)電路原(yuán)理圖如(rú)圖4所示(shì)。

　　如圖4所(suo)示，信号(hao)調理電(diàn)路由前(qian)置放大(da)電路、濾(lü)波電路(lu)📞以及二(er)次放大(dà)電路組(zu)成［11］。其中(zhōng)前置放(fang)大電路(lu)主要是(shi)由AD8610組成(chéng)的☎️差分(fen)放大電(diàn)路構成(cheng)，其主要(yao)是去除(chu)信号中(zhong)的共模(mo)幹擾并(bìng)且進行(hang)第一次(cì)前置放(fang)大，前♉置(zhi)放大電(diàn)🐅路的放(fang)大倍數(shù)爲15。由于(yú)有效信(xìn)号的幅(fu)值很小(xiao)，經過前(qián)置放大(da)電路後(hou)信号中(zhōng)還存在(zài)很多高(gao)✍️頻雜波(bō)，這些雜(zá)波會影(ying)響對後(hou)🌈級信号(hao)的處理(li)，因此還(hai)需要對(dui)前置放(fang)大電路(lù)輸出的(de)信号進(jìn)行低通(tōng)濾波和(hé)二次放(fang)大。系統(tǒng)💔選用二(èr)階有源(yuan)低通♌濾(lü)波電路(lù)濾除信(xìn)号中的(de)高頻幹(gan)擾，低通(tōng)濾波的(de)截止頻(pin)率設定(ding)在6kHz左右(yòu)，選用AD817組(zu)成的二(er)次放大(da)電路對(dui)🈲濾波電(dian)路輸出(chu)的信号(hào)進行二(er)次放🈲大(dà)😘，将信号(hao)調理電(dian)路輸出(chu)的信号(hao)調整在(zài)0～5V之間，最(zuì)終利用(yòng)DSP内部的(de)AD轉換器(qì)對此信(xìn)号進行(hang)模數轉(zhuan)換得出(chū)傳感器(qi)㊙️線圈🌈輸(shū)出的感(gan)應🔞電動(dòng)勢，從而(ér)根🧑🏽‍🤝‍🧑🏻據相(xiang)關的公(gong)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(xìn)電路
　　電(diàn)磁流量(liang)計輸出(chū)的流量(liàng)值可以(yǐ)通過外(wài)接的TFTLCD屏(ping)直接顯(xiǎn)示，還♈可(ke)以通過(guo)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(dian)路最大(dà)的優點(diǎn)是485電平(píng)與TTL電平(píng)兼容，方(fang)便與TTL電(dian)路相連(lián);抗共模(mó)幹擾能(neng)力強🔞;數(shu)據傳輸(shū)速度快(kuài)，高達10Mbps;通(tōng)信距離(lí)遠，最大(dà)爲1．2km。系統(tong)采用SP3485芯(xīn)片進行(háng)🈚數據通(tōng)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(qì)，電路圖(tu)如圖😄6所(suo)示。

3軟件(jiàn)設計
　　軟(ruan)件流程(chéng)圖如圖(tu)7所示。軟(ruǎn)件采用(yòng)模塊化(huà)的設計(ji)方法❤️，主(zhu)要設計(jì)了勵磁(cí)控制切(qiē)換程序(xù)、PWM波産生(sheng)程序、A/D轉(zhuǎn)換程序(xu)以及RS485通(tong)信程序(xu)等🐪。系統(tong)上電後(hòu)首先執(zhí)行複✏️位(wei)操作，利(li)用DSP内部(bu)的定時(shi)器産生(sheng)PWM波控制(zhì)H橋電路(lu)中的勵(li)磁方式(shì)，當系統(tǒng)檢測到(dào)傳❌感器(qì)線圈輸(shu)出的感(gan)應電動(dong)勢後，利(lì)用DSP内部(bu)的12位A/D轉(zhuan)換器對(duì)此信号(hao)進行🔞模(mó)數轉換(huan)，最後根(gēn)據相應(ying)算法計(jì)算出管(guan)道中被(bèi)測液體(tǐ)的流量(liang)。

4實驗數(shu)據分析(xī)
　　實驗中(zhōng)使用管(guan)道的管(guan)徑爲标(biao)準50mm，連續(xu)檢測管(guǎn)道中🧡同(tong)一點的(de)流❄️量，每(měi)10min記錄一(yi)次數據(ju)，對比數(shù)據的差(chà)異，以此(cǐ)來判定(dìng)系統測(ce)‼️量的穩(wěn)定性。首(shǒu)先對管(guan)道中的(de)流量進(jin)行标定(ding)，利用标(biāo)準流量(liàng)計進行(hang)檢測，通(tōng)過改變(bian)閥門開(kai)度來調(diào)整管道(dao)中液🧑🏽‍🤝‍🧑🏻體(tǐ)流量，流(liú)㊙️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(biao)1所示。

　　由(yóu)表1測量(liàng)數據可(ke)知，當管(guǎn)道中液(ye)體的流(liu)速恒定(ding)時，系統(tong)在同✂️一(yi)點檢測(cè)到的流(liu)量基本(ben)一緻，誤(wù)差在4%内(nei)，由此可(ke)見系統(tǒng)具有良(liang)好的穩(wen)定性，符(fu)合設計(jì)預期✊。
　　在(zài)驗證完(wan)系統的(de)穩定性(xìng)之後，進(jìn)一步檢(jiǎn)驗系統(tǒng)測⚽量的(de)準🌍确性(xing)。通過閥(fa)門改變(biàn)管道中(zhōng)待測液(ye)體的流(liú)速，将标(biāo)準流量(liang)計檢🏃🏻‍♂️測(ce)到的流(liu)速與系(xì)統測量(liàng)的流✉️速(sù)進行🌈比(bi)較，實驗(yàn)測量數(shù)據如表(biao)2所示💃。

　　由(yóu)表2測量(liang)數據可(ke)知，系統(tong)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(dai)測液體(ti)的流速(su)增大時(shi)(大于1．4m/s)，誤(wù)差逐漸(jiàn)📞減小🌈，基(jī)本㊙️維持(chi)在3%以内(nei)。由此可(ke)見系統(tong)具有較(jiào)高的檢(jiǎn)測精度(dù)，尤其是(shi)當管道(dào)中的液(ye)體流速(sù)較高時(shi)，系統的(de)檢測誤(wu)差🍉不超(chāo)過3%，達到(dào)了設計(jì)📧預期。
5結(jie)束語
　　采(cai)用了基(jī)于能量(liàng)回饋和(he)電流旁(pang)路的高(gāo)低壓勵(li)磁控制(zhi)方案，通(tong)過高低(dī)壓切換(huàn)勵磁的(de)方式來(lai)實現對(duì)勵磁過(guò)程中恒(héng)流的😄控(kong)制，從而(er)使得系(xì)統穩定(ding)可靠運(yùn)行。MCU采用(yòng)高性能(néng)數字處(chu)理器DSPTMS320F28335，提(ti)高了系(xi)統的采(cǎi)樣精度(du)以及算(suàn)法處理(li)的速度(dù)。在測量(liàng)數據顯(xiǎn)示方面(mian)，利用TFTLCD屏(píng)直接顯(xiǎn)示測量(liang)結果，也(yě)可以将(jiang)測量數(shù)據通過(guo)RS485接口發(fa)送到上(shang)位機中(zhong)。實際測(cè)試結果(guǒ)表明🙇‍♀️，系(xi)統具有(you)良好的(de)穩定性(xìng)，且測量(liang)精度較(jiao)高，誤差(chà)不超過(guo)5%。

以上内(nei)容源于(yú)網絡，如(rú)有侵權(quan)聯系即(ji)删除!