摘要(yao):針對現有(you)勵磁方式(shì)的缺陷,提(tí)出了一種(zhǒng)新型的三(san)值正弦矩(ju)形波勵磁(ci)方式,采用(yong)具有16位ADC采(cǎi)集模塊的(de)MSP430F4793單片🌈機作(zuò)爲MCU,構建了(le)電磁流量(liang)計 樣機。新(xīn)型勵磁方(fāng)式的特點(diǎn)并介紹了(le)軟、硬件設(shè)計。試驗☀️結(jié)💋果表👅明,新(xin)型勵磁方(fāng)式有效地(di)提高了信(xìn)号💁的穩💜定(ding)性，克服了(le)矩🚶形波勵(lì)磁方式帶(dai)來的微分(fèn)幹👌擾難題(ti),也解決了(le)正弦波勵(li)磁中的正(zheng)交幹擾的(de)影🙇🏻響,減小(xiao)了測量誤(wù)差,對小流(liú)速階段的(de)測量精度(du)改善明顯(xiǎn)。
　　電磁流量(liàng)計是随着(zhe)電子技術(shu)的應用而(ér)發展起來(lái)的新型♋流(liú)量測量儀(yí)表,現已廣(guang)泛應用于(yu)各種導電(dian)液體的流(liú)量測量。但(dan)是在測量(liang)以下液體(ti)時仍然存(cún)在困難:①低(dī)電導率的(de)液體;②低流(liu)速液體🐇;③含(han)有顆粒的(de)高濃度漿(jiāng)狀液體;④黏(nián)㊙️性液體。通(tōng)過改進勵(li)磁方式來(lai)提高信噪(zao)比是解決(jue)這些問題(ti)有效方法(fa)之一.
　　激磁(cí)技術是電(dian)磁流量計(ji)中最關鍵(jian)的技術,其(qí)經曆了直(zhi)🏒流👨‍❤️‍👨激磁、工(gong)頻正弦激(jī)磁、低頻矩(jǔ)形波激磁(cí)、三值低頻(pín)矩形波激(ji)✍️磁、雙頻矩(jǔ)形波激磁(cí)等5個階段(duan)(4-51。直流激磁(cí)方式由于(yú)在小流量(liang)測量時要(yao)求信号的(de)直流穩定(ding)度必須在(zài)幾分之一(yi)微伏之内(nèi),而使得它(ta)的應☀️用範(fàn)圍受限;工(gong)頻正弦激(jī)磁方式由(yóu)于電磁感(gan)應造✂️成幅(fú)值與頻率(lǜ)成正比,從(cóng)而産生了(le)相位比流(liu)量信号滞(zhì)後90的🏃🏻正交(jiāo)幹擾;低頻(pin)矩形波激(jī)磁、三值低(di)頻矩形波(bō)激磁和雙(shuāng)頻矩形波(bo)激磁這三(sān)種激磁方(fang)式會不同(tong)程度的在(zài)電平快速(su)切換時而(ér)引入微分(fen)幹擾等難(nán)題。
本文提(ti)出了一種(zhǒng)新型的勵(lì)磁方式一(yī)三值正弦(xián)矩形波勵(li)✂️磁方🌈式，它(ta)不僅克服(fú)了微分幹(gan)擾的難題(ti),而且解決(jué)了正交幹(gàn)擾的影響(xiang)。基于此勵(lì)磁方式,采(cai)用具有16位(wèi)⚽A/D轉換模塊(kuài)的MSP430F4793單片機(ji)作爲MCU，設計(ji)了一款具(ju)有穩定性(xìng)和測量精(jing)度的電磁(ci)流♌量計。
1勵(li)磁方式分(fen)析
1.1測量原(yuan)理
　　電磁流(liú)量計的測(ce)量原理爲(wèi)法拉第電(diàn)磁感應定(ding)律㊙️,如圖1所(suǒ)示。當流體(tǐ)在管道内(nei)流過一個(ge)橫向磁場(chang)B的時候,相(xiàng)當👈于有☔一(yī)定電導率(lǜ)的導體在(zài)切割磁力(li)線,形成電(diàn)🐕動勢E,其大(da)小與磁場(chang)B、流速和管(guǎn)徑D成正比(bi),如😍公式(1):

　　其中B?D爲流(liú)速信号,即(ji)真實測量(liàng)值。dB/dt爲微分(fen)千擾,它主(zhu)要源于變(bian)壓器效應(ying)其大小與(yu)流量無關(guān),即使是在(zài)流速等于(yu)零,沒有流(liú)量信号感(gan)應[14]的情況(kuang)下也會存(cún)在,是電磁(ci)流量🏃🏻計的(de)主要幹擾(rao)D2B/dt2爲同相幹(gan)擾,是微分(fèn)幹擾的二(èr)次微分得(de)到的,所以(yi)隻要盡量(liang)降低微分(fen)🌈幹擾，同相(xiàng)幹擾也會(hui)降低⛹🏻‍♀️。ec、ed和ez分(fèn)别是共模(mó)幹擾、串模(mo)幹擾和直(zhi)流極化電(dian)壓，均爲電(dian)磁流量計(ji)的次要幹(gan)❌擾源
1.2三值(zhi)正弦矩形(xing)波勵磁方(fang)式
　　對于當(dang)前廣泛應(ying)用的矩形(xíng)波勵磁方(fang)式來說,由(yóu)于正負值(zhi)勵🚶‍♀️磁狀态(tai)的瞬間跳(tiào)變,造成在(zài)切換點的(de)磁場變化(huà)率dB/dt趨于無(wú)窮大波👈形(xing)上表現爲(wei)一個尖峰(fēng)),形成的微(wei)分幹擾極(ji)大,足以使(shi)得前級放(fang)大器達到(dao)飽和，導緻(zhi)信号穩定(ding)性的降低(dī),信号如圖(tú)3(a)所示。

　　對當(dang)前矩形波(bo)勵磁方式(shi)改進後提(tí)出了一種(zhǒng)新型的💞三(san)✔️值正弦🔆矩(ju)形波勵磁(ci)方式,波形(xing)如圖2所示(shì)，數學表達(dá)式如式(2)。

　　式(shi)中k爲自然(ran)數,T爲一個(gè)波形周期(qī)。在零值與(yu)正、負電平(ping)的切🈲換過(guo)程中加入(rù)了正弦波(bō)段作爲過(guo)渡,使得勵(li)磁信号變(bian)得相對💁平(píng)滑。選取的(de)正弦波上(shàng)升沿、平台(tai)、正弦波下(xia)降🔅沿和零(ling)值的時間(jian)比爲1：2：1：1。
　　0-T/2這段(duàn)正弦波_上(shàng)升沿可知(zhi)，波形段内(nèi)的磁場變(bian)化率⭕dB/dt=(2π?)4cos(?t-π/2)/2,是連(lián)續平穩變(bian)化的,幅值(zhí)在0-π?A之間，其(qi)中?爲勵磁(cí)頻率。端點(diǎn)🌍a右側dB/dt=A?cos(-π/2)/2=0,左側(cè)磁場變化(huà)率爲0,兩者(zhe)相等。端點(diǎn)b右側dB/dt=0,左側(ce)dB/dt=A?cosπ/2)/2=0，亦相等。因(yin)☎️此,在兩端(duan)點處的磁(ci)場變化率(lü)也是❤️連續(xu)的,沒有發(fa)生跳💯變。同(tong)理推得,整(zhěng)個周🍓期内(nèi)其餘正弦(xián)波段的磁(ci)場變化率(lǜ)都是連續(xù)的,這樣就(jiu)有效地降(jiang)低了微💯分(fen)幹擾,抑制(zhi)了尖峰,提(ti)升了信号(hao)的穩定性(xìng),使得電磁(cí)流量計在(zài)小流速測(cè)量階段也(ye)能夠達到(dao)較好的測(cè)量精✊度。
　　在(zai)正、負勵磁(ci)波段,由于(yú)磁場強度(du)恒定,微分(fen)幹擾和同(tóng)相幹👅擾都(dōu)很微弱,所(suǒ)以在這個(gè)階段對感(gǎn)應電動勢(shi)進行采樣(yàng),能夠取得(de)較爲穩定(dìng)的幅值，從(cong)而提高👅了(le)測量的精(jīng)度。同時,利(lì)用零值勵(li)磁階段的(de)電極信号(hào)來動态補(bǔ)償在正㊙️、負(fu)勵磁階段(duàn)的感應🔞電(dian)動勢信号(hao)中的零點(dian)⛱️部分,減小(xiao)了✉️零點漂(piao)移,增加了(le)零點穩定(ding)性。

　　考慮(lü)到工頻幹(gàn)擾，波形的(de)周期要爲(wèi)工頻周期(qi)的[17]整數倍(bei),而我國的(de)市電工頻(pin)幹擾的頻(pín)率爲50Hz，所以(yi)選取頻率(lǜ)?爲5Hz的波形(xing),這樣在一(yi)個200ms的周期(qi)内工頻幹(gan)擾的正負(fu)面積相等(deng),平均值等(deng)于零,工頻(pín)幹擾得到(dao)了有效的(de)克服。采用(yong)三值正弦(xián)波勵磁方(fāng)式後,經過(guo)信号處理(li)電路得到(dao)的流量信(xin)号如圖3(b)。
2硬(yìng)件系統
21硬(yìng)件電路總(zong)體設計
　　三(san)值正弦矩(jǔ)形波勵磁(ci)的電磁流(liú)量計的硬(ying)件部分主(zhu)要由傳感(gan)器、電源電(diàn)路、勵磁電(dian)路、流量信(xìn)号處理電(dian)路、MCU、液晶📐和(he)鍵盤等模(mó)塊構成。硬(yìng)件總體結(jié)構圖如圖(tú)4所示。其中(zhong)傳感器直(zhí)接由廠♌家(jiā)制作,這裏(lǐ)不做詳細(xi)介紹。電源(yuán)電路提供(gòng)+24V、+12V、+5V以及3.3V。

22勵磁(ci)電路
　　勵磁(ci)系統決定(ding)着傳感器(qi)的工作磁(cí)場,是轉換(huàn)電路中非(fēi)📐常重要的(de)部分。勵磁(cí)電路由兩(liǎng)部分構成(cheng)，如圖5所示(shì)。

　　其中,電路(lù)(I)是由4隻光(guāng)耦和2片場(chǎng)效應管RF7343(每(mei)片中有一(yī)隻N溝道和(he)一隻P溝道(dao)型的場效(xiào)應管)組成(chéng)的橋式開(kai)關電🏃🏻‍♂️路。通(tōng)過兩路控(kòng)制信号CtrlA和(hé)Ctrl_B的高低電(diàn)平來控制(zhì)場效應管(guan)的通斷,從(cóng)而✏️實現了(le)勵磁線圈(quan)中電流方(fāng)向的切換(huan)。電路(I)是由(yóu)一片運算(suàn)放大器OP07.-隻(zhi)🌍NPN型三極管(guan)S9013、一隻NPN型三(san)極管TIP122和4隻(zhi)399采樣♈電阻(zǔ)組成的恒(heng)流源。由MCU的(de)定時器脈(mo)沖寬度調(diao)制(PWM)輸出經(jīng)過RC電路濾(lü)波後來控(kong)制流過勵(li)🤟磁線圈的(de)電流I從而(ér)産生三值(zhi)正弦矩形(xíng)波♈。
2.3信号處(chu)理及采集(jí)電路
　　電極(ji)輸出的感(gan)應電動勢(shì)信号(微伏(fu)至毫伏級(ji)的交變信(xìn)号)首先經(jīng)過RC電路濾(lü)除部分高(gao)頻幹擾信(xin)号,然後送(song)入儀用放(fang)💰大器✉️AD620進行(háng)差分放大(dà),但是由于(yú)幹擾成份(fèn)較☀️多,且有(you)👈的幹擾信(xin)号幅值遠(yuǎn)大于信号(hao)本身,因此(cǐ)AD620的增益不(bú)宜設置得(de)過大，10~20倍爲(wèi)佳。流量信(xin)号經過AD620放(fang)大後,采用(yong)單端輸出(chu)(對地電壓(ya))方式後通(tong)過電容隔(ge)直,濾去了(le)直流分量(liàng),僅保留信(xìn)号的交流(liú)分量。由于(yú)測量電路(lù)器件本身(shēn)存在噪聲(shēng)以及其他(tā)幹擾,特别(bie)是50Hz的工頻(pín)幹擾💁,有必(bì)要對信号(hào)再次濾波(bō),在此選取(qǔ)了雙🈲T帶阻(zǔ)濾波,電容(rong)C取Q1μF,中心頻(pin)率f爲50Hz則R=1/?。C)=1/(2πf0C)≈321Ω。最(zui)後把正負(fù)交變的信(xin)号進行電(dian)壓平移,即(ji)整體提升(shēng)信号幅值(zhí),使之都爲(wei)正值後送(song)入MCU的ADC引腳(jiao)。

2.4單片機系(xì)統
　　采用電(dian)磁流量計(jì)的MCU,與顯示(shì)模塊和鍵(jian)盤模塊共(gòng)同☎️構成單(dan)片機系統(tǒng)。MSP430F4793片内含2個(gè)16位定時器(qì),每個定時(shi)器各帶3個(ge)捕獲此✏️較(jiao)存儲器👄和(hé)PWN輸出功能(neng);3路具有可(kě)編💯程增益(yì)放大(PGA)功能(neng)的高精度(dù)16位🧑🏽‍🤝‍🧑🏻?-△型ADC;RAM爲25KB,FLASH存(cun)🙇‍♀️儲器多達(dá)60KB，并且擁有(yǒu)4個通用同(tóng)步異步通(tōng)信接口。
3軟(ruan)件系統
　　電(dian)磁流量計(jì)有四種工(gong)作模式:标(biao)定模式、測(ce)量模式、測(cè)試模式和(he)空管檢測(cè)模式。儀表(biǎo)上電後,程(chéng)序完成一(yi)系列初始(shi)化,随後便(bian)進入測量(liàng)模式開始(shǐ)正常工作(zuo)。配合液晶(jing)菜單顯示(shì),用戶可以(yǐ)通過按鍵(jiàn)操作來選(xuan)擇其他工(gong)作模式,操(cāo)作簡便。
　　定(ding)時器1用于(yú)産生三值(zhí)正弦矩形(xing)波，流程圖(tú)如圖7所示(shì)🌈。程序中✍️設(she)置兩個有(you)32個元素的(de)數組分别(bié)存放用于(yu)生🈲成正弦(xián)波上升沿(yan)和下降沿(yán)的占空比(bǐ)數據,依次(ci)使用🤞這些(xie)值來設置(zhì)定時器的(de)TM1__OCAR寄存器,控(kòng)制PWM輸出的(de)占空比,進(jin)而控制RC濾(lü)波電路輸(shū)出的電壓(ya)大小,最♌終(zhōng)得到設計(ji)的波形。

　　流(liu)量信号AD采(cai)集程序流(liu)程如圖8所(suǒ)示。以10個周(zhou)期爲-一個(ge)測量過程(cheng),在每個周(zhōu)期的高、低(dī)電平勵磁(cí)段各采集(jí)40個采樣點(dian)，并♌在兩個(ge)零🧡值勵磁(cí)段各采樣(yang)20點作爲相(xiang)對零點,求(qiu)得平均值(zhí)後換算得(de)到E正、E負、E零(líng)1和E零2共4個(ge)電勢平🈲均(jun)值。将E負與(yǔ)E零1的差🏃‍♂️值(zhí)作爲勵磁(cí)電流正☀️向(xiàng)時對應的(de)流量信号(hao),E負❤️與E零2的(de)差值(負值(zhí))作爲反向(xiang)流量信号(hào)📞。最後把兩(liǎng)個差值㊙️相(xiang)減作爲流(liú)量信号,所(suǒ)以流量信(xin)号的計算(suan)公式爲:
E=(E正(zhèng)-E零1)-(E負-E零2)(3)
　　其(qí)中,采樣時(shi)使用了ADC的(de)前置可編(biān)程增益放(fang)大器模🚶‍♀️塊(kuai),放大倍🌍數(shu)爲1~32範圍内(nei)的2的倍數(shù),對輸入到(dao)ADC引腳的流(liu)量信号進(jìn)行🤟動态調(diao)整。當輸入(ru)電壓很小(xiǎo)時,增加📞PGA的(de)放大倍數(shù);而🧑🏾‍🤝‍🧑🏼當幅值(zhí)👅過大時🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，則(ze)減小PGA的放(fang)大倍數，這(zhe)樣就使測(cè)得的AD值🤞盡(jin)量在量程(chéng)範圍的👅中(zhōng)間區域🌈，從(cóng)而減小了(le)AD采集本身(shen)的誤差,進(jìn)--步提高了(le)流量信🔴号(hao)的采樣精(jīng)度。

4試驗結(jie)果及分析(xi)
　　試驗所用(yòng)傳感器的(de)内徑爲50mm,采(cǎi)用标準計(jì)量罐進行(háng)😘标定🌈。對矩(jǔ)形波勵磁(ci)方式和三(sān)值正弦矩(jǔ)形波勵磁(ci)方式🔞進行(háng)對比☀️試驗(yan),兩者均采(cai)用5Hz勵磁頻(pín)率,實驗數(shù)🐅據如表1所(suo)示。從試驗(yàn)結🚩果可以(yi)看出,兩者(zhě)在一定的(de)流速範圍(wéi)(大于20m3/h)内測(cè)量精度都(dōu)⭐可以達到(dao)士3%以内,但(dàn)在小流速(sù)(小于2.0m3/h)測量(liàng)時，矩形波(bō)勵磁方♌式(shì)的誤差随(suí)🔴着流量的(de)減小迅速(su)增大,在标(biāo)定流量爲(wèi)0.3m3/h時達到了(le)🏃🏻‍♂️13%,如此大的(de)誤差是無(wú)法接受的(de)。與之♻️相比(bǐ),三值正弦(xian)矩形波的(de)測量誤差(chà)💋雖然有所(suǒ)上升但控(kong)制在±5%以内(nèi),明顯好于(yú)矩形波勵(lì)磁。試驗證(zhèng)🍉明,新型的(de)三值正弦(xian)矩形波勵(li)磁方式能(néng)夠更⭐爲有(you)效地消除(chu)微分幹擾(rǎo)和同相幹(gàn)擾,從而顯(xian)著地提高(gao)了電磁流(liu)量計在小(xiao)🔱流速測量(liàng)階段的精(jing)度。


5結論
　　采(cai)用新型的(de)三值正弦(xian)矩形勵磁(ci)方式增進(jin)了信号的(de)穩定性,加(jia)強了電磁(cí)流量計在(zai)工作過程(chéng)中的抗幹(gàn)擾能力,特(te)别是提高(gāo)了小流速(su)階段的測(ce)量精度。MCU采(cai)用MSP430F4793提高了(le)采樣精度(dù),簡化了電(diàn)路,降低了(le)功耗。用戶(hù)通過鍵盤(pan)和菜單來(lái)選擇工作(zuò)模式,完成(cheng)各項參數(shu)設置，界面(miàn)簡潔美觀(guān)，操作簡單(dan)方便。系統(tong)運行穩定(dìng),測量精度(dù)較高，具有(yǒu)較好的推(tui)廣應用價(jia)值。

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