摘要:針(zhen)對傳統(tǒng)電磁流(liu)量計 在(zài)測量漿(jiang)液流量(liang)時存在(zai)精度低(di)、傳感器(qi)輸出波(bō)動大等(deng)缺點，設(she)計了一(yī)種基于(yu)DSP的高頻(pín)勵磁電(diàn)磁流量(liang)計。該電(diàn)磁流量(liang)計采用(yòng)高低壓(ya)切換勵(li)磁方式(shi)，通過引(yǐn)入電流(liú)旁路🐕來(lai)改進變(bian)送器的(de)勵磁電(dian)路，提高(gao)勵磁頻(pin)率。利用(yong)具有高(gāo)輸入阻(zǔ)抗的差(cha)分放大(da)電路放(fàng)大傳感(gan)器輸出(chu)信号，提(ti)高信号(hào)的信噪(zào)📞比，保證(zheng)提取信(xìn)号的精(jīng)度。實際(jì)測試結(jié)果表明(míng):系統測(cè)量精度(du)高，對小(xiǎo)流速階(jie)段測量(liang)準确度(du)明顯改(gǎi)善，測量(liang)誤差不(bu)超過5%。
0引(yin)言
　　流量(liang)檢測在(zai)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(fàn)的應用(yong)，根據測(cè)量原理(lǐ)不同，流(liú)量計可(kě)以💯大緻(zhì)⁉️分爲🍓力(lì)學、電學(xué)、聲學、熱(re)學、光學(xue)等類型(xing)，其中電(diàn)磁流量(liàng)計是依(yi)據🤩電學(xue)原理研(yan)制而成(cheng)，電磁流(liú)量計與(yǔ)其他流(liu)量計相(xiang)比，具有(yǒu)結構簡(jiǎn)單、測量(liang)精度高(gao)、穩定性(xing)好等特(te)點。但電(diàn)磁流量(liang)計在測(cè)量低流(liú)速、低導(dao)電率液(yè)體時存(cún)在精度(dù)不♈高等(děng)缺點，爲(wèi)了克服(fú)這個缺(que)點，研制(zhi)了一種(zhǒng)基于DSP的(de)高頻勵(lì)磁電磁(ci)流量計(ji)，在勵磁(cí)方式上(shàng)選用旁(pang)路勵磁(ci)電路㊙️與(yǔ)💋恒流控(kòng)制電路(lu)相結合(he)的方式(shì)，提高了(le)勵💋磁頻(pín)率以及(jí)能量的(de)利用效(xiào)率。選用(yòng)高性能(neng)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(shí)時顯示(shì)，系統具(jù)有體積(ji)小、便攜(xie)式以及(ji)測量精(jīng)度高等(deng)優點［3］。
1高(gao)頻勵磁(ci)電磁流(liú)量計測(cè)量原理(lǐ)
　　電磁流(liú)量計根(gēn)據電磁(cí)感應定(dìng)律的原(yuan)理來測(cè)量導🔞電(diàn)🌏液體的(de)流量，測(cè)量導電(dian)液體的(de)傳感器(qi)中繞有(yǒu)線圈，通(tong)過給🔞線(xiàn)圈通電(diàn)［4］，當液體(ti)流過線(xian)圈時就(jiu)會切割(gē)磁感線(xian)，此時在(zài)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻線圈的(de)兩端會(hui)産生感(gǎn)應電動(dong)勢e，根❌據(ju)電磁學(xue)中右手(shou)法則可(kě)得:

　　式中(zhōng):B爲傳感(gǎn)器線圈(quān)産生的(de)磁場強(qiáng)度;L爲傳(chuan)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(you)流量計(ji)算公式(shi)可得:

式(shi)中S爲傳(chuan)感器管(guan)道的截(jié)面積。
　　由(you)式(1)可知(zhi)，當B和L已(yi)知時，隻(zhi)要測得(dé)e就可以(yǐ)反推出(chu)v;由式(2)可(kě)知，當測(cè)得v時就(jiu)能計算(suàn)出Q。
2高頻(pín)勵磁電(diàn)磁流量(liàng)計硬件(jian)設計
　　高(gāo)頻勵磁(ci)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(lu)等組成(chéng)［5］，其中高(gao)頻勵磁(ci)電路決(jué)定着傳(chuan)☀️感器磁(cí)場的強(qiang)㊙️弱，勵磁(ci)電路的(de)穩定性(xìng)以及精(jīng)确性👈決(jué)定着系(xì)統檢測(ce)的準确(què)性以及(jí)穩定性(xìng)。DSP系統控(kòng)制勵磁(cí)電路激(jī)勵傳感(gan)器線圈(quān)，當線圈(quān)中有🏃🏻導(dǎo)電液體(ti)流過時(shi)，其切割(ge)磁感線(xian)并在傳(chuan)感器兩(liǎng)端的線(xian)圈上産(chan)生感應(yīng)電動🈲勢(shi)，利用信(xìn)号檢測(ce)電路監(jian)測感應(yīng)電動勢(shì)的大小(xiǎo)，最後根(gen)據相✌️應(ying)關系計(jì)算出液(yè)體的流(liu)量，系統(tǒng)硬件框(kuang)圖如🥵圖(tu)1所示。

2．1高(gao)頻勵磁(cí)電路設(she)計
　　高頻(pin)勵磁電(diàn)路主要(yào)由高低(dī)壓切換(huan)恒流控(kong)制電路(lu)和H橋勵(li)磁開關(guān)電路組(zu)成［6－7］。其中(zhōng)高低壓(yā)切換恒(heng)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(cí)線圈提(tí)供🐕恒定(ding)的電流(liú)。電路原(yuán)理💚圖如(ru)圖2所示(shi)⭐。

　　如圖2所(suo)示，在對(duì)傳感器(qi)線圈進(jìn)行勵磁(cí)時，通過(guò)比較器(qi)控制切(qie)換開關(guan)切換高(gao)低壓進(jin)行勵磁(ci)［8］。Vref作爲比(bǐ)較器的(de)基準輸(shū)入端，其(qí)表示勵(li)磁電流(liú)的電壓(yā)穩态值(zhi);而Cur則表(biao)示H橋勵(lì)磁電路(lu)中檢測(cè)到的電(diàn)壓信号(hào)。一開始(shi)當系統(tong)處于低(di)壓勵磁(ci)狀态時(shi)，系統會(hui)自動斷(duàn)開切換(huan)電路中(zhong)的電流(liú)旁路，此(ci)時系統(tong)通過利(lì)用H橋向(xiang)勵磁線(xian)圈提供(gòng)恒定電(diàn)流。當勵(lì)磁方向(xiang)變化時(shi)，電流檢(jian)測電路(lù)就會檢(jiǎn)測到電(diàn)🐅流變爲(wei)負方向(xiàng)，比較器(qi)的Cur端與(yu)Vref端的平(ping)衡就會(huì)發生變(bian)化，此時(shi)系統通(tōng)過比較(jiao)器自動(dong)切換爲(wei)高壓勵(li)磁狀态(tai)。與低壓(ya)勵磁方(fāng)式相反(fan)，在此種(zhǒng)狀态下(xia)，恒流控(kòng)制電路(lù)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(duān)的電壓(yā)會超過(guo)高㊙️壓源(yuan)。等勵磁(cí)線圈中(zhōng)的能量(liàng)釋放完(wan)🤟後，電流(liú)逐漸降(jiang)爲零，此(cǐ)時能量(liàng)回饋電(dian)路👄就會(hui)利用電(diàn)流旁路(lù)和H橋将(jiāng)能量反(fǎn)饋給勵(li)磁線圈(quan)。當電容(róng)C1端的電(diàn)壓下降(jiang)到小于(yu)高壓源(yuan)時，系統(tong)就會自(zì)動通過(guo)電流旁(páng)路和H橋(qiáo)直接對(dui)勵磁線(xian)圈進行(hang)勵磁，當(dāng)勵磁線(xian)圈中的(de)電流超(chao)過設定(ding)阈值時(shi)🔞，Cur端電壓(ya)就會大(da)于Vref點電(diàn)壓，此時(shí)比較器(qi)又會切(qiē)換成低(di)壓勵磁(ci)方式，如(rú)此反複(fú)循環控(kòng)制，達到(dào)對勵磁(ci)線圈恒(heng)流控制(zhi)的目的(de)。圖3爲H橋(qiáo)勵磁控(kong)制電路(lu)。

　　由圖3可(kě)知，Io爲高(gāo)低壓切(qiē)換恒流(liú)控制電(diàn)路輸出(chū)的恒流(liu)源電流(liú)，H橋驅動(dong)的COM1端控(kong)制三極(ji)管Q1和場(chang)效應管(guǎn)Q4的✂️通斷(duàn);COM2端控制(zhì)三♋極管(guan)Q2和場效(xiào)應管Q3的(de)通斷。L1表(biao)示的是(shi)勵磁線(xian)🔴圈(傳感(gan)器中線(xiàn)圈)，COM1、COM2爲正(zheng)交的PWM波(bo)信号，因(yīn)此在勵(lì)磁線圈(quan)L1的兩端(duan)會産生(shēng)方波勵(lì)磁信号(hao)🏃🏻‍♂️。檢流電(diàn)路主要(yào)是用來(lái)🚶‍♀️檢測勵(li)磁線圈(quan)中電流(liu)的🔅變化(hua)，當線圈(quan)✊中的勵(li)磁電流(liu)方向變(biàn)化時，可(ke)以及時(shi)将此信(xin)🙇🏻息反饋(kui)給高低(dī)壓切換(huan)恒流控(kong)制電路(lù)中的比(bǐ)較器，從(cong)而實現(xiàn)切換高(gāo)低壓源(yuan)達到恒(heng)流控制(zhì)的目的(de)［9］。
2．2信号調(diào)理電路(lu)
　　由于傳(chuán)感器線(xian)圈輸出(chu)的電動(dòng)勢信号(hào)非常微(wei)弱，幹擾(rǎo)成分複(fú)雜，信号(hào)幅值受(shou)磁場變(bian)動影響(xiang)較大，不(bú)能滿足(zu)ADC采用的(de)要求，因(yīn)此需要(yao)對此信(xin)号進行(hang)調理［10］。信(xin)号調理(li)☁️電路原(yuán)理圖如(ru)圖4所示(shì)。

　　如圖4所(suo)示，信号(hào)調理電(diàn)路由前(qian)置放大(dà)電路、濾(lü)波電路(lu)💃以及二(èr)次放大(da)電路組(zu)成［11］。其中(zhōng)前置放(fàng)大電路(lu)主要是(shi)♍由AD8610組成(cheng)的差分(fen)放大電(dian)路構成(cheng)，其主要(yào)是去除(chu)信号中(zhōng)的共模(mo)幹擾并(bing)且進行(háng)🈲第一次(ci)前置放(fang)大，前置(zhì)放大電(diàn)路的放(fàng)大倍數(shù)爲15。由于(yu)有效信(xìn)号的幅(fú)值很小(xiao)，經過前(qián)置放大(dà)電路後(hòu)信号中(zhōng)還存在(zai)很多高(gao)頻雜波(bō)，這些雜(za)波會影(yǐng)響對後(hòu)級信号(hào)的處理(lǐ)，因此還(hai)需要對(dui)前置放(fàng)大電路(lu)輸出的(de)信号進(jìn)行低通(tōng)濾💋波和(he)二次放(fang)大。系統(tǒng)🈲選用二(èr)階有源(yuan)低通濾(lǜ)波電路(lu)濾除信(xin)号😘中的(de)高頻幹(gàn)擾，低通(tōng)濾波的(de)截止頻(pín)率設❓定(dìng)在6kHz左右(yòu)，選用AD817組(zǔ)成的二(èr)次放大(da)電路對(duì)濾波電(dian)路輸出(chu)的信号(hao)進行二(èr)次放大(dà)，将信号(hào)調理電(dian)路輸出(chū)的信㊙️号(hào)調整在(zai)0～5V之間，最(zui)終🎯利用(yòng)⭕DSP内部的(de)AD轉換器(qi)對此信(xìn)号進行(hang)🥰模數轉(zhuǎn)換得出(chū)傳感器(qi)線圈輸(shū)出的感(gan)應電動(dong)勢，從而(er)根📐據相(xiang)⛱️關的公(gong)式計算(suan)得出管(guan)道中液(ye)體的流(liu)量。具體(tǐ)電路圖(tú)如圖5所(suǒ)示。

2．3通信(xìn)電路
　　電(dian)磁流量(liang)計輸出(chu)的流量(liang)值可以(yǐ)通過外(wai)接的TFTLCD屏(ping)直接顯(xian)示，還可(ke)以通過(guò)預留的(de)RS485通信接(jiē)口将數(shù)據發送(song)到上位(wèi)機中［12］。RS485電(dian)路最大(dà)的📧優點(dian)是485電平(ping)與TTL電平(píng)兼容，方(fāng)便與TTL電(diàn)路相連(lian);抗共👣模(mo)幹擾能(neng)力強;數(shu)據傳輸(shu)速度快(kuai)，高達10Mbps;通(tong)信距離(li)遠，最大(da)爲1．2km。系統(tong)采用🙇🏻SP3485芯(xin)片進行(háng)♊數據通(tong)信，SP3485是😘一(yi)款低功(gōng)耗芯片(pian)且符合(he)RS485協議的(de)收發🌈器(qì)，電路圖(tú)如💚圖6所(suǒ)示。

3軟件(jian)設計
　　軟(ruan)件流程(chéng)圖如圖(tú)7所示。軟(ruan)件采用(yòng)模塊化(hua)的設計(jì)方法🌈，主(zhu)要🛀設計(jì)了勵磁(ci)控制切(qie)換程序(xu)、PWM波産生(sheng)程序、A/D轉(zhuan)換程序(xù)以㊙️及RS485通(tong)信程序(xu)等。系統(tǒng)上電後(hou)首先執(zhi)行複⛷️位(wei)操作，利(li)用DSP内部(bu)的定🔆時(shí)器産生(shēng)PWM波控♻️制(zhì)H橋電路(lù)中的勵(li)磁方🆚式(shì)，當系統(tong)檢測到(dào)傳感器(qì)線圈輸(shū)出的感(gan)應電動(dòng)勢後🔞，利(li)用DSP内部(bù)的12位A/D轉(zhuǎn)換器對(dui)此信号(hào)進行模(mó)數轉換(huàn)，最後根(gēn)據相應(ying)算法計(jì)算出管(guan)道中被(bei)測液體(ti)的流量(liang)。

4實驗數(shù)據分析(xī)
　　實驗中(zhong)使用管(guǎn)道的管(guan)徑爲标(biāo)準50mm，連續(xù)檢測管(guǎn)道中💘同(tóng)一點🈲的(de)流💜量，每(měi)10min記錄一(yi)次數據(jù)，對比數(shu)據的差(cha)異，以此(cǐ)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻來判定(ding)系統測(cè)量的穩(wěn)定性。首(shǒu)先對管(guan)道中的(de)流量進(jin)行标定(dìng)，利用标(biāo)準流量(liang)計進行(háng)檢測，通(tōng)過改變(biàn)閥門開(kai)度來調(diào)整管道(dào)中液體(ti)流量，流(liú)量标定(ding)爲👨‍❤️‍👨1m/s，此時(shí)啓動系(xi)統開始(shǐ)檢測，數(shù)據如表(biao)1所示。

　　由(yóu)表1測量(liang)數據可(ke)知，當管(guan)道中液(ye)體的流(liu)速恒定(ding)時，系統(tǒng)在同一(yī)點檢測(cè)到的流(liu)量基本(běn)一緻，誤(wu)差在4%内(nei)，由此可(kě)見🆚系統(tǒng)具有良(liáng)好♈的穩(wěn)定性，符(fu)合設計(ji)預期💯。
　　在(zai)驗證完(wan)系統的(de)穩定性(xìng)之後，進(jìn)一步檢(jian)驗系統(tǒng)測量的(de)準确性(xìng)。通過閥(fá)門改變(bian)管道中(zhong)待測液(ye)體的流(liú)速，将标(biao)準流量(liàng)🈲計檢測(cè)到的流(liu)速與系(xì)統測量(liàng)的流速(su)進行比(bi)較，實驗(yan)測量數(shù)據如表(biǎo)2所示。

　　由(yóu)表2測量(liàng)數據可(kě)知，系統(tong)在測量(liang)低流速(su)液體時(shí)(流❌速小(xiǎo)🈲于❄️1m/s)誤差(cha)㊙️較大，達(dá)到5%，當待(dai)測液體(tǐ)的流速(su)增大時(shí)(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(jiao)高的檢(jiǎn)測精度(du)，尤其是(shi)當管道(dao)中的液(ye)體🔞流速(sù)較高時(shí)，系統的(de)檢測誤(wu)差不超(chāo)過3%，達🧑🏾‍🤝‍🧑🏼到(dao)了設計(jì)🐇預期。
5結(jié)束語
　　采(cǎi)用了基(jī)于能量(liàng)回饋和(hé)電流旁(páng)路的高(gāo)低壓勵(lì)磁控✉️制(zhi)🌈方🧑🏽‍🤝‍🧑🏻案👨‍❤️‍👨，通(tōng)⁉️過高低(dī)壓切換(huan)勵磁的(de)方式來(lai)實現對(duì)勵磁🚶‍♀️過(guo)程中恒(heng)流的🆚控(kong)制，從而(er)使得系(xì)統穩定(dìng)可靠運(yun)行。MCU采用(yòng)高性能(néng)數字👨‍❤️‍👨處(chu)理器✔️DSPTMS320F28335，提(tí)高了❓系(xì)統的采(cǎi)樣精度(du)以及算(suàn)法處理(lǐ)🏒的速度(dù)。在測量(liang)數據顯(xian)示方面(miàn)💯，利用TFTLCD屏(píng)直接顯(xian)示測量(liang)結果，也(ye)可以将(jiāng)測量數(shu)據通🌍過(guo)RS485接口發(fa)送到🤞上(shàng)位機中(zhong)。實際測(ce)試結果(guǒ)表明，系(xì)統具有(yǒu)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%。

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