摘(zhai)要:針對現有(yǒu)勵磁方式的(de)缺陷,提出了(le)一種新型的(de)三值正🌏弦🔞矩(jǔ)形波勵磁方(fāng)式,采用具有(yǒu)16位ADC采集模塊(kuài)的MSP430F4793單片機作(zuo)爲MCU,構建了電(diàn)磁流量計 樣(yang)機。新型勵磁(cí)方式的特點(diǎn)并介紹了軟(ruǎn)、硬件設計。試(shi)驗結果表👈明(ming),新型勵磁方(fāng)式有效地提(ti)高了信号的(de)穩定性📐，克服(fú)了矩形波勵(lì)磁方式帶來(lai)的微分幹擾(rǎo)難題,也解決(jue)了正弦波勵(lì)磁中的正💜交(jiāo)幹擾的影響(xiang),減小了⭕測量(liàng)誤差,對小流(liu)速階段的測(cè)量精度改📐善(shan)明顯。
　　電磁流(liú)量計是随着(zhe)電子技術的(de)應用而發展(zhǎn)起來的新型(xíng)流量測量儀(yí)表,現已廣泛(fan)應用于各種(zhong)導電液體👅的(de)流🔅量測✉️量。但(dan)⭕是在測量以(yǐ)下液體時仍(réng)然存在困難(nán):①低電導率的(de)液🍓體;②低流速(su)液體💞;③含有顆(ke)粒的⭐高濃度(du)漿狀液體;④黏(nian)性液體。通過(guo)改進勵磁方(fāng)式來✍️提高信(xìn)噪比是解決(jué)這些問題有(yǒu)效方🚶‍♀️法之一(yi).
　　激磁技術是(shì)電磁流量計(ji)中最關鍵的(de)技術,其經曆(li)了直流激磁(cí)☂️、工頻正弦激(ji)磁、低頻矩形(xíng)波激磁、三值(zhí)低頻矩形波(bo)激磁、雙頻矩(ju)㊙️形波激磁等(deng)5個階段(4-51。直流(liu)❤️激磁方式由(yóu)于在小流量(liàng)測量時要求(qiu)信号的直流(liu)穩定度必🍉須(xu)在幾分之一(yi)微伏之内,而(ér)使🐪得它的應(ying)用範圍受限(xiàn);工頻正弦激(ji)磁方式由于(yú)電磁感應造(zào)成幅值與頻(pín)率成正比,從(cong)而産生了相(xiang)位比流量信(xìn)号滞後90的正(zhèng)交幹🔞擾;低頻(pín)矩形波激磁(ci)、三值低頻矩(jǔ)形波激磁和(he)雙頻矩形波(bō)激磁這三種(zhǒng)✂️激磁方式會(hui)不同程度的(de)在電平快速(su)切換時而引(yin)入微分幹擾(rǎo)🔞等難題。
本文(wen)提出了一種(zhong)新型的勵磁(ci)方式一三值(zhí)正弦矩形🌏波(bo)👨‍❤️‍👨勵磁方式，它(ta)不僅克服了(le)微分幹擾的(de)難題,而且解(jie)決了✂️正交幹(gàn)擾的影響。基(ji)于此勵磁方(fang)式,采用具有(yǒu)16位A/D轉換模塊(kuài)的MSP430F4793單片機作(zuò)爲MCU，設計了一(yi)款具有穩定(ding)性和測量精(jing)度的電磁流(liú)量計。
1勵磁方(fang)式分析
1.1測量(liang)原理
　　電磁流(liu)量計的測量(liàng)原理爲法拉(lā)第電磁感應(ying)定律,如圖🔱1所(suo)示。當流體在(zài)管道内流過(guo)一個橫向磁(cí)場B的時候,相(xiang)當于有⁉️一定(ding)電導率的導(dao)體在切割磁(cí)力線,形成電(dian)動勢E,其🚩大小(xiao)與磁場B、流速(sù)和管徑D成正(zhèng)比,如公式(1):

　　其中B?D爲(wèi)流速信号,即(ji)真實測量值(zhi)。dB/dt爲微分千擾(rǎo),它主要源于(yu)變👨‍❤️‍👨壓器效應(yīng)其大小與流(liu)量無關,即使(shǐ)是在流速等(deng)于🌈零,沒有流(liú)量信号感應(ying)[14]的情況下也(yě)會存在,是電(diàn)磁流量計的(de)主要幹擾🏃D2B/dt2爲(wei)同相幹擾,是(shi)微分幹擾的(de)二次微分得(dé)到的,所以隻(zhī)要盡量降低(di)微分幹擾，同(tóng)相幹擾也會(huì)降低。ec、ed和ez分别(bié)是共模幹擾(rǎo)、串模🏃🏻‍♂️幹擾和(hé)直流極💞化電(dian)壓，均爲電磁(ci)流量計的次(cì)要幹擾源
1.2三(san)值正弦矩形(xing)波勵磁方式(shì)
　　對于當前廣(guǎng)泛應用的矩(jǔ)形波勵磁方(fāng)式來說,由于(yú)正負值勵磁(cí)狀态的瞬間(jiān)跳變,造成在(zai)切換點的磁(ci)場變✍️化率dB/dt趨(qū)于無窮大波(bō)形上表現爲(wei)一個尖峰),形(xing)成的微分幹(gan)擾極大,足以(yi)使得前級放(fang)大器達到飽(bǎo)和，導緻信号(hao)穩定性的降(jiang)低,信号如圖(tu)3(a)所示。

　　對當(dāng)前矩形波勵(li)磁方式改進(jin)後提出了一(yī)種新型的三(sān)🌈值正弦矩形(xing)波勵磁方式(shi),波形如圖2所(suǒ)示，數學表達(da)式如🧑🏾‍🤝‍🧑🏼式(2)。

　　式中(zhōng)k爲自然數,T爲(wei)一個波形周(zhou)期。在零值與(yu)正、負電平的(de)✏️切🌐換過程中(zhōng)加入了正弦(xián)波段作爲過(guo)渡,使得勵磁(cí)☀️信号變得相(xiang)對平滑。選取(qǔ)的正弦波上(shang)升沿、平台、正(zheng)弦波下降沿(yan)和零值的時(shí)間比爲1：2：1：1。
　　0-T/2這段(duan)正弦波_上升(shēng)沿可知，波形(xing)段内的磁場(chǎng)變化率dB/dt=(2π?)4cos(?t-π/2)/2,是連(lian)續平穩變化(huà)的,幅值在0-π?A之(zhī)間，其中?爲勵(lì)磁頻率。端點(dian)a右側dB/dt=A?cos(-π/2)/2=0,左側磁(cí)場變化♍率爲(wèi)0,兩者相等。端(duan)點b右側dB/dt=0,左側(ce)dB/dt=A?cosπ/2)/2=0，亦相等。因此(cǐ),在兩端點處(chu)的磁場變化(huà)率也是連續(xù)的,沒有發生(sheng)跳變。同理推(tui)🌈得,整個周期(qī)内其餘👣正弦(xián)波段的磁場(chǎng)變化率❗都是(shi)連續的,這樣(yang)就有效☎️地降(jiàng)低了微分幹(gan)擾,抑制了尖(jiān)峰,提升了信(xìn)号的穩定性(xìng),使得電磁流(liú)量計在小流(liu)速測量階段(duan)也能夠達到(dao)較好的測量(liang)精♻️度。
　　在正、負(fù)勵磁波段,由(you)于磁場強度(dù)恒定,微分幹(gàn)擾和🔞同相幹(gan)擾都很微弱(ruo),所以在這個(ge)階段對感應(yīng)電動勢進行(háng)采樣,能夠取(qǔ)得較爲穩定(ding)的幅值，從而(ér)提高💁了測量(liang)的精度💞。同時(shi),利用零值勵(lì)磁階段的電(dian)極信☂️号來動(dong)态補償在正(zhèng)、負勵磁階段(duan)的感應電動(dong)勢信号中的(de)零點部分,減(jian)小了零點漂(piāo)移,增加了零(ling)點穩⛹🏻‍♀️定性。

　　考慮(lü)到工頻幹擾(rao)，波形的周期(qī)要爲工頻周(zhou)期的[17]整💃數🛀倍(bei),而我國的市(shi)電工頻幹擾(rao)的頻率爲50Hz，所(suo)以選取頻率(lü)💞?爲5Hz的🐇波形🌈,這(zhè)樣🚩在一個200ms的(de)周期内工頻(pín)幹擾的正負(fu)面積相等,平(píng)均值等于零(líng)㊙️,工頻幹😄擾得(dé)到了有效的(de)克服。采用三(san)值正弦波勵(lì)磁方式後🈲,經(jing)過信号✊處理(li)電路得到的(de)流量信号如(rú)圖3(b)。
2硬件系統(tong)
21硬件電路總(zǒng)體設計
　　三值(zhí)正弦矩形波(bo)勵磁的電磁(ci)流量計的硬(ying)件部分主要(yào)由💞傳感器、電(diàn)源電路、勵磁(cí)電路、流量信(xìn)号處理電路(lu)、MCU、液晶和鍵盤(pán)等💚模塊構成(chéng)。硬件總體結(jie)構圖如圖4所(suo)示。其中傳🔴感(gan)器直⭕接由廠(chǎng)家制作,這裏(li)不做詳細介(jiè)紹。電源電路(lu)提供+24V、+12V、+5V以及3.3V。

22勵磁電路(lu)
　　勵磁系統決(jué)定着傳感器(qi)的工作磁場(chǎng),是轉換電路(lu)🔱中非❤️常重要(yao)的部分。勵磁(ci)電路由兩部(bù)分構成，如圖(tú)5所示。

　　其中,電(dian)路(I)是由4隻光(guang)耦和2片場效(xiao)應管RF7343(每片中(zhong)有一🐪隻N溝道(dào)和一隻P溝道(dao)型的場效應(yīng)管)組成的橋(qiao)式開關電路(lù)。通過兩✉️路控(kong)制信号CtrlA和Ctrl_B的(de)高低電平來(lai)控制㊙️場效應(yīng)💋管的通斷,從(cong)而實現了🔅勵(lì)磁線圈中電(dian)流方向的切(qiē)換。電路(I)是由(you)一片運算放(fàng)大器OP07.-隻NPN型三(sān)極管🈲S9013、一隻NPN型(xíng)三極💃🏻管TIP122和4隻(zhī)399采樣✍️電阻組(zu)成的恒流源(yuán)。由MCU的🤩定時器(qi)脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出經過(guò)RC電路濾波後(hòu)來控😘制流過(guò)勵磁線圈的(de)電流I從而産(chǎn)生三值正弦(xián)矩形波🈲。
2.3信号(hào)處理及采集(ji)電路
　　電極輸(shū)出的感應電(dian)動勢信号(微(wēi)伏至毫伏級(jí)的交🏃🏻‍♂️變信号(hao))首先經過RC電(dian)路濾除部分(fen)高頻幹擾信(xin)号,然後送入(rù)儀用放大器(qì)AD620進行差分放(fang)大,但是由于(yu)幹擾成份較(jiao)多,且有的幹(gan)擾信号幅值(zhí)遠大于信号(hao)本身,因此AD620的(de)增🥰益不宜設(shè)置得過大⛹🏻‍♀️，10~20倍(bei)爲佳。流量信(xìn)号經🌐過AD620放大(da)後,采🎯用單端(duan)輸出(對地電(dian)壓)方🐕式後通(tong)過電容隔直(zhí),濾去了直流(liu)分量,僅保留(liu)信号的交流(liú)🌈分量。由于測(cè)量電路器🈲件(jian)本身存在噪(zao)聲✔️以及其他(tā)幹擾,特💛别是(shì)50Hz的工頻幹擾(rǎo),有必要對信(xin)号再🔞次濾波(bo),在此選取了(le)雙T帶阻濾波(bō),電容C取Q1μF,中❄️心(xin)頻率f爲50Hz則R=1/?。C)=1/(2πf0C)≈321Ω。最(zui)後把正負交(jiao)變的信号進(jin)行電壓平移(yi),即整體提升(shēng)信号幅值,使(shǐ)之都爲正值(zhi)後送入🎯MCU的ADC引(yin)腳。

2.4單片機系(xi)統
　　采用電磁(cí)流量計的MCU,與(yu)顯示模塊和(he)鍵盤模塊共(gong)同🌈構成單片(pian)機系統。MSP430F4793片内(nèi)含2個16位定時(shi)器,每個定時(shí)器各帶3個捕(bu)⚽獲此較存儲(chǔ)器和PWN輸出功(gōng)能;3路具有可(ke)編💜程增益放(fang)大(PGA)功能的高(gao)精度16位?-△型ADC;RAM爲(wèi)25KB,FLASH存儲器多達(dá)60KB，并且擁有4個(ge)通用同步異(yi)步通信⁉️接口(kǒu)。
3軟件系統
　　電(diàn)磁流量計有(you)四種工作模(mó)式:标定模式(shi)、測量模式、測(cè)試模式和空(kōng)管檢測模式(shì)。儀表上電後(hou),程序完成一(yi)系列初始化(hua),随後便進入(ru)測量模式開(kai)始正常工作(zuò)。配合液晶菜(cai)單顯示,用戶(hu)可以通過按(an)鍵操作來選(xuǎn)擇其他工作(zuo)模式,操作簡(jiǎn)便。
　　定時器1用(yòng)于産生三值(zhi)正弦矩形波(bō)，流程圖如圖(tú)7所示。程序中(zhōng)設置兩個有(you)32個元素的數(shu)組分别存放(fang)用于生成正(zhèng)🔴弦波上升♊沿(yan)和下降沿的(de)占空比數據(ju),依次使用這(zhe)些值♌來設置(zhi)定時器的TM1__OCAR寄(ji)存器,控制PWM輸(shū)出的占空比(bi)🏃🏻,進而控制RC濾(lǜ)波電路📞輸出(chu)的電壓大小(xiao),最🐆終得到設(she)計的波形。

　　流(liu)量信号AD采集(jí)程序流程如(ru)圖8所示。以10個(gè)周期爲-一個(ge)測量過程,在(zai)每個周期的(de)高、低電平勵(li)磁段各采☁️集(jí)40個采樣👅點，并(bìng)在兩個零♋值(zhí)勵磁段各采(cai)樣20點作爲相(xiàng)對零點,求得(de)🌍平均值後換(huàn)算🏃🏻‍♂️得到E正🔞、E負(fù)、E零1和E零2共4個(ge)電勢平均值(zhí)。将E負‼️與E零1的(de)差值作爲勵(lì)磁電流正💰向(xiàng)時對應的流(liu)量信号,E負與(yu)E零2的差值(負(fu)值)作爲反向(xiang)流量信号。最(zui)後把兩個差(chà)值⭐相減作爲(wei)流量信号,所(suo)以流量信号(hao)的計算公式(shi)爲:
E=(E正-E零1)-(E負-E零(líng)2)(3)
　　其中,采樣時(shí)使用了ADC的前(qián)置可編程增(zeng)益放大器模(mo)塊,放大倍數(shu)爲1~32範圍内的(de)2的倍數,對輸(shu)入到ADC引腳的(de)流量信号進(jin)行動态調整(zheng)🌍。當輸入電壓(ya)很小時,增加(jiā)PGA的放大倍數(shù);而當幅值過(guò)大時，則減小(xiao)PGA的放大倍數(shu)💯，這樣就使📱測(cè)得的AD值盡量(liàng)在量程範圍(wéi)的中間區域(yu)，從而減小了(le)AD采集本身的(de)誤差,進--步提(tí)❗高了流量信(xìn)号的采樣精(jīng)度。

4試驗結(jie)果及分析
　　試(shì)驗所用傳感(gǎn)器的内徑爲(wei)50mm,采用标準計(ji)量罐進行标(biao)💃🏻定🔴。對矩形波(bō)勵磁方式和(hé)三值正弦矩(jǔ)形波勵磁方(fāng)式🔞進行🌈對比(bǐ)試驗🏃🏻‍♂️,兩者均(jun)采用5Hz勵磁頻(pin)率,實驗數🌈據(jù)如表☀️1所示。從(cong)試驗結果可(kě)以看出,兩者(zhe)在一定的流(liú)速範圍🔞(大于(yu)20m3/h)内測量精度(dù)都可以達到(dào)士3%以内,但在(zài)小流速(小于(yú)2.0m3/h)測量時，矩形(xíng)波勵磁方式(shì)的誤差随着(zhe)流量的減♈小(xiǎo)迅速增大,在(zài)标定流量爲(wèi)0.3m3/h時達🚶到了13%,如(ru)此大的誤差(chà)是無法接受(shou)的。與之🏃🏻‍♂️相比(bǐ),三值正弦矩(jǔ)形波的測量(liàng)誤差雖然有(yǒu)所上升但控(kong)♻️制在±5%以内,明(míng)顯好于矩形(xing)波勵磁。試驗(yàn)證明,新型的(de)三值正弦💁矩(ju)形波勵磁方(fang)式🧑🏾‍🤝‍🧑🏼能夠更爲(wèi)有效地消除(chu)微分幹擾和(he)同相幹擾,從(cong)而顯著地提(tí)🔞高了電磁流(liu)量計在小流(liu)速測量階段(duan)的精度。


5結論(lun)
　　采用新型的(de)三值正弦矩(ju)形勵磁方式(shi)增進了信号(hao)的穩定性,加(jia)強了電磁流(liú)量計在工作(zuò)過程中的抗(kàng)幹擾能力,特(te)别是提高了(le)小流速階段(duan)的測量精度(dù)。MCU采用MSP430F4793提高了(le)采樣精度,簡(jian)化了電路,降(jiàng)低了功耗。用(yòng)戶通過鍵盤(pán)和菜單來選(xuǎn)擇工作模式(shi),完成各項參(cān)數設置，界面(miàn)簡潔美觀，操(cāo)作簡單方便(bian)。系統運行穩(wen)定,測量精度(dù)較高，具有較(jiao)好的推廣應(ying)用價值。

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