基于DSP的高頻勵磁電磁流量計設計

劉林陰，徐永安

(1.鄭州科技學院電氣工程學院，河南鄭州 450064；2.信息工程大學科研部戰(zhàn)略研究室，河南鄭州 450001)

0 引言

流量檢測在工業(yè)生產、廢液監(jiān)測以及管道運輸等領域有著廣泛的應用，根據測量原理不同，流量計可以大致分為力學、電學、聲學、熱學、光學等類型，其中電磁流量計是依據電學原理研制而成，電磁流量計與其他流量計相比，具有結構簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好等特點[1-2]。但電磁流量計在測量低流速、低導電率液體時存在精度不高等缺點，為了克服這個缺點，本文研制了一種基于DSP的高頻勵磁電磁流量計，在勵磁方式上選用旁路勵磁電路與恒流控制電路相結合的方式，提高了勵磁頻率以及能量的利用效率。本文選用高性能DSP TMS320F28335來采集處理傳感器輸出的信號，顯著提高了系統(tǒng)測量時的響應速度，將流量計算結果通過LCD屏的方式實時顯示，系統(tǒng)具有體積小、便攜式以及測量精度高等優(yōu)點[3]。

1 高頻勵磁電磁流量計測量原理

電磁流量計根據電磁感應定律的原理來測量導電液體的流量，測量導電液體的傳感器中繞有線圈，通過給線圈通電[4]，當液體流過線圈時就會切割磁感線，此時在線圈的兩端會產生感應電動勢e，根據電磁學中右手法則可得：

e=BLv

(1)

式中：B為傳感器線圈產生的磁場強度；L為傳感器線圈的長度；v為液體在傳感器中流動的速度。

由流量計算公式可得：

(2)

式中S為傳感器管道的截面積。

由式(1)可知，當B和L已知時，只要測得e就可以反推出v；由式(2)可知，當測得v時就能計算出Q。

2 高頻勵磁電磁流量計硬件設計

高頻勵磁電磁流量計由傳感器、高頻勵磁電路、信號處理電路等組成[5]，其中高頻勵磁電路決定著傳感器磁場的強弱，勵磁電路的穩(wěn)定性以及精確性決定著系統(tǒng)檢測的準確性以及穩(wěn)定性。DSP系統(tǒng)控制勵磁電路激勵傳感器線圈，當線圈中有導電液體流過時，其切割磁感線并在傳感器兩端的線圈上產生感應電動勢，利用信號檢測電路監(jiān)測感應電動勢的大小，最后根據相應關系計算出液體的流量，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 高頻勵磁電路設計

高頻勵磁電路主要由高低壓切換恒流控制電路和H橋勵磁開關電路組成[6-7]。其中高低壓切換恒流控制電路確保高壓或低壓情況下，都可以通過H橋向勵磁線圈提供恒定的電流。電路原理圖如圖2所示。

圖2 高低壓恒流切換電路

如圖2所示，在對傳感器線圈進行勵磁時，通過比較器控制切換開關切換高低壓進行勵磁[8]。Vref作為比較器的基準輸入端，其表示勵磁電流的電壓穩(wěn)態(tài)值；而Cur則表示H橋勵磁電路中檢測到的電壓信號。一開始當系統(tǒng)處于低壓勵磁狀態(tài)時，系統(tǒng)會自動斷開切換電路中的電流旁路，此時系統(tǒng)通過利用H橋向勵磁線圈提供恒定電流。當勵磁方向變化時，電流檢測電路就會檢測到電流變?yōu)樨摲较颍容^器的Cur端與Vref端的平衡就會發(fā)生變化，此時系統(tǒng)通過比較器自動切換為高壓勵磁狀態(tài)。與低壓勵磁方式相反，在此種狀態(tài)下，恒流控制電路關閉而電流旁路打開，線圈中的能量就會存儲在能量回饋電路中，此時C1端的電壓會超過高壓源。等勵磁線圈中的能量釋放完后，電流逐漸降為零，此時能量回饋電路就會利用電流旁路和H橋將能量反饋給勵磁線圈。當電容C1端的電壓下降到小于高壓源時，系統(tǒng)就會自動通過電流旁路和H橋直接對勵磁線圈進行勵磁，當勵磁線圈中的電流超過設定閾值時，Cur端電壓就會大于Vref點電壓，此時比較器又會切換成低壓勵磁方式，如此反復循環(huán)控制，達到對勵磁線圈恒流控制的目的。圖3為H橋勵磁控制電路。

圖3 H橋勵磁控制電路

由圖3可知，Io為高低壓切換恒流控制電路輸出的恒流源電流，H橋驅動的COM1端控制三極管Q1和場效應管Q4的通斷；COM2端控制三極管Q2和場效應管Q3的通斷。L1表示的是勵磁線圈(傳感器中線圈)，COM1、COM2為正交的PWM波信號，因此在勵磁線圈L1的兩端會產生方波勵磁信號。檢流電路主要是用來檢測勵磁線圈中電流的變化，當線圈中的勵磁電流方向變化時，可以及時將此信息反饋給高低壓切換恒流控制電路中的比較器，從而實現(xiàn)切換高低壓源達到恒流控制的目的[9]。

2.2 信號調理電路

由于傳感器線圈輸出的電動勢信號非常微弱，干擾成分復雜，信號幅值受磁場變動影響較大，不能滿足ADC采用的要求，因此需要對此信號進行調理[10]。信號調理電路原理圖如圖4所示。

圖4 信號調理電路原理圖

如圖4所示，信號調理電路由前置放大電路、濾波電路以及二次放大電路組成[11]。其中前置放大電路主要是由AD8610組成的差分放大電路構成，其主要是去除信號中的共模干擾并且進行第一次前置放大，前置放大電路的放大倍數為15。由于有效信號的幅值很小，經過前置放大電路后信號中還存在很多高頻雜波，這些雜波會影響對后級信號的處理，因此還需要對前置放大電路輸出的信號進行低通濾波和二次放大。系統(tǒng)選用二階有源低通濾波電路濾除信號中的高頻干擾，低通濾波的截止頻率設定在6 kHz左右，選用AD817組成的二次放大電路對濾波電路輸出的信號進行二次放大，將信號調理電路輸出的信號調整在0～5 V之間，最終利用DSP內部的AD轉換器對此信號進行模數轉換得出傳感器線圈輸出的感應電動勢，從而根據相關的公式計算得出管道中液體的流量。具體電路圖如圖5所示。

圖5 信號調理電路

2.3 通信電路

電磁流量計輸出的流量值可以通過外接的TFT LCD屏直接顯示，還可以通過預留的RS485通信接口將數據發(fā)送到上位機中[12]。RS485電路最大的優(yōu)點是485電平與TTL電平兼容，方便與TTL電路相連；抗共模干擾能力強；數據傳輸速度快，高達10 Mbps；通信距離遠，最大為1.2 km。系統(tǒng)采用SP3485芯片進行數據通信，SP3485是一款低功耗芯片且符合RS485協(xié)議的收發(fā)器，電路圖如圖6所示。

圖6 通信電路

3 軟件設計

軟件流程圖如圖7所示。軟件采用模塊化的設計方法，主要設計了勵磁控制切換程序、PWM波產生程序、A/D轉換程序以及RS485通信程序等。系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行復位操作，利用DSP內部的定時器產生PWM波控制H橋電路中的勵磁方式，當系統(tǒng)檢測到傳感器線圈輸出的感應電動勢后，利用DSP內部的12位A/D轉換器對此信號進行模數轉換，最后根據相應算法計算出管道中被測液體的流量。

圖7 基于DSP的高頻勵磁電磁流量計軟件流程圖

4 實驗數據分析

實驗中使用管道的管徑為標準50 mm，連續(xù)檢測管道中同一點的流量，每10 min記錄一次數據，對比數據的差異，以此來判定系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性。首先對管道中的流量進行標定，利用標準流量計進行檢測，通過改變閥門開度來調整管道中液體流量，流量標定為1 m/s，此時啟動系統(tǒng)開始檢測，數據如表1所示。

表1 同一點流速測量數據

由表1測量數據可知，當管道中液體的流速恒定時，系統(tǒng)在同一點檢測到的流量基本一致，誤差在4%內，由此可見系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，符合設計預期。

在驗證完系統(tǒng)的穩(wěn)定性之后，進一步檢驗系統(tǒng)測量的準確性。通過閥門改變管道中待測液體的流速，將標準流量計檢測到的流速與系統(tǒng)測量的流速進行比較，實驗測量數據如表2所示。

表2 不同流速時系統(tǒng)測量數據

由表2測量數據可知，系統(tǒng)在測量低流速液體時(流速小于1 m/s)誤差較大，達到5%，當待測液體的流速增大時(大于1.4 m/s)，誤差逐漸減小，基本維持在3%以內。由此可見系統(tǒng)具有較高的檢測精度，尤其是當管道中的液體流速較高時，系統(tǒng)的檢測誤差不超過3%，達到了設計預期。

5 結束語

文中采用了基于能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案，通過高低壓切換勵磁的方式來實現(xiàn)對勵磁過程中恒流的控制，從而使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。MCU采用高性能數字處理器DSP TMS320F28335，提高了系統(tǒng)的采樣精度以及算法處理的速度。在測量數據顯示方面，利用TFT LCD屏直接顯示測量結果，也可以將測量數據通過RS485接口發(fā)送到上位機中。實際測試結果表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，且測量精度較高，誤差不超過5%。