摘要:針對傳統電(dian)磁流量計 在測量(liang)漿液流量時存在(zài)精度低、傳感器輸(shū)出波動大🌈等缺點(diǎn)，設🚩計了一種基于(yú)DSP的高頻勵磁電磁(ci)流量計。該電磁流(liú)量㊙️計采用高低壓(yā)切換勵磁方式，通(tōng)過引入電流旁路(lù)來改進變送器的(de)勵磁電路，提高勵(li)磁頻率。利用具有(you)高輸入阻抗的差(chà)分放⛹🏻‍♀️大電路放大(da)傳感器輸出信号(hào)，提高信号的信噪(zao)⭐比，保證提取信号(hào)的精度。實際測試(shì)結果表明:系統測(cè)量精度高，對小流(liú)速階段測量準确(què)📱度明顯改善，測量(liàng)誤差不超過5%。
0引言(yan)
　　流量檢測在工業(ye)生産、廢液監測以(yǐ)及管道運輸等領(lǐng)域有着廣泛的應(ying)用，根據測量原理(li)不同，流量計可以(yi)大緻分爲力學、電(diàn)學、聲學、熱學、光學(xué)等類型，其中電磁(ci)流量計是依據♍電(diàn)學原🔴理研制而成(cheng)，電磁流🛀🏻量計與其(qí)他流量計相比，具(ju)有結構簡單、測量(liang)精度高、穩定性好(hǎo)等特點。但電磁流(liú)量計在測量低流(liú)速🥰、低導電率液🌈體(tǐ)時存在精度不高(gāo)等缺點，爲了克服(fu)這個缺點，研制了(le)一種基于DSP的高頻(pin)💛勵磁電磁流量計(jì)，在勵磁方式上選(xuǎn)用旁路勵磁電路(lu)與恒流控制電路(lù)相結☎️合的方式，提(ti)高了勵磁頻率以(yǐ)及能量的利用效(xiao)率。選用高性能DSPTMS320F28335來(lai)采集處理傳感💯器(qi)輸出的信号，顯著(zhe)提📐高了系統測量(liàng)時的響應速度，将(jiang)流量計算結果通(tōng)過LCD屏的方式實時(shí)顯💃🏻示，系統具有體(ti)積小、便攜式以及(jí)測量精度高等優(you)點［3］。
1高頻勵磁電磁(cí)流量計測量原理(li)
　　電磁流量計根據(jù)電磁感應定律的(de)原理來測量導電(diàn)🛀液體的流量，測量(liang)導電液體的傳感(gǎn)器中繞有線圈，通(tōng)過給線圈通電［4］，當(dang)液體流過線圈時(shí)就會切割磁感線(xian)，此時在⛹🏻‍♀️線圈的兩(liang)端會🈲産生感應電(diàn)動勢e，根據電磁學(xue)中右手法👅則可得(dé):

　　式中:B爲傳感器線(xiàn)圈産生的磁場強(qiáng)度;L爲傳感器線圈(quān)的長🧑🏾‍🤝‍🧑🏼度;v爲液體在(zai)傳感器中流動的(de)速度。
由流量計算(suàn)公式可得:

式中S爲(wei)傳感器管道的截(jié)面積。
　　由式(1)可知，當(dang)B和L已知時，隻要測(ce)得e就可以反推出(chū)v;由式(2)可知，當測得(de)v時就能計算出Q。
2高(gao)頻勵磁電磁流量(liang)計硬件設計
　　高頻(pin)勵磁電磁流量計(jì)由傳感器、高頻勵(lì)磁電路、信号💯處理(li)電路等組成［5］，其中(zhōng)高頻勵磁電路決(jue)定着傳感器💔磁場(chǎng)的強弱，勵磁電💃路(lu)的穩定性以及精(jīng)确性決定着系統(tong)檢測的準确性以(yǐ)及穩定性。DSP系統控(kòng)制勵磁電路激勵(lì)傳感器線圈，當線(xian)圈中有導電液體(ti)流過時，其切🍓割磁(ci)感線并在傳感器(qì)兩端的線圈上📐産(chan)生感應電動勢，利(li)用信号檢✌️測電路(lù)監測感應電動勢(shi)的大小，最後根據(jù)相應關系計算出(chū)液體的流✉️量，系統(tǒng)硬件框圖如✨圖1所(suǒ)示。

2．1高頻勵磁電路(lù)設計
　　高頻勵磁電(diàn)路主要由高低壓(yā)切換恒流控制電(dian)路🈲和H橋勵磁❗開關(guan)電路組成［6－7］。其中高(gāo)低壓切換恒流控(kong)🔞制電路确保高壓(ya)或低壓情況下，都(dou)可以通過H橋向勵(li)磁線圈提供恒定(ding)的電流。電💘路原理(li)圖如圖2所示。

　　如圖(tú)2所示，在對傳感器(qì)線圈進行勵磁時(shí)，通過比較🧑🏾‍🤝‍🧑🏼器控制(zhì)切換開關切換高(gāo)低壓進行勵磁［8］。Vref作(zuo)爲比較器的基準(zhǔn)輸入端，其表示🐪勵(lì)磁電流的電壓穩(wen)态值;而Cur則表示H橋(qiáo)勵磁電路中檢測(cè)到的電壓信号。一(yī)開始當系統處于(yu)低壓✔️勵磁狀态時(shi)，系統會自動斷開(kai)切換電路中的電(dian)流旁路，此時系統(tǒng)通過利用H橋向🌈勵(lì)磁線圈提供恒定(ding)電流。當勵磁方向(xiàng)變化時，電流檢測(ce)電路就會檢測到(dào)電流變爲負方向(xiàng)，比較器的Cur端與Vref端(duan)的平衡就會發生(sheng)變化，此時系統通(tōng)過比較器自動切(qiē)🍓換爲高壓勵磁狀(zhuàng)态。與低壓勵磁方(fāng)🌂式相🍉反，在此種狀(zhuàng)态下，恒流控制電(dian)路關閉而電流旁(páng)路🚶打開，線圈中的(de)能量就會存儲在(zai)能量回饋電路中(zhōng)，此時C1端的電壓會(huì)超過高⛷️壓源。等勵(li)磁線圈中的能量(liang)釋放完🏃🏻‍♂️後，電流逐(zhu)漸降爲零，此👌時能(néng)量回饋電路就會(huì)利用電流旁路和(he)H橋将能量反饋給(gěi)勵磁線圈❤️。當電容(róng)C1端的電壓下降到(dào)小于高壓源時，系(xì)統就會自動通過(guò)電流旁路和H橋直(zhí)接對勵磁線圈進(jìn)行勵磁，當勵磁線(xiàn)😍圈中的電流超過(guò)設定阈值時，Cur端電(dian)壓就會大于Vref點電(diàn)壓，此時比較器又(you)會切換成低❄️壓勵(lì)磁方式，如此反複(fu)循環控制，達到對(duì)勵磁線圈恒流控(kòng)制的目的。圖3爲H橋(qiao)勵磁控制電路。

　　由(yóu)圖3可知，Io爲高低壓(yā)切換恒流控制電(diàn)路輸出的恒流源(yuán)電流，H橋驅動的COM1端(duān)控制三極管Q1和場(chang)效應管Q4的通斷⛱️;COM2端(duan)控制三極管📱Q2和場(chang)效應管Q3的通斷。L1表(biǎo)示的是勵磁線圈(quan)(傳感🚶‍♀️器中線🏃圈)，COM1、COM2爲(wèi)正交的PWM波信号，因(yīn)此在勵磁線圈L1的(de)兩端會産生方波(bo)勵磁信号。檢流電(dian)路🌈主要是用來檢(jiǎn)測勵磁線圈中電(dian)流的變化，當線圈(quān)中的勵磁電流🏃‍♀️方(fāng)向變化時，可以及(ji)時将此信㊙️息反♻️饋(kuì)給高低👅壓切換恒(héng)流控制電路中的(de)比較器，從而實現(xian)切換高低壓源達(da)到恒流控制的目(mu)的［9］。
2．2信号調理電路(lù)
　　由于傳感器線圈(quān)輸出的電動勢信(xìn)号非常微弱，幹擾(rao)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼成📧分複雜，信号幅(fú)值受磁場變動影(yǐng)響較大，不能🌈滿足(zú)ADC采用的要求，因此(ci)需🏃‍♀️要對此信号進(jin)行調理［10］。信号調理(li)電路原💃🏻理圖如圖(tu)4所示。

　　如圖4所示，信(xìn)号調理電路由前(qian)置放大電路、濾波(bo)電㊙️路以及二❌次放(fàng)大電路組成［11］。其中(zhōng)前置放大電路主(zhu)要是🐉由AD8610組成的差(cha)分放大電路構成(cheng)，其主要是去除信(xìn)号中❤️的共模🏃🏻‍♂️幹擾(rao)并且進行第一次(ci)前置放大，前🌏置放(fang)大電🏃🏻路的放大倍(bèi)數爲15。由于有效信(xìn)🈚号的幅值很小，經(jīng)過前置放大電路(lù)後信号中還存在(zài)很多高💁頻雜波，這(zhe)些雜波會影響對(duì)後級信号的處理(li)，因此還需要對🧡前(qián)置放大電路輸出(chu)的信♈号進行低通(tong)濾波☔和二次放大(dà)。系統🔴選用二階有(you)源低🌐通濾波電路(lu)❄️濾除信号中的高(gao)頻幹擾，低通⛹🏻‍♀️濾波(bo)的截止頻率設定(dìng)在6kHz左右，選用AD817組成(chéng)的二次放大電路(lù)對👌濾波電路輸出(chū)的信号進行二次(cì)放大，将信号調理(li)電路輸出的信号(hào)調整在0～5V之間，最終(zhōng)利用DSP内部的AD轉換(huan)器對此⭕信号進行(háng)模數轉換得出傳(chuán)感器線圈輸出的(de)感應電動勢，從而(er)根據相關的公式(shi)計算得出管道中(zhōng)💃🏻液體的流量。具體(tǐ)電路圖如圖5所示(shi)。

2．3通信電路
　　電磁流(liú)量計輸出的流量(liàng)值可以通過外接(jie)的TFTLCD屏直接顯示，還(hai)🈚可以通過預留的(de)RS485通信接口将數據(jù)發送到上位機中(zhong)［12］。RS485電路最大的優點(dian)是485電平與TTL電平兼(jian)容，方便與💋TTL電路相(xiang)連;抗共模幹擾能(neng)力強;數據傳輸速(su)度快，高達10Mbps;通信距(ju)離遠，最大爲1．2km。系統(tong)采用SP3485芯片進行數(shu)據通信，SP3485是一款低(di)功耗芯片且符合(he)💞RS485協議的收發㊙️器，電(diàn)路圖如圖6所示。

3軟(ruǎn)件設計
　　軟件流程(cheng)圖如圖7所示。軟件(jian)采用模塊化的設(she)計方法，主🔆要設計(jì)了勵磁控制切換(huan)程序、PWM波産生程序(xù)、A/D轉換程序以及RS485通(tōng)信程序等。系統上(shàng)電後首先執行複(fu)位操作，利用DSP内部(bù)的定時器産生PWM波(bō)控制H橋電路中的(de)勵磁方式，當系統(tong)🚩檢測到傳感器線(xian)圈輸出的感應電(diàn)動勢後🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，利用DSP内部(bù)的12位A/D轉換器對此(ci)信号進行模數轉(zhuan)換，最後根據相應(ying)算法計算出管道(dào)中被測液體的流(liu)量。

4實驗數據分析(xī)
　　實驗中使用管道(dao)的管徑爲标準50mm，連(lian)續檢測管道中同(tong)♈一點的流量，每10min記(jì)錄一次數據，對比(bi)數據的差異，以此(cǐ)來判定系統測♉量(liang)的穩定性。首先對(duì)管道中的流量進(jin)行标定，利用标🈲準(zhun)流量計進行檢測(cè)，通過改變閥門開(kai)度來調整🐕管道中(zhōng)液體流量，流量标(biāo)定爲1m/s，此時啓動系(xì)統開始檢測，數據(ju)如表1所示。

　　由表1測(cè)量數據可知，當管(guan)道中液體的流速(sù)恒定時，系統在同(tóng)一點檢測到的流(liu)量基本一緻，誤差(chà)在4%内‼️，由此😘可見系(xì)統具有良好的穩(wen)定性，符合設計預(yu)期。
　　在驗證完系統(tǒng)的穩定性之後，進(jin)一步檢驗系統測(cè)量的準确性。通過(guò)閥門改變管道中(zhong)待測液體的流速(su)，将标準流量計檢(jian)測到的流速與系(xì)統測量的流速進(jìn)行比較，實驗測量(liang)數據如🤟表2所示。

　　由(yóu)表2測量數據可知(zhi)，系統在測量低流(liu)速液體時(流💰速小(xiǎo)于1m/s)誤差🔞較大，達到(dao)5%，當待測液體的流(liú)速增大時✌️(大于1．4m/s)，誤(wù)差逐漸減小🚶‍♀️，基本(ben)維持在3%以内。由此(ci)可見系統具有較(jiao)高的檢測精度，尤(yóu)其是當管道中的(de)液體流速較高時(shi)，系統的檢測誤差(chà)不超過3%，達到了設(she)計預期。
5結束語
　　采(cǎi)用了基于能量回(huí)饋和電流旁路的(de)高低壓勵磁控制(zhi)方案，通過高低壓(yā)切換勵磁的方式(shi)來實現對勵磁過(guò)程✨中恒流的控制(zhi)✊，從而使得系統穩(wen)定可靠運行。MCU采用(yong)高性能數字處理(lǐ)器DSPTMS320F28335，提高了系統的(de)采樣精度以及算(suan)法處理的速度。在(zài)測量數據顯示方(fang)面，利用TFTLCD屏直接顯(xiǎn)示測量結果，也可(ke)以将測量數據通(tong)過RS485接口發送到上(shàng)位機中。實際測試(shi)結果表明，系統👣具(ju)有良好的穩定☁️性(xìng)，且測量精度較高(gāo)，誤差不超過5%。

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