摘要(yao):針對(dui)現有(you)勵磁(ci)方式(shi)的缺(que)陷,提出了一種(zhong)新型(xing)的三(san)值正弦(xian)矩形波(bo)勵磁方(fang)式,采用(yong)具有16位(wei)ADC采集模塊的MSP430F4793單(dan)片機作(zuo)爲MCU,構建(jian)了(le)電磁(ci)流量(liang)計(ji) 樣(yang)機。新(xin)型勵(li)磁方式的(de)特點(dian)并介(jie)紹了(le)軟、硬件(jian)設(she)計。試驗結果表明,新(xin)型勵磁方(fang)式有(you)效地(di)提高了信(xin)号的(de)穩定性，克(ke)服了(le)矩形(xing)波勵(li)磁方式帶(dai)來的微分幹(gan)擾難題(ti),也解(jie)決了正弦(xian)波勵(li)磁中的正(zheng)交幹(gan)擾(rao)的(de)影響(xiang),減小(xiao)了測量誤(wu)差,對小(xiao)流(liu)速階段的(de)測量精度(du)改善(shan)明顯。
　　電磁流量(liang)計是随着(zhe)電子技術(shu)的應(ying)用而(er)發(fa)展起來(lai)的新(xin)型流(liu)量測(ce)量儀(yi)表,現已廣(guang)泛應(ying)用于(yu)各種(zhong)導電液體(ti)的流(liu)量測量(liang)。但(dan)是在(zai)測量以下液體(ti)時仍(reng)然存在困(kun)難:①低(di)電(dian)導率的(de)液體(ti);②低流(liu)速液體;③含有顆(ke)粒的(de)高濃(nong)度(du)漿(jiang)狀液體;④黏(nian)性液(ye)體。通(tong)過改進勵(li)磁方式來(lai)提(ti)高信噪(zao)比是解(jie)決這些(xie)問題有效方法(fa)之一.
　　激磁技術是電(dian)磁(ci)流(liu)量計(ji)中最關鍵(jian)的技術,其(qi)經(jing)曆了直(zhi)流激磁、工(gong)頻正(zheng)弦激磁、低頻矩(ju)形波(bo)激磁、三值低頻(pin)矩形(xing)波激(ji)磁、雙頻矩形波(bo)激磁(ci)等5個階段(duan)(4-51。直流激(ji)磁方式由于(yu)在(zai)小流量(liang)測量時要(yao)求信(xin)号的直流穩定(ding)度必須在(zai)幾分之一(yi)微伏之内(nei),而使(shi)得它(ta)的應用範圍受(shou)限;工(gong)頻正弦激(ji)磁方式由于(yu)電(dian)磁感(gan)應造成(cheng)幅(fu)值與(yu)頻率成正比,從(cong)而産生了(le)相位(wei)比流量信(xin)号滞(zhi)後90的正(zheng)交(jiao)幹擾(rao);低頻(pin)矩形波激(ji)磁、三(san)值(zhi)低(di)頻矩形波(bo)激磁和雙(shuang)頻矩(ju)形(xing)波(bo)激磁(ci)這三(san)種激磁方(fang)式會不(bu)同程度(du)的在(zai)電平快速(su)切換(huan)時(shi)而(er)引入(ru)微分(fen)幹擾(rao)等難(nan)題。
本文提(ti)出了一種(zhong)新型的勵(li)磁方式一三值正弦(xian)矩(ju)形(xing)波勵(li)磁方式(shi)，它不僅克服(fu)了微分幹(gan)擾的難(nan)題(ti),而且(qie)解決(jue)了正(zheng)交幹(gan)擾的影(ying)響。基于(yu)此勵磁方式,采(cai)用具有(you)16位A/D轉換(huan)模塊(kuai)的(de)MSP430F4793單片機(ji)作爲(wei)MCU，設計(ji)了一款具(ju)有(you)穩定性(xing)和測(ce)量精(jing)度的(de)電磁流量(liang)計。
1勵(li)磁方(fang)式分(fen)析
1.1測量原(yuan)理
　　電磁流(liu)量計的測(ce)量原(yuan)理爲法拉第電(dian)磁感應定律,如(ru)圖1所示(shi)。當(dang)流體(ti)在管(guan)道内(nei)流過一個(ge)橫(heng)向(xiang)磁場(chang)B的時候(hou),相(xiang)當于(yu)有一(yi)定電(dian)導率(lü)的導體在(zai)切割(ge)磁力線,形成電(dian)動勢(shi)E,其大(da)小與磁場(chang)B、流速和管(guan)徑D成正(zheng)比,如公式(1):

　　其(qi)中(zhong)B?D爲流(liu)速信(xin)号,即真實(shi)測量值。dB/dt爲微分(fen)千擾,它主(zhu)要源于變壓器效應(ying)其大小與(yu)流量無關(guan),即使(shi)是在(zai)流速等于(yu)零,沒(mei)有流量信号感(gan)應[14]的情況下也(ye)會存(cun)在,是電磁(ci)流量(liang)計(ji)的主要(yao)幹擾(rao)D2B/dt2爲(wei)同相幹(gan)擾,是(shi)微分幹擾(rao)的二次(ci)微(wei)分得(de)到的(de),所(suo)以(yi)隻要(yao)盡量(liang)降低(di)微分(fen)幹擾(rao)，同(tong)相(xiang)幹擾(rao)也會(hui)降(jiang)低。ec、ed和ez分(fen)别是(shi)共(gong)模(mo)幹擾、串模(mo)幹(gan)擾和直(zhi)流極(ji)化電壓，均(jun)爲電磁流量計(ji)的次要(yao)幹(gan)擾源(yuan)
1.2三值正弦矩形(xing)波勵(li)磁方(fang)式
　　對于當(dang)前(qian)廣泛應(ying)用的矩形波勵(li)磁方式來說,由(you)于正(zheng)負(fu)值勵磁狀态(tai)的瞬(shun)間跳(tiao)變,造成在(zai)切換(huan)點的(de)磁(ci)場變化(hua)率dB/dt趨于無(wu)窮大波形(xing)上(shang)表(biao)現爲(wei)一個尖峰),形成(cheng)的微分幹擾極(ji)大,足以使(shi)得前級放(fang)大器達到(dao)飽和，導(dao)緻信号(hao)穩定性的降低(di),信号(hao)如圖(tu)3(a)所示(shi)。

　　對當(dang)前矩(ju)形波(bo)勵磁(ci)方式(shi)改(gai)進(jin)後提(ti)出了(le)一種新型(xing)的三(san)值正(zheng)弦矩(ju)形波勵磁(ci)方式(shi),波形(xing)如圖2所示(shi)，數學(xue)表達式如(ru)式(2)。

　　式中k爲(wei)自然(ran)數,T爲一個波形(xing)周期。在(zai)零值與(yu)正、負電平(ping)的切(qie)換過(guo)程中加入(ru)了正弦波(bo)段作爲過渡(du),使得勵(li)磁信号(hao)變(bian)得相(xiang)對平滑。選取的(de)正弦波上(shang)升沿(yan)、平台(tai)、正弦波下(xia)降沿和(he)零值的時間(jian)比(bi)爲(wei)1：2：1：1。
　　0-T/2這段(duan)正弦波_上(shang)升沿(yan)可知(zhi)，波形(xing)段内(nei)的磁(ci)場變(bian)化率(lü)dB/dt=(2π?)4cos(?t-π/2)/2,是連(lian)續平穩變(bian)化的,幅值在0-π?A之間，其中(zhong)?爲勵磁(ci)頻率。端點(dian)a右側(ce)dB/dt=A?cos(-π/2)/2=0,左側(ce)磁場(chang)變化(hua)率爲(wei)0,兩者(zhe)相等(deng)。端點(dian)b右側(ce)dB/dt=0,左側(ce)dB/dt=A?cosπ/2)/2=0，亦相等。因此,在兩端(duan)點處的磁(ci)場變(bian)化(hua)率(lü)也是(shi)連續的,沒(mei)有發(fa)生跳(tiao)變。同(tong)理推(tui)得,整(zheng)個周期内(nei)其餘正弦(xian)波段的磁(ci)場變化率(lü)都是連續的,這樣就(jiu)有效(xiao)地降(jiang)低了微分幹擾(rao),抑制(zhi)了尖(jian)峰,提(ti)升了信(xin)号的穩定性(xing),使得(de)電磁(ci)流量計在小流(liu)速測(ce)量階段也(ye)能夠達到(dao)較好的測(ce)量精(jing)度。
　　在(zai)正、負勵磁(ci)波段(duan),由于(yu)磁(ci)場(chang)強度(du)恒定,微分幹擾(rao)和同相(xiang)幹擾都(dou)很微弱,所以在這個(ge)階段(duan)對感(gan)應電(dian)動(dong)勢(shi)進行(hang)采樣(yang),能夠取得(de)較爲(wei)穩定的幅(fu)值，從而提(ti)高了(le)測量(liang)的精(jing)度。同時,利(li)用零值勵(li)磁階段的(de)電極(ji)信号(hao)來(lai)動态補(bu)償在正、負(fu)勵磁階段的感(gan)應電(dian)動勢(shi)信号中的零點(dian)部分,減小(xiao)了零點(dian)漂(piao)移,增(zeng)加了(le)零點(dian)穩定(ding)性。

　　考慮(lü)到(dao)工頻幹(gan)擾，波(bo)形的(de)周期(qi)要爲工頻(pin)周期(qi)的[17]整數(shu)倍(bei),而我國的(de)市電工頻(pin)幹擾的頻率爲50Hz，所以選(xuan)取頻率(lü)?爲5Hz的(de)波(bo)形(xing),這樣(yang)在一(yi)個(ge)200ms的(de)周期(qi)内工(gong)頻(pin)幹擾的(de)正負面(mian)積相等(deng),平均值等(deng)于零(ling),工頻(pin)幹(gan)擾得到(dao)了有效的克服(fu)。采用(yong)三(san)值正弦(xian)波勵磁方式後(hou),經過信(xin)号處理(li)電路得到(dao)的流(liu)量信号(hao)如(ru)圖3(b)。
2硬(ying)件系統
21硬(ying)件電(dian)路總(zong)體(ti)設(she)計
　　三(san)值正弦矩(ju)形波(bo)勵磁(ci)的電磁流(liu)量計(ji)的硬(ying)件部分主(zhu)要(yao)由傳感(gan)器、電源(yuan)電路、勵(li)磁電路、流(liu)量信(xin)号處理電路、MCU、液晶和(he)鍵盤(pan)等模(mo)塊構成(cheng)。硬(ying)件總(zong)體結(jie)構圖如圖(tu)4所示。其中(zhong)傳感器直(zhi)接(jie)由廠家(jia)制作(zuo),這裏不做詳細(xi)介(jie)紹。電源(yuan)電路提(ti)供(gong)+24V、+12V、+5V以及3.3V。

22勵磁(ci)電路(lu)
　　勵磁(ci)系統(tong)決定着傳(chuan)感器的工(gong)作磁(ci)場,是轉(zhuan)換(huan)電路(lu)中非(fei)常重(zhong)要的(de)部分。勵(li)磁(ci)電路(lu)由兩(liang)部分(fen)構成(cheng)，如圖5所(suo)示(shi)。

　　其中(zhong),電路(I)是由(you)4隻光(guang)耦和2片(pian)場效應(ying)管RF7343(每(mei)片(pian)中有一(yi)隻N溝(gou)道和一隻(zhi)P溝道(dao)型的場效(xiao)應管(guan))組成(cheng)的橋式開(kai)關(guan)電路。通(tong)過兩路控(kong)制信(xin)号CtrlA和Ctrl_B的(de)高(gao)低電(dian)平來控(kong)制場效應管(guan)的通(tong)斷,從(cong)而實現了(le)勵磁(ci)線圈(quan)中電(dian)流方(fang)向的切換。電路(lu)(I)是由一(yi)片運算(suan)放大器OP07.-隻(zhi)NPN型三極管S9013、一(yi)隻NPN型三(san)極管(guan)TIP122和4隻399采樣(yang)電阻(zu)組成的恒(heng)流源。由MCU的定時(shi)器脈(mo)沖(chong)寬度調(diao)制(PWM)輸(shu)出經(jing)過RC電(dian)路濾波後來控(kong)制流過勵(li)磁線(xian)圈的(de)電流(liu)I從而(er)産生三值(zhi)正弦(xian)矩形(xing)波。
2.3信号處(chu)理及采集(ji)電路
　　電極(ji)輸(shu)出的感(gan)應電動(dong)勢(shi)信号(hao)(微伏至毫伏級(ji)的交(jiao)變信(xin)号)首(shou)先經(jing)過RC電路濾(lü)除部分高(gao)頻幹擾信(xin)号(hao),然後送(song)入儀(yi)用(yong)放大器(qi)AD620進行差(cha)分(fen)放大(da),但是(shi)由(you)于(yu)幹擾(rao)成份(fen)較多,且有(you)的幹擾信(xin)号幅(fu)值遠(yuan)大于信号(hao)本身(shen),因(yin)此AD620的增(zeng)益不(bu)宜設置得(de)過大(da)，10~20倍爲佳。流(liu)量信号經(jing)過AD620放(fang)大後(hou),采用單端輸出(對地電壓(ya))方式後通(tong)過電容隔直,濾(lü)去了(le)直流分量,僅保(bao)留信号(hao)的(de)交流(liu)分量(liang)。由(you)于(yu)測量(liang)電路(lu)器件本身(shen)存在噪(zao)聲(sheng)以及(ji)其他(ta)幹擾,特别(bie)是50Hz的工頻(pin)幹擾(rao),有必(bi)要對信号(hao)再次濾波(bo),在此(ci)選取(qu)了雙(shuang)T帶阻(zu)濾波(bo),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(ba)正負(fu)交變(bian)的信(xin)号(hao)進行電(dian)壓平(ping)移(yi),即整體(ti)提升信(xin)号幅值(zhi),使之都爲(wei)正值後送(song)入MCU的ADC引腳(jiao)。

2.4單片機系(xi)統
　　采(cai)用電磁流(liu)量計(ji)的MCU,與顯示(shi)模塊(kuai)和鍵(jian)盤(pan)模塊共(gong)同構成(cheng)單片機(ji)系統(tong)。MSP430F4793片(pian)内含2個(ge)16位定(ding)時器(qi),每個定時(shi)器各帶3個(ge)捕獲此較存儲器和(he)PWN輸出功能(neng);3路具(ju)有可(ke)編程(cheng)增益(yi)放大(PGA)功能(neng)的高精度(du)16位?-△型(xing)ADC;RAM爲25KB,FLASH存儲器多達(da)60KB，并且擁有(you)4個通用同步(bu)異步通(tong)信接(jie)口。
3軟(ruan)件系(xi)統
　　電(dian)磁流(liu)量計(ji)有四種工(gong)作模(mo)式:标定模式、測(ce)量模(mo)式、測(ce)試模(mo)式和空管檢測(ce)模式。儀(yi)表上電後,程序(xu)完(wan)成一(yi)系列初始(shi)化,随後便(bian)進入測量(liang)模式(shi)開始(shi)正常(chang)工作(zuo)。配合液晶(jing)菜單(dan)顯(xian)示(shi),用戶(hu)可以(yi)通過按鍵(jian)操作(zuo)來(lai)選(xuan)擇其他工作(zuo)模(mo)式,操(cao)作簡便(bian)。
　　定(ding)時器(qi)1用于(yu)産生三值(zhi)正弦矩形(xing)波，流(liu)程圖(tu)如圖7所示(shi)。程序中設(she)置兩(liang)個有(you)32個(ge)元(yuan)素的(de)數組(zu)分别(bie)存放用于(yu)生(sheng)成正弦(xian)波上升沿和下降沿(yan)的占空比(bi)數據,依次(ci)使用(yong)這些值(zhi)來設置(zhi)定時器的(de)TM1__OCAR寄存(cun)器,控(kong)制PWM輸出的(de)占空(kong)比,進而控制RC濾波電(dian)路輸(shu)出的電(dian)壓大小,最終得到設計(ji)的波形。

　　流(liu)量信(xin)号AD采(cai)集程序流(liu)程如圖(tu)8所示。以10個周(zhou)期爲-一個(ge)測量過(guo)程(cheng),在每(mei)個周(zhou)期(qi)的高、低(di)電平勵磁(ci)段各(ge)采集(ji)40個采樣點(dian)，并在兩個(ge)零值勵磁(ci)段各采樣(yang)20點作(zuo)爲(wei)相對零點,求(qiu)得(de)平均值(zhi)後換(huan)算得(de)到E正(zheng)、E負、E零(ling)1和(he)E零2共4個(ge)電勢平均值。将(jiang)E負與(yu)E零1的(de)差值(zhi)作爲(wei)勵磁(ci)電流正向(xiang)時對應的(de)流量信(xin)号,E負與(yu)E零2的差(cha)值(負值(zhi))作爲反向(xiang)流量信号(hao)。最(zui)後把兩(liang)個差(cha)值相(xiang)減作爲流量信号,所(suo)以流(liu)量(liang)信(xin)号的(de)計算(suan)公式爲:
E=(E正(zheng)-E零1)-(E負(fu)-E零2)(3)
　　其(qi)中,采(cai)樣時(shi)使(shi)用(yong)了ADC的(de)前置(zhi)可編程增(zeng)益放(fang)大器(qi)模塊(kuai),放大倍數(shu)爲1~32範(fan)圍内的2的(de)倍數(shu),對輸(shu)入(ru)到(dao)ADC引腳(jiao)的流(liu)量(liang)信(xin)号進(jin)行動态調(diao)整。當(dang)輸入(ru)電(dian)壓很小(xiao)時,增(zeng)加PGA的(de)放大(da)倍數(shu);而當幅值(zhi)過大時，則(ze)減小(xiao)PGA的放大倍(bei)數，這(zhe)樣就使(shi)測(ce)得的AD值盡量在量程(cheng)範圍的(de)中(zhong)間區(qu)域，從而減小了(le)AD采集本身的誤(wu)差,進--步(bu)提高了(le)流量信(xin)号的采樣精度。

4試驗(yan)結(jie)果及(ji)分析
　　試(shi)驗所用(yong)傳感器(qi)的(de)内徑(jing)爲50mm,采(cai)用标準計(ji)量罐進(jin)行(hang)标定(ding)。對矩形(xing)波(bo)勵磁(ci)方式和(he)三值正弦矩(ju)形(xing)波勵磁(ci)方式進行(hang)對比試驗(yan),兩者均采(cai)用5Hz勵磁(ci)頻(pin)率,實(shi)驗數(shu)據(ju)如表1所(suo)示。從(cong)試驗(yan)結果(guo)可以(yi)看(kan)出,兩者(zhe)在一定的流速(su)範圍(大(da)于(yu)20m3/h)内測(ce)量精(jing)度都可以(yi)達到(dao)士3%以内,但(dan)在小流速(su)(小于2.0m3/h)測量(liang)時，矩(ju)形波(bo)勵磁方式的誤(wu)差随(sui)着(zhe)流(liu)量的(de)減小迅速增大,在标定(ding)流量爲(wei)0.3m3/h時達到了(le)13%,如此大的(de)誤(wu)差是無(wu)法接(jie)受的。與之(zhi)相比(bi),三(san)值(zhi)正弦(xian)矩形(xing)波的(de)測量(liang)誤差(cha)雖(sui)然(ran)有所(suo)上升但控(kong)制在±5%以内(nei),明顯(xian)好于(yu)矩形(xing)波(bo)勵(li)磁。試(shi)驗證明,新型的(de)三值(zhi)正弦(xian)矩形(xing)波勵(li)磁方式能(neng)夠更爲有(you)效地(di)消除(chu)微分(fen)幹擾(rao)和同(tong)相(xiang)幹(gan)擾,從(cong)而顯(xian)著地(di)提高(gao)了電(dian)磁流(liu)量計(ji)在小(xiao)流(liu)速測量(liang)階段的(de)精度。


5結(jie)論
　　采(cai)用(yong)新型的(de)三值正弦矩形勵磁(ci)方(fang)式增進(jin)了信号的穩定(ding)性,加強(qiang)了電磁(ci)流量計在(zai)工作過程中的(de)抗幹(gan)擾能力,特(te)别是(shi)提高(gao)了小流速(su)階段(duan)的(de)測(ce)量精(jing)度。MCU采(cai)用MSP430F4793提(ti)高了(le)采樣(yang)精度(du),簡化(hua)了電(dian)路,降低了(le)功耗(hao)。用戶(hu)通過(guo)鍵盤(pan)和菜單來(lai)選擇工作(zuo)模式,完成(cheng)各項參數(shu)設置(zhi)，界(jie)面簡潔(jie)美觀，操作簡單(dan)方便。系(xi)統(tong)運行穩定(ding),測量精度(du)較高，具有(you)較好的推(tui)廣應用價(jia)值。

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