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基于DSP的高频励磁电磁流量计设计
发布时间:2020-2-21 14:56:26

摘要:针对传统电磁流量计在测量浆液流量时存在精度低、传感器输出波动大等缺点,设计了一种基于DSP的高频励磁电磁流量计。该电磁流量计采用高低压切换励磁方式,通过引入电流旁路来改进变送器的励磁电路,提高励磁频率。利用具有高输入阻抗的差分放大电路放大传感器输出信号,提高信号的信噪比,保证提取信号的精确度。实际测试结果表明:系统测量精度高,对小流速阶段测量准确度明显改善,测量误差不超过5%。
0引言
  流量检测在工业生产、废液监测以及管道运输等领域有着广泛的应用,根据测量原理不同,流量计可以大致分为力学、电学、声学、热学、光学等类型,其中电磁流量计是依据电学原理研制而成,电磁流量计与其他流量计相比,具有结构简单、测量精度高、稳定性好等特点[1-2]。但电磁流量计在测量低流速、低导电率液体时存在精度不高等缺点,为了克服这个缺点,本文研制了一种基于DSP的高频励磁电磁流量计,在励磁方式上选用旁路励磁电路与恒流控制电路相结合的方式,提高了励磁频率以及能量的利用效率。本文选用高性能DSPTMS320F28335来采集处理传感器输出的信号,显著提高了系统测量时的响应速度,将流量计算结果通过LCD屏的方式实时显示,系统具有体积小、便携式以及测量精度高等优点[3]。
1高频励磁电磁流量计测量原理
  电磁流量计根据电磁感应定律的原理来测量导电液体的流量,测量导电液体的传感器中绕有线圈,通过给线圈通电[4],当液体流过线圈时就会切割磁感线,此时在线圈的两端会产生感应电动势e,根据电磁学中右手法则可得:

  式中:B为传感器线圈产生的磁场强度;L为传感器线圈的长度;v为液体在传感器中流动的速度。
由流量计算公式可得:

式中S为传感器管道的截面积。
  由式(1)可知,当B和L已知时,只要测得e就可以反推出v;由式(2)可知,当测得v时就能计算出Q。
2高频励磁电磁流量计硬件设计
  高频励磁电磁流量计由传感器、高频励磁电路、信号处理电路等组成[5],其中高频励磁电路决定着传感器磁场的强弱,励磁电路的稳定性以及精确性决定着系统检测的准确性以及稳定性。DSP系统控制励磁电路激励传感器线圈,当线圈中有导电液体流过时,其切割磁感线并在传感器两端的线圈上产生感应电动势,利用信号检测电路监测感应电动势的大小,最后根据相应关系计算出液体的流量,系统硬件框图如图1所示。

2.1高频励磁电路设计
  高频励磁电路主要由高低压切换恒流控制电路和H桥励磁开关电路组成[6-7]。其中高低压切换恒流控制电路确保高压或低压情况下,都可以通过H桥向励磁线圈提供恒定的电流。电路原理图如图2所示。

  如图2所示,在对传感器线圈进行励磁时,通过比较器控制切换开关切换高低压进行励磁[8]。Vref作为比较器的基准输入端,其表示励磁电流的电压稳态值;而Cur则表示H桥励磁电路中检测到的电压信号。一开始当系统处于低压励磁状态时,系统会自动断开切换电路中的电流旁路,此时系统通过利用H桥向励磁线圈提供恒定电流。当励磁方向变化时,电流检测电路就会检测到电流变为负方向,比较器的Cur端与Vref端的平衡就会发生变化,此时系统通过比较器自动切换为高压励磁状态。与低压励磁方式相反,在此种状态下,恒流控制电路关闭而电流旁路打开,线圈中的能量就会存储在能量回馈电路中,此时C1端的电压会超过高压源。等励磁线圈中的能量释放完后,电流逐渐降为零,此时能量回馈电路就会利用电流旁路和H桥将能量反馈给励磁线圈。当电容C1端的电压下降到小于高压源时,系统就会自动通过电流旁路和H桥直接对励磁线圈进行励磁,当励磁线圈中的电流超过设定阈值时,Cur端电压就会大于Vref点电压,此时比较器又会切换成低压励磁方式,如此反复循环控制,达到对励磁线圈恒流控制的目的。图3为H桥励磁控制电路。

  由图3可知,Io为高低压切换恒流控制电路输出的恒流源电流,H桥驱动的COM1端控制三极管Q1和场效应管Q4的通断;COM2端控制三极管Q2和场效应管Q3的通断。L1表示的是励磁线圈(传感器中线圈),COM1、COM2为正交的PWM波信号,因此在励磁线圈L1的两端会产生方波励磁信号。检流电路主要是用来检测励磁线圈中电流的变化,当线圈中的励磁电流方向变化时,可以及时将此信息反馈给高低压切换恒流控制电路中的比较器,从而实现切换高低压源达到恒流控制的目的[9]。
2.2信号调理电路
  由于传感器线圈输出的电动势信号非常微弱,干扰成分复杂,信号幅值受磁场变动影响较大,不能满足ADC采用的要求,因此需要对此信号进行调理[10]。信号调理电路原理图如图4所示。

  如图4所示,信号调理电路由前置放大电路、滤波电路以及二次放大电路组成[11]。其中前置放大电路主要是由AD8610组成的差分放大电路构成,其主要是去除信号中的共模干扰并且进行第一次前置放大,前置放大电路的放大倍数为15。由于有效信号的幅值很小,经过前置放大电路后信号中还存在很多高频杂波,这些杂波会影响对后级信号的处理,因此还需要对前置放大电路输出的信号进行低通滤波和二次放大。系统选用二阶有源低通滤波电路滤除信号中的高频干扰,低通滤波的截止频率设定在6kHz左右,选用AD817组成的二次放大电路对滤波电路输出的信号进行二次放大,将信号调理电路输出的信号调整在0~5V之间,最终利用DSP内部的AD转换器对此信号进行模数转换得出传感器线圈输出的感应电动势,从而根据相关的公式计算得出管道中液体的流量。具体电路图如图5所示。

2.3通信电路
  电磁流量计输出的流量值可以通过外接的TFTLCD屏直接显示,还可以通过预留的RS485通信接口将数据发送到上位机中[12]。RS485电路最大的优点是485电平与TTL电平兼容,方便与TTL电路相连;抗共模干扰能力强;数据传输速度快,高达10Mbps;通信距离远,最大为1.2km。系统采用SP3485芯片进行数据通信,SP3485是一款低功耗芯片且符合RS485协议的收发器,电路图如图6所示。

3软件设计
  软件流程图如图7所示。软件采用模块化的设计方法,主要设计了励磁控制切换程序、PWM波产生程序、A/D转换程序以及RS485通信程序等。系统上电后首先执行复位操作,利用DSP内部的定时器产生PWM波控制H桥电路中的励磁方式,当系统检测到传感器线圈输出的感应电动势后,利用DSP内部的12位A/D转换器对此信号进行模数转换,最后根据相应算法计算出管道中被测液体的流量。

4实验数据分析
  实验中使用管道的管径为标准50mm,连续检测管道中同一点的流量,每10min记录一次数据,对比数据的差异,以此来判定系统测量的稳定性。首先对管道中的流量进行标定,利用标准流量计进行检测,通过改变阀门开度来调整管道中液体流量,流量标定为1m/s,此时启动系统开始检测,数据如表1所示。

  由表1测量数据可知,当管道中液体的流速恒定时,系统在同一点检测到的流量基本一致,误差在4%内,由此可见系统具有良好的稳定性,符合设计预期。
  在验证完系统的稳定性之后,进一步检验系统测量的准确性。通过阀门改变管道中待测液体的流速,将标准流量计检测到的流速与系统测量的流速进行比较,实验测量数据如表2所示。

  由表2测量数据可知,系统在测量低流速液体时(流速小于1m/s)误差较大,达到5%,当待测液体的流速增大时(大于1.4m/s),误差逐渐减小,基本维持在3%以内。由此可见系统具有较高的检测精度,尤其是当管道中的液体流速较高时,系统的检测误差不超过3%,达到了设计预期。
5结束语
  文中采用了基于能量回馈和电流旁路的高低压励磁控制方案,通过高低压切换励磁的方式来实现对励磁过程中恒流的控制,从而使得系统稳定可靠运行。MCU采用高性能数字处理器DSPTMS320F28335,提高了系统的采样精度以及算法处理的速度。在测量数据显示方面,利用TFTLCD屏直接显示测量结果,也可以将测量数据通过RS485接口发送到上位机中。实际测试结果表明,系统具有良好的稳定性,且测量精度较高,误差不超过5%。

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