高頻勵磁管道流量計的測量原理與設計
點擊次數：2597 發布時間：2021-01-03 08:52:15
摘要:針對傳統管道流量計在測量漿液流量時存在精度低、傳感器輸出波動大等缺點，設計了一種基于 DSP 的高頻勵磁管道流量計。該管道流量計采用高低壓切換勵磁方式，通過引入電流旁路來改進變送器的勵磁電路，提高勵磁頻率。利用具有高輸入阻抗的差分放大電路放大傳感器輸出信號，提高信號的信噪比，保證提取信號的精確度。實際測試結果表明:系統測量精度高，對小流速階段測量準確度明顯改善，測量誤差不超過 5%。
引言
流量檢測在工業生產、廢液監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，其中管道流量計是依據電學原理研制而成，管道流量計與其他流量計相比，具有結構簡單、測量精度高、穩定性好等特點。但管道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 的高頻勵磁管道流量計，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，系統具有體積小、便攜式以及測量精度高等優點。
1 高頻勵磁管道流量計測量原理
管道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，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:
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 高頻勵磁管道流量計硬件設計
高頻勵磁管道流量計由傳感器、高頻勵磁電路、信號處理電路等組成，其中高頻勵磁電路決定著傳感器磁場的強弱，勵磁電路的穩定性以及精確性決定著系統檢測的準確性以及穩定性。DSP 系統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測感應電動勢的大小，*后根據相應關系計算出液體的流量，系統硬件框圖如圖 1 所示。
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。其中高低壓切換恒流控制電路確保高壓或低壓情況，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。
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。V ref 作為比較器的基準輸入端，其表示勵磁電流的電壓穩態值;而 C ur 則表示 H 橋勵磁電路中檢測到的電壓信號。一開始當系統處于低壓勵磁狀態時，系統會自動斷開切換電路中的電流旁路，此時系統通過利用 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為負方向，比較器的 C ur 端與V ref 端的平衡就會發生變化，此時系統通過比較器自動切換為高壓勵磁狀態。與低壓勵磁方式相反，在此種狀態下，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 C 1 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 C 1 端的電壓下降到小于高壓源時，系統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，C ur 端電壓就會大于 V ref 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。
由圖 3 可知，I o 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 Q 1和場效應管 Q 4 的通斷;COM2 端控制三極管 Q 2 和場效應管 Q 3 的通斷。L 1 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 L 1 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，從而實現切換高低壓源達到恒流控制的目的。
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。
信號調理電路原理圖如圖 4 所示。
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。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*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，*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。
2．3 通信電路
管道流量計輸出的流量值可以通過外接的 TFTLCD 屏直接顯示，還可以通過預留的 ＲS485 通信接口將數據發送到上位機中。ＲS485 電路*大的優點是 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，*大為 1．2 km。系統采用 SP3485 芯片進行數據通信，SP3485 是一款低功耗芯片且符合ＲS485 協議的收發器，電路圖如圖 6 所示。
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。系統上電后*先執行復位操作，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，*后根據相應算法計算出管道中被測液體的流量。
4 實驗數據分析
實驗中使用管道的管徑為標準 50 mm，連續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，以此來判定系統測量的穩定性。*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，此時啟動系統開始檢測，數據如表 1 所示。
由表 1 測量數據可知，當管道中液體的流速恒定時，系統在同一點檢測到的流量基本一致，誤差在 4%內，由此可見系統具有良好的穩定性，符合設計預期。在驗證完系統的穩定性之后，進一步檢驗系統測量的準確性。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被測管道流量計測量的流速進行比較，實驗測量數據如表 2 所示。
由表 2 測量數據可知，系統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對勵磁過程中恒流的控制，從而使得系統穩定可靠運行。MCU采用高性能數字處理器 DSP TMS320F28335，提高了系統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 接口發送到上位機中。實際測試結果表明，系統具有良好的穩定性，且測量精度較高，誤差不超過 5%。
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引言
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1 高頻勵磁管道流量計測量原理
管道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，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:
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 高頻勵磁管道流量計硬件設計
高頻勵磁管道流量計由傳感器、高頻勵磁電路、信號處理電路等組成，其中高頻勵磁電路決定著傳感器磁場的強弱，勵磁電路的穩定性以及精確性決定著系統檢測的準確性以及穩定性。DSP 系統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測感應電動勢的大小，*后根據相應關系計算出液體的流量，系統硬件框圖如圖 1 所示。
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。其中高低壓切換恒流控制電路確保高壓或低壓情況，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。
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。V ref 作為比較器的基準輸入端，其表示勵磁電流的電壓穩態值;而 C ur 則表示 H 橋勵磁電路中檢測到的電壓信號。一開始當系統處于低壓勵磁狀態時，系統會自動斷開切換電路中的電流旁路，此時系統通過利用 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為負方向，比較器的 C ur 端與V ref 端的平衡就會發生變化，此時系統通過比較器自動切換為高壓勵磁狀態。與低壓勵磁方式相反，在此種狀態下，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 C 1 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 C 1 端的電壓下降到小于高壓源時，系統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，C ur 端電壓就會大于 V ref 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。
由圖 3 可知，I o 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 Q 1和場效應管 Q 4 的通斷;COM2 端控制三極管 Q 2 和場效應管 Q 3 的通斷。L 1 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 L 1 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，從而實現切換高低壓源達到恒流控制的目的。
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。
信號調理電路原理圖如圖 4 所示。
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。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*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，*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。
2．3 通信電路
管道流量計輸出的流量值可以通過外接的 TFTLCD 屏直接顯示，還可以通過預留的 ＲS485 通信接口將數據發送到上位機中。ＲS485 電路*大的優點是 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，*大為 1．2 km。系統采用 SP3485 芯片進行數據通信，SP3485 是一款低功耗芯片且符合ＲS485 協議的收發器，電路圖如圖 6 所示。
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。系統上電后*先執行復位操作，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，*后根據相應算法計算出管道中被測液體的流量。
4 實驗數據分析
實驗中使用管道的管徑為標準 50 mm，連續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，以此來判定系統測量的穩定性。*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，此時啟動系統開始檢測，數據如表 1 所示。
由表 1 測量數據可知，當管道中液體的流速恒定時，系統在同一點檢測到的流量基本一致，誤差在 4%內，由此可見系統具有良好的穩定性，符合設計預期。在驗證完系統的穩定性之后，進一步檢驗系統測量的準確性。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被測管道流量計測量的流速進行比較，實驗測量數據如表 2 所示。
由表 2 測量數據可知，系統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對勵磁過程中恒流的控制，從而使得系統穩定可靠運行。MCU采用高性能數字處理器 DSP TMS320F28335，提高了系統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 接口發送到上位機中。實際測試結果表明，系統具有良好的穩定性，且測量精度較高，誤差不超過 5%。
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