基于低頻正弦波勵磁方式的電磁流量計設計
基于低頻正弦波勵磁方式的電磁流量計設計
摘.. 要: 提出了一種采用低頻正弦波勵磁方式的電磁流量計的設計方法, 并采用新型的信號處理方法使其比傳統的信號處理方法更加簡便可靠。實驗表明: 低頻正弦波勵磁方式在小流速階段, 可以減弱微分干擾的影響, 提高流量計零點穩定性和測量準確度。
關鍵詞: 電磁流量計; 低頻正弦波勵磁; MSP430F449單片機
0.. 引.. 言
電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律的一種測量導電性液體體積流量的儀表。它能夠測量多種形狀流道內導電液體的流速和流量, 在電磁流量計中, 傳感器的工作磁場是由勵磁系統產生的, 傳感器中的勵磁電流波形與工作磁場強度波形基本一致, 所以, 勵磁方式就決定了傳感器工作磁場特征和電磁流量計的抗力大小與零點穩定性能的好壞。目前, 電磁流量計主要采用低頻矩形波勵磁方式和低頻三值矩形波勵磁方式[1] 。本文在總結現有勵磁方法的基礎上, 提出了采用低頻正弦波勵磁方式, 并采用新型的信號處理方法以提高流量計零點穩定性和測量準確度。
1.. 電磁流量計硬件系統設計基于低頻正弦波勵磁的電磁流量計硬件系統主要由勵磁電路、信號處理電路和單片機系統三部分組成[ 2] , 其系統框圖如圖1所示。
1. 1.. 勵磁電路勵磁電路由低頻正弦波勵磁信號產生電路和勵磁信號功率放大電路兩部分組成。低頻正弦波勵磁信號產生部分圖1.. 電磁流量計系統框圖Fig 1.. B lock diagram of electromagnetic flowmeter system 采用16 位D /A 轉換芯片DAC7731 通過電平轉換芯片SN74AH C245與M SP430F449單片機的USART通信模塊相連的方式產生勵磁信號。DAC7731輸出量程為- 5~ + 5V, 內部參考電壓10V, USART為四線SPI主機模式。此勵磁信號產生電路, 通過MSP430單片機的定時器進行分頻, 可軟件編程修改勵磁頻率, 為電磁流量計選擇不同的勵磁頻率提供了更大的方便[ 3] 。功率放大電路部分采用互補對稱式功率放大電路。通過運算放大器對勵磁信號電壓放大, 兩級互補對稱功率放大電路對勵磁信號電流放大, 放大后的信號輸入電磁流量計勵磁線圈作為勵磁電壓。
1. 2.. 信號處理電路
智能電磁流量計是法拉第電磁感應定律的具體應用。導電流體在磁場中流動切割磁力線, 產生感應電動勢。此感應電動勢是一個微弱的交變信號, 在實際測量中基本上可以測出1m / s流速對應為0. 1mV 感應電動勢, 且此信號內阻高, 為M.. 級, 同時噪聲信號多, 尤其為50H z工頻干擾, 幅值遠遠大于流量的感應電動勢信號[ 4]。根據感應電動勢信號的特點, 信號處理電路是測量系統中的關鍵部分, 它是傳感器和單片機之間的橋梁, 作用是將傳感器的感知電動勢信號(微伏至毫伏級的低頻正弦波勵磁信號)經過放大、濾波、相乘等處理, 轉變為A /D 采樣可接收的信號, 并通過對這個采樣信號的計算可得到流速信息, 其電路單元框圖如圖2所示。圖2.. 信號處理電路框圖F ig 2.. B lock d iagram o f signal processing circuit
信號通道位于乘法電路之前, 其作用是將弱信號放大到足夠大的電平, 兼有抑制和濾除部分干擾和噪聲的功能。它由前置放大電路、高通濾波電路、放大電路組成。放大后的信號進入接下來的乘法器, 乘法器采用四象限高速高精度乘法器芯片AD538AD, AD538AD具有很高的差分輸入阻抗, 不需外接阻抗變換電路[ 5] 。放大后的信號與線圈反饋回來的信號通過硬件乘法器相乘, 輸出乘積信號。由于M SP430單片機為單極性電源供電, 因此, 片內A /D 電壓輸入也為單極性輸入, 即0~ 3. 3 V, 而乘法器AD538AD 輸出的信號為雙極性信號, 因此, 必須經過電平提升電路而將信號轉換為單極性信號。電平提升電路包括兩部分: 第1部分完成的功能是把輸入信號加1. 6V后反相輸出, 第2部分把反相輸出的信號再進行反相。這樣就使最初輸入的信號提升了1. 6V, 這樣就能進入接下來的A /D進行采樣。
1. 3.. 單片機系統
本測量系統采用TI公司的M PS430F449單片機作為電磁流量計CPU, 與晶振輸入模塊、復位電路、顯示模塊和鍵盤模塊共同構成單片機系統。MSP430F449 超低功耗微處理器是TI公司推出的一種新型單片機。它具有16位精簡指令結構, 內含12 位快速A /D, 60k 字節FLASH ROM, 2 k字節RAM, 片內資源豐富, 有ADC, PWM, 若干TIMER, 串行口, 看門狗定時器等。單片機系統的復位電路使用的是將RST /NM I引腳電壓拉低到GND, 然后釋放, 從而引起系統復位的方法。系統的鍵盤模塊采用獨立按鍵式鍵盤。由3個獨立按鍵分別與3 只上拉電阻共同和M SP430F449 的P1. 1, P1. 2和P1. 3相連, 并將這3個端口設置為上升沿中斷使能的方式, 利用中斷處理程序來判斷鍵盤輸入[ 6] 。
2.. 系統軟件設計
系統軟件由主程序、鍵盤菜單處理、定時器中斷、低頻正弦波勵磁信號產生、A /D采樣、LCD顯示等部分組成。系統主程序流程圖如圖3所示。圖3.. 系統主程序流程圖F ig 3.. F low chart of system.. smain program .. .. 從流程圖中可以看出: 系統軟件是通過對連續等間隔采集來的800個點求平均值來達到濾波目的的, 即得到直流分量。這800個點采到的數據都保存在一個數組當中, 每采到一個新的點, 就在這個數組當中對最老的點進行替換, 數組中保存的都是的采樣點, 而對于這些點的求和則采用逐點法求得, 即除了最開始采集的800 個數據需要做一次求和以外, 后面只要把這個和減去的點的數據再加上的點的數據就可得到當前的的800個數據之和(每采集一個新的點, 就得到一個新的和)。然后, 對每一次求得的和作平滑處理, 求這800個點的平均值作為直流分量。平滑處理的目的是為了使得到的數據更加穩定, 不會因為偶爾的誤差或者波動出現顯示的跳變。對經過平滑處理的和除以800求得的平均值才認為就是軟件濾波得到的直流分量。
3.. 實驗結果
實驗所用電磁流量傳感器的測量管徑為40mm, 實驗介質為水, 操作溫度為室溫。此裝置標定流量為16m3 /h, 采用標準計量罐進行標定[ 7]。本實驗在對信號采樣方式*一樣的前提下, 比較不同頻率的勵磁對測量精度的影響。從表1對比實驗數據中可以看出: 在不同的勵磁頻率下, 在較高流速(大于1. 6m / s )下測量誤差沒有明顯的差別, 但在小流速(小于0. 6m / s) 情況下, 5H z勵磁頻率下的測量信號誤差最小, 其次是10H z的信號, 15H z與30H z勵磁頻率下的信號精度最差。說明在較低勵磁頻率下的零點穩定性會更好, 會有更高的測量準確度, 尤其是在小流速測量中, 零點越穩定測量精度也會越高。
表1.. 對比實驗數據Tab 1.. D atas of contra st experiment 標定流量(m3 /h) 標定流速(m /s) 5H z正弦波流量( m3 / h) 相對誤差(% ) .. 10Hz正弦波流量(m3 / h) 相對誤差(% ) .. 15Hz正弦波流量(m3 / h) 相對誤差(% ) .. 20Hz正弦波流量(m3 /h) 相對誤差(% ) 16 3. 537 16. 122 0. 76 .. 16. 136 0. 85 .. 15. 969 - 0. 19 .. 16. 026 0. 16 14 3. 095 14. 094 0. 67 .. 14. 056 0. 40 .. 13. 869 - 0. 94 .. 14. 225 1. 61 12 2. 653 12. 213 1. 78 .. 12. 035 0. 29 .. 11. 975 - 0. 21 .. 12. 196 1. 63 10 2. 211 10. 226 2. 26 .. 10. 230 2. 30 .. 10. 132 1. 32 .. 10. 051 0. 51 8 1. 768 7. 773 - 2. 84 .. 8. 036 0. 45 .. 7. 869 - 1. 64 .. 7. 798 - 2. 53 6 1. 326 5. 986 - 0. 23 .. 6. 052 0. 87 .. 6. 221 3. 68 .. 6. 021 0. 04 4 0. 884 3. 966 0. 85 .. 4. 048 1. 20 .. 4. 125 3. 13 .. 4. 031 0. 78 2 0. 442 1. 954 - 2. 30 .. 2. 056 2. 80 .. 1. 933 3. 35 .. 2. 086 4. 30 1 0. 221 0. 966 - 3. 40 .. 1. 037 3. 70 .. 1. 041 4. 10 .. 1. 047 4. 70
4.. 結束語
本系統通過軟硬件協同設計, 實現了用戶通過鍵盤設置改變勵磁頻率和高低零值勵磁段時間比。在流速較小, 測量準確度要求高的情況下選用較低的勵磁頻率, 以保證更好的零點穩定性和測量準確度, 在流速較大, 測量實時性要求高的情況下選用較高的勵磁頻率, 以保證電磁流量計的響應速度。比單一勵磁頻率的電磁流量計在滿足不同測量要求方面取得了一定的突破。
參考文獻:
[ 1] .. 陳.. 玲. 新型流量測量儀表的應用和發展[ J]. 傳感器與微系統, 2007, 26 ( 6) : 8- 11.
[ 2 ] .. 王.. 儉, 張宏建, 周洪亮. M SP430F149單片機在新型電磁流量計中的應用[ J] . 機電工程, 2006, 23( 6 ): 20- 21.
[ 3] .. 孫同明. 可編程勵磁在現代流量計中的應用研究[ J] . 微計算機信息, 2007, 23( 4) : 145- 147.
[ 4] .. 趙.. 忻, 趙.. 輝. 電磁流量計前置放大電路的設計與分析[ J] . 自動化與儀表, 2008( 1) : 11 - 13.
[ 5] .. 鄧.. 健, 楊志成, 劉.. 茜, 等. 基于AD538AD 乘法器的高精度溫度測量儀的設計與實現[ J]. 儀表技術, 2008 ( 9) : 39 - 40.
[ 6] .. 胡大可. M SP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M ] . 北京: 北京航空航天大學出版社, 2001: 4- 40.
[ 7] .. 胡長嶺, 張乃祿, 張家田. 流量計標定系統[ J] . 油氣田地面工程, 2007, 26( 5) : 40.--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：
