e+h基于DSP的高频励磁电磁流量计设计_江苏西源仪表科技有限公司

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e+h基于DSP的高频励磁电磁流量计设计
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 
是依据电学原理研制而成,E+H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。但E+H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E+H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 DSP TMS320F28335 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。
1 高频励磁E+H电磁流量计测量原理
      E+H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,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:
      e=BLv (1)
      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E+H电磁流量计硬件设计
      高频励磁E+H电磁流量计由传感器、高频励磁电路、信号处理电路等组成,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***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,***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。其中高低压切换恒流控制电路确保高压或低压情况,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] 。V ref 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 C ur 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 C ur 端与V ref 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 C 1 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 C 1 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,C ur 端电压就会大于 V ref 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,I o 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 Q 1和场效应管 Q 4 的通断;COM2 端控制三极管 Q 2 和场效应管 Q 3 的通断。L 1 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 L 1 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。
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。
      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  。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***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 6 kHz 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 0~5 V 之间,***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
      E+H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。RS485 电路***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 10 Mbps;通信距离远,***大为 1.2 km。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,***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 50 mm,连续检测管道中同一点的流量,每 10 min 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 1 m/s,此时启动系统开始检测,数据如表 1 所示。
同一点流速测量数据
同一点流速测量数据
      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被测E+H电磁流量计测量的流速进行比较,实验测量数据如表 2 所示。
不同流速时系统测量数据
不同流速时系统测量数据
      由表 2 测量数据可知,系统在测量低流速液体时(流速小于 1 m/s)误差较大,达到 5%,当待测液体的流速增大时(大于 1.4 m/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 DSP TMS320F28335,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 TFT LCD 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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