开封市中仪流量仪表有限公司
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阅读：100发布时间：2021-12-21
基于低频正弦波励磁方式的电磁流量计设计
摘.. 要: 提出了一种采用低频正弦波励磁方式的电磁流量计的设计方法, 并采用新型的信号处理方法使其比传统的信号处理方法更加简便可靠。实验表明: 低频正弦波励磁方式在小流速阶段, 可以减弱微分干扰的影响, 提高流量计零点稳定性和测量准确度。
关键词: 电磁流量计; 低频正弦波励磁; MSP430F449单片机
0.. 引.. 言
电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的一种测量导电性液体体积流量的仪表。它能够测量多种形状流道内导电液体的流速和流量, 在电磁流量计中, 传感器的工作磁场是由励磁系统产生的, 传感器中的励磁电流波形与工作磁场强度波形基本一致, 所以, 励磁方式就决定了传感器工作磁场特征和电磁流量计的抗力大小与零点稳定性能的好坏。目前, 电磁流量计主要采用低频矩形波励磁方式和低频三值矩形波励磁方式[1] 。本文在总结现有励磁方法的基础上, 提出了采用低频正弦波励磁方式, 并采用新型的信号处理方法以提高流量计零点稳定性和测量准确度。
1.. 电磁流量计硬件系统设计基于低频正弦波励磁的电磁流量计硬件系统主要由励磁电路、信号处理电路和单片机系统三部分组成[ 2] , 其系统框图如图1所示。
1. 1.. 励磁电路励磁电路由低频正弦波励磁信号产生电路和励磁信号功率放大电路两部分组成。低频正弦波励磁信号产生部分图1.. 电磁流量计系统框图Fig 1.. B lock diagram of electromagnetic flowmeter system 采用16 位D /A 转换芯片DAC7731 通过电平转换芯片SN74AH C245与M SP430F449单片机的USART通信模块相连的方式产生励磁信号。DAC7731输出量程为- 5~ + 5V, 内部参考电压10V, USART为四线SPI主机模式。此励磁信号产生电路, 通过MSP430单片机的定时器进行分频, 可软件编程修改励磁频率, 为电磁流量计选择不同的励磁频率提供了更大的方便[ 3] 。功率放大电路部分采用互补对称式功率放大电路。通过运算放大器对励磁信号电压放大, 两级互补对称功率放大电路对励磁信号电流放大, 放大后的信号输入电磁流量计励磁线圈作为励磁电压。
1. 2.. 信号处理电路
智能电磁流量计是法拉第电磁感应定律的具体应用。导电流体在磁场中流动切割磁力线, 产生感应电动势。此感应电动势是一个微弱的交变信号, 在实际测量中基本上可以测出1m / s流速对应为0. 1mV 感应电动势, 且此信号内阻高, 为M.. 级, 同时噪声信号多, 尤其为50H z工频干扰, 幅值远远大于流量的感应电动势信号[ 4]。根据感应电动势信号的特点, 信号处理电路是测量系统中的关键部分, 它是传感器和单片机之间的桥梁, 作用是将传感器的感知电动势信号(微伏至毫伏级的低频正弦波励磁信号)经过放大、滤波、相乘等处理, 转变为A /D 采样可接收的信号, 并通过对这个采样信号的计算可得到流速信息, 其电路单元框图如图2所示。图2.. 信号处理电路框图F ig 2.. B lock d iagram o f signal processing circuit
信号通道位于乘法电路之前, 其作用是将弱信号放大到足够大的电平, 兼有抑制和滤除部分干扰和噪声的功能。它由前置放大电路、高通滤波电路、放大电路组成。放大后的信号进入接下来的乘法器, 乘法器采用四象限高速高精度乘法器芯片AD538AD, AD538AD具有很高的差分输入阻抗, 不需外接阻抗变换电路[ 5] 。放大后的信号与线圈反馈回来的信号通过硬件乘法器相乘, 输出乘积信号。由于M SP430单片机为单极性电源供电, 因此, 片内A /D 电压输入也为单极性输入, 即0~ 3. 3 V, 而乘法器AD538AD 输出的信号为双极性信号, 因此, 必须经过电平提升电路而将信号转换为单极性信号。电平提升电路包括两部分: 第1部分完成的功能是把输入信号加1. 6V后反相输出, 第2部分把反相输出的信号再进行反相。这样就使最初输入的信号提升了1. 6V, 这样就能进入接下来的A /D进行采样。
1. 3.. 单片机系统
本测量系统采用TI公司的M PS430F449单片机作为电磁流量计CPU, 与晶振输入模块、复位电路、显示模块和键盘模块共同构成单片机系统。MSP430F449 超低功耗微处理器是TI公司推出的一种新型单片机。它具有16位精简指令结构, 内含12 位快速A /D, 60k 字节FLASH ROM, 2 k字节RAM, 片内资源丰富, 有ADC, PWM, 若干TIMER, 串行口, 看门狗定时器等。单片机系统的复位电路使用的是将RST /NM I引脚电压拉低到GND, 然后释放, 从而引起系统复位的方法。系统的键盘模块采用独立按键式键盘。由3个独立按键分别与3 只上拉电阻共同和M SP430F449 的P1. 1, P1. 2和P1. 3相连, 并将这3个端口设置为上升沿中断使能的方式, 利用中断处理程序来判断键盘输入[ 6] 。
2.. 系统软件设计
系统软件由主程序、键盘菜单处理、定时器中断、低频正弦波励磁信号产生、A /D采样、LCD显示等部分组成。系统主程序流程图如图3所示。图3.. 系统主程序流程图F ig 3.. F low chart of system.. smain program .. .. 从流程图中可以看出: 系统软件是通过对连续等间隔采集来的800个点求平均值来达到滤波目的的, 即得到直流分量。这800个点采到的数据都保存在一个数组当中, 每采到一个新的点, 就在这个数组当中对最老的点进行替换, 数组中保存的都是的采样点, 而对于这些点的求和则采用逐点法求得, 即除了最开始采集的800 个数据需要做一次求和以外, 后面只要把这个和减去的点的数据再加上的点的数据就可得到当前的的800个数据之和(每采集一个新的点, 就得到一个新的和)。然后, 对每一次求得的和作平滑处理, 求这800个点的平均值作为直流分量。平滑处理的目的是为了使得到的数据更加稳定, 不会因为偶尔的误差或者波动出现显示的跳变。对经过平滑处理的和除以800求得的平均值才认为就是软件滤波得到的直流分量。
3.. 实验结果
实验所用电磁流量传感器的测量管径为40mm, 实验介质为水, 操作温度为室温。此装置标定流量为16m3 /h, 采用标准计量罐进行标定[ 7]。本实验在对信号采样方式*一样的前提下, 比较不同频率的励磁对测量精度的影响。从表1对比实验数据中可以看出: 在不同的励磁频率下, 在较高流速(大于1. 6m / s )下测量误差没有明显的差别, 但在小流速(小于0. 6m / s) 情况下, 5H z励磁频率下的测量信号误差最小, 其次是10H z的信号, 15H z与30H z励磁频率下的信号精度最差。说明在较低励磁频率下的零点稳定性会更好, 会有更高的测量准确度, 尤其是在小流速测量中, 零点越稳定测量精度也会越高。
表1.. 对比实验数据Tab 1.. D atas of contra st experiment 标定流量(m3 /h) 标定流速(m /s) 5H z正弦波流量( m3 / h) 相对误差(% ) .. 10Hz正弦波流量(m3 / h) 相对误差(% ) .. 15Hz正弦波流量(m3 / h) 相对误差(% ) .. 20Hz正弦波流量(m3 /h) 相对误差(% ) 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.. 结束语
本系统通过软硬件协同设计, 实现了用户通过键盘设置改变励磁频率和高低零值励磁段时间比。在流速较小, 测量准确度要求高的情况下选用较低的励磁频率, 以保证更好的零点稳定性和测量准确度, 在流速较大, 测量实时性要求高的情况下选用较高的励磁频率, 以保证电磁流量计的响应速度。比单一励磁频率的电磁流量计在满足不同测量要求方面取得了一定的突破。
参考文献:
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[ 7] .. 胡长岭, 张乃禄, 张家田. 流量计标定系统[ J] . 油气田地面工程, 2007, 26( 5) : 40.--扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：
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