电磁流量计新型励磁方式的设计

                         电磁流量计新型励磁方式的设计

电磁流量计是随着电子技术的应用而发展起来的新型流量测量仪表，现已广泛应用于各种导电液体的流量测量。但是在测量以下液体时仍然存在困难：①低电导率的液体；②低流速液体；③含有颗粒的高浓度浆状液体；④黏性液体。通过改进励磁方式来提高信噪比是解决这些问题有效方法之一。

    激磁技术是电磁流量计中zui关键的技术，其经历了直流激磁、工频正弦激磁、低频矩形波激磁、三值低频矩形波激磁、双频矩形波激磁等5个阶段。直流激磁方式由于在小流量测量时要求信号的直流稳定度必须在几分之一微伏之内，而使得它的应用范围受限；工频正弦激磁方式由于电磁感应造成幅值与频率成正比，从而产生了相位比流量信号滞后90°的正交干扰；低频矩形波激磁、三值低频矩形波激磁和双频矩形波激磁这三种激磁方式会不同程度的在电平快速切换时而引入微分干扰等难题。

    本文提出了一种新型的励磁方式———三值正弦矩形波励磁方式，它不仅克服了微分干扰的难题，而且解决了正交干扰的影响。基于此励磁方式，采用德州仪器公司（TI）的具有16位A/D转换模块的MSP430F4793单片机作为MCU，设计了一款具有较高稳定性和测量精度的电磁流量计。

    1 励磁方式分析

    1.1 测量原理

    电磁流量计的测量原理为法拉第电磁感应定律，如图1所示。当流体在管道内流过一个横向磁场B的时候，相当于有一定电导率的导体在切割磁力线，形成电动势E，其大小与磁场B、流速v和管径D成正比，如公式（1）：    

图1 电磁流量传感器工作原理图

       （1）

    其中BvD为流速信号，即真实测量值。dB/dt为微分干扰，它主要源于“变压器效应”，其大小与流量无关，即使是在流速等于零，没有流量信号感应的情况下也会存在，是电磁流量计的主要干扰。d²B/dt²为同相干扰，是微分干扰的二次微分得到的，所以只要尽量降低微分干扰，同相干扰也会降低。e_c、e_d和e_z分别是共模干扰、串模干扰和直流极化电压，均为电磁流量计的次要干扰源。

    1.2 三值正弦矩形波励磁方式

    对于当前广泛应用的矩形波励磁方式来说，由于正、负值励磁状态的瞬间跳变，造成在切换点的磁场变化率dB/dt趋于无穷大（波形上表现为一个尖峰），形成的微分干扰极大，足以使得前级放大器达到饱和，导致信号稳定性的降低，信号如图3（a）所示。    

图2 三值正弦矩形励磁波

    本文对当前矩形波励磁方式改进后提出了一种新型的三值正弦矩形波励磁方式，波形如图2所示，数学表达式如式（2）。

        （2）

    式中k为自然数，T为一个波形周期。在零值与正、负电平的切换过程中加入了正弦波段作为过渡，使得励磁信号变得相对平滑。选取的正弦波上升沿、平台、正弦波下降沿和零值的时间比为1∶2∶1∶1。

    0-T/2这段正弦波上升沿可知，波形段内的磁场变化率dB/dt=（2πf）Acos（ωt-π/2）/2，是连续平稳变化的，幅值在0-πfA之间，其中f为励磁频率。端点a右侧dB/dt=Aωcos（-π/2）/2=0，左侧磁场变化率为0，两者相等。端点b右侧dB/dt=0，左侧dB/dt=Aωcos（π/2）/2=0，亦相等。因此，在两端点处的磁场变化率也是连续的，没有发生跳变。同理推得，整个周期内其余正弦波段的磁场变化率都是连续的，这样就有效地降低了微分干扰，抑制了尖峰，提升了信号的稳定性，使得电磁流量计在小流速测量阶段也能够达到较好的测量准确度。

    在正、负励磁波段，由于磁场强度恒定，微分干扰和同相干扰都很微弱，所以在这个阶段对感应电动势进行采样，能够取得较为稳定的幅值，从而提高了测量的准确度。同时，利用零值励磁阶段的电极信号来动态补偿在正、负励磁阶段的感应电动势信号中的零点部分，减小了零点漂移，增加了零点稳定性。

    考虑到工频干扰，波形的周期要为工频周期的整数倍，而我国的市电工频干扰的频率为50Hz，所以本方案中选取频率f为5Hz的波形，这样在一个200ms的周期内工频干扰的正负面积相等，平均值等于零，工频干扰得到了有效的克服。采用三值正弦波励磁方式后，经过信号处理电路得到的流量信号如图3（b）。

图3 不同励磁方式下经信号处理电路处理后的流量信号

    2 硬件系统

    2.1 硬件电路总体设计

    三值正弦矩形波励磁的电磁流量计的硬件部分主要由传感器、电源电路、励磁电路、流量信号处理电路、MCU、液晶和键盘等模块构成。硬件总体结构图如图4所示。其中传感器直接由厂家制作，这里不做详细介绍。电源电路提供±24V、±12V、±5V以及3.3V。    

图4 硬件总体结构图

    2.2 励磁电路

    励磁系统决定着传感器的工作磁场，是转换电路中非常重要的部分。本文中的励磁电路由两部分构成，如图5所示。

图5 励磁电路

    其中，电路（Ⅰ）是由4只光耦和2片场效应管IRF7343（每片中有一只N沟道和一只P沟道型的场效应管）组成的桥式开关电路。通过两路控制信号Ctrl_A和Ctrl_B的高低电平来控制场效应管的通断，从而实现了励磁线圈中电流方向的切换。电路（Ⅱ）是由一片运算放大器OP07、一只NPN型三极管S9013、一只NPN型三极管TIP122和4只39Ω采样电阻组成的恒流源。由MCU的定时器脉冲宽度调制（PWM）输出经过RC电路滤波后来控制流过励磁线圈的电流I，从而产生三值正弦矩形波。

    2.3 信号处理及采集电路

    电极输出的感应电动势信号（微伏至毫伏级的交变信号）首先经过RC电路滤除部分高频干扰信号，然后送入仪用放大器AD620进行差分放大，但是由于干扰成份较多，且有的干扰信号幅值远大于信号本身，因此AD620的增益不宜设置得过大，10～20倍为佳。流量信号经过AD620放大后，采用单端输出（对地电压）方式后通过电容隔直，滤去了直流分量，仅保留信号的交流分量。由于测量电路器件本身存在噪声以及其他干扰，特别是50Hz的工频干扰，有必要对信号再次滤波，在此选取了双T带阻滤波，电容C取0.1μF，中心频率f0为50Hz，则R=1/（ω₀C）=1/（2πf₀C）≈32kΩ。zui后把正负交变的信号进行电压平移，即整体提升信号幅值，使之都为正值后送入MCU的ADC引脚。

图6 信号处理电路

    2.4 单片机系统

    采用TI公司的MSP430F4793作为电磁流量计的MCU，与显示模块和键盘模块共同构成单片机系统。MSP430F4793片内含2个16位定时器，每个定时器各带3个捕获/比较存储器和PWN输出功能；3路具有可编程增益放大（PGA）功能的高精度16位Σ-Δ型ADC；RAM为2.5KB，FLASH存储器多达60KB，并且拥有4个通用同步/异步通信接口。    

    3 软件系统

    电磁流量计有四种工作模式：标定模式、测量模式、测试模式和空管检测模式。仪表上电后，程序完成一系列初始化，随后便进入测量模式开始正常工作。配合液晶菜单显示，用户可以通过按键操作来选择其他工作模式，操作简便。

    定时器1用于产生三值正弦矩形波，流程图如图7所示。程序中设置两个有32个元素的数组分别存放用于生成正弦波上升沿和下降沿的占空比数据，依次使用这些值来设置定时器的TIM1_OCAR寄存器，控制PWM输出的占空比，进而控制RC滤波电路输出的电压大小，zui终得到设计的波形。    

图7 定时器1中断波形产生流程图

    流量信号AD采集程序流程如图8所示。以10个周期为一个测量过程，在每个周期的高、低电平励磁段各采集40个采样点，并在两个零值励磁段各采样20点作为相对零点，求得平均值后换算得到E_正、E_负、E_零1和E_零2共4个电势平均值。将E_负与E_零1的差值作为励磁电流正向时对应的流量信号，E_负与E_零2的差值（负值）作为反向流量信号。zui后把两个差值相减作为流量信号，所以流量信号的计算公式为：

        （3）

    其中，采样时使用了ADC的前置可编程增益放大器模块，放大倍数为1～32范围内的2的倍数，对输入到ADC引脚的流量信号进行动态调整。当输入电压很小时，增加PGA的放大倍数；而当幅值过大时，则减小PGA的放大倍数，这样就使测得的AD值尽量在量程范围的中间区域，从而减小了AD采集本身的误差，进一步提高了流量信号的采样精度。     

图8 流量信号AD采集程序流程图

    4 试验结果及分析

    试验所用传感器的内径为50mm，采用标准计量罐进行标定。对矩形波励磁方式和三值正弦矩形波励磁方式进行对比试验，两者均采用5Hz励磁频率，实验数据如表1所示。从试验结果可以看出，两者在一定的流速范围（大于2.0m³/h）内测量准确度都可以达到±3%以内，但在小流速（小于2.0m³/h）测量时，矩形波励磁方式的误差随着流量的减小迅速增大，在标定流量为0.3m³/h时达到了13%，如此大的误差是无法接受的。与之相比，三值正弦矩形波的测量误差虽然有所上升但控制在±5%以内，明显好于矩形波励磁。试验证明，新型的三值正弦矩形波励磁方式能够更为有效地消除微分干扰和同相干扰，从而显著地提高了电磁流量计在小流速测量阶段的度。

表1 电磁流量计的流量试验数据

图9 相对误差值对照曲线图

    5 结论

    本系统采用新型的三值正弦矩形励磁方式增进了信号的稳定性，加强了电磁流量计在工作过程中的抗*力，特别是提高了小流速阶段的测量准确度。MCU采用MSP430F4793提高了采样精度，简化了电路，降低了功耗。用户通过键盘和菜单来选择工作模式，完成各项参数设置，界面简洁美观，操作简单方便。系统运行稳定，测量精度较高，具有较好的推广应用价值。