電磁流量計新型勵磁方式的設計

電磁流量計是隨著電子技術的應用而發展起來的新型流量測量儀表，現已廣泛應用于各種導電液體的流量測量。但是在測量以下液體時仍然存在困難：①低電導率的液體；②低流速液體；③含有顆粒的高濃度漿狀液體；④黏性液體。通過改進勵磁方式來提高信噪比是解決這些問題有效方法之一。

    激磁技術是電磁流量計中zui關鍵的技術，其經歷了直流激磁、工頻正弦激磁、低頻矩形波激磁、三值低頻矩形波激磁、雙頻矩形波激磁等5個階段。直流激磁方式由于在小流量測量時要求信號的直流穩定度必須在幾分之一微伏之內，而使得它的應用范圍受限；工頻正弦激磁方式由于電磁感應造成幅值與頻率成正比，從而產生了相位比流量信號滯后90°的正交干擾；低頻矩形波激磁、三值低頻矩形波激磁和雙頻矩形波激磁這三種激磁方式會不同程度的在電平快速切換時而引入微分干擾等難題。

    本文提出了一種新型的勵磁方式———三值正弦矩形波勵磁方式，它不僅克服了微分干擾的難題，而且解決了正交干擾的影響。基于此勵磁方式，采用德州儀器公司（TI）的具有16位A/D轉換模塊的MSP430F4793單片機作為MCU，設計了一款具有較高穩定性和測量精度的電磁流量計。

    1 勵磁方式分析

    1.1 測量原理

    電磁流量計的測量原理為法拉第電磁感應定律，如圖1所示。當流體在管道內流過一個橫向磁場B的時候，相當于有一定電導率的導體在切割磁力線，形成電動勢E，其大小與磁場B、流速v和管徑D成正比，如公式（1）：    

圖1 電磁流量傳感器工作原理圖

       （1）

    其中BvD為流速信號，即真實測量值。dB/dt為微分干擾，它主要源于“變壓器效應”，其大小與流量無關，即使是在流速等于零，沒有流量信號感應的情況下也會存在，是電磁流量計的主要干擾。d²B/dt²為同相干擾，是微分干擾的二次微分得到的，所以只要盡量降低微分干擾，同相干擾也會降低。e_c、e_d和e_z分別是共模干擾、串模干擾和直流極化電壓，均為電磁流量計的次要干擾源。

    1.2 三值正弦矩形波勵磁方式

    對于當前廣泛應用的矩形波勵磁方式來說，由于正、負值勵磁狀態的瞬間跳變，造成在切換點的磁場變化率dB/dt趨于無窮大（波形上表現為一個尖峰），形成的微分干擾極大，足以使得前級放大器達到飽和，導致信號穩定性的降低，信號如圖3（a）所示。    

圖2 三值正弦矩形勵磁波

    本文對當前矩形波勵磁方式改進后提出了一種新型的三值正弦矩形波勵磁方式，波形如圖2所示，數學表達式如式（2）。

        （2）

    式中k為自然數，T為一個波形周期。在零值與正、負電平的切換過程中加入了正弦波段作為過渡，使得勵磁信號變得相對平滑。選取的正弦波上升沿、平臺、正弦波下降沿和零值的時間比為1∶2∶1∶1。

    0-T/2這段正弦波上升沿可知，波形段內的磁場變化率dB/dt=（2πf）Acos（ωt-π/2）/2，是連續平穩變化的，幅值在0-πfA之間，其中f為勵磁頻率。端點a右側dB/dt=Aωcos（-π/2）/2=0，左側磁場變化率為0，兩者相等。端點b右側dB/dt=0，左側dB/dt=Aωcos（π/2）/2=0，亦相等。因此，在兩端點處的磁場變化率也是連續的，沒有發生跳變。同理推得，整個周期內其余正弦波段的磁場變化率都是連續的，這樣就有效地降低了微分干擾，抑制了尖峰，提升了信號的穩定性，使得電磁流量計在小流速測量階段也能夠達到較好的測量準確度。

    在正、負勵磁波段，由于磁場強度恒定，微分干擾和同相干擾都很微弱，所以在這個階段對感應電動勢進行采樣，能夠取得較為穩定的幅值，從而提高了測量的準確度。同時，利用零值勵磁階段的電極信號來動態補償在正、負勵磁階段的感應電動勢信號中的零點部分，減小了零點漂移，增加了零點穩定性。

    考慮到工頻干擾，波形的周期要為工頻周期的整數倍，而我國的市電工頻干擾的頻率為50Hz，所以本方案中選取頻率f為5Hz的波形，這樣在一個200ms的周期內工頻干擾的正負面積相等，平均值等于零，工頻干擾得到了有效的克服。采用三值正弦波勵磁方式后，經過信號處理電路得到的流量信號如圖3（b）。

圖3 不同勵磁方式下經信號處理電路處理后的流量信號

    2 硬件系統

    2.1 硬件電路總體設計

    三值正弦矩形波勵磁的電磁流量計的硬件部分主要由傳感器、電源電路、勵磁電路、流量信號處理電路、MCU、液晶和鍵盤等模塊構成。硬件總體結構圖如圖4所示。其中傳感器直接由廠家制作，這里不做詳細介紹。電源電路提供±24V、±12V、±5V以及3.3V。    

圖4 硬件總體結構圖

    2.2 勵磁電路

    勵磁系統決定著傳感器的工作磁場，是轉換電路中非常重要的部分。本文中的勵磁電路由兩部分構成，如圖5所示。

圖5 勵磁電路

    其中，電路（Ⅰ）是由4只光耦和2片場效應管IRF7343（每片中有一只N溝道和一只P溝道型的場效應管）組成的橋式開關電路。通過兩路控制信號Ctrl_A和Ctrl_B的高低電平來控制場效應管的通斷，從而實現了勵磁線圈中電流方向的切換。電路（Ⅱ）是由一片運算放大器OP07、一只NPN型三極管S9013、一只NPN型三極管TIP122和4只39Ω采樣電阻組成的恒流源。由MCU的定時器脈沖寬度調制（PWM）輸出經過RC電路濾波后來控制流過勵磁線圈的電流I，從而產生三值正弦矩形波。

    2.3 信號處理及采集電路

    電極輸出的感應電動勢信號（微伏至毫伏級的交變信號）首先經過RC電路濾除部分高頻干擾信號，然后送入儀用放大器AD620進行差分放大，但是由于干擾成份較多，且有的干擾信號幅值遠大于信號本身，因此AD620的增益不宜設置得過大，10～20倍為佳。流量信號經過AD620放大后，采用單端輸出（對地電壓）方式后通過電容隔直，濾去了直流分量，僅保留信號的交流分量。由于測量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾，特別是50Hz的工頻干擾，有必要對信號再次濾波，在此選取了雙T帶阻濾波，電容C取0.1μF，中心頻率f0為50Hz，則R=1/（ω₀C）=1/（2πf₀C）≈32kΩ。zui后把正負交變的信號進行電壓平移，即整體提升信號幅值，使之都為正值后送入MCU的ADC引腳。

圖6 信號處理電路

    2.4 單片機系統

    采用TI公司的MSP430F4793作為電磁流量計的MCU，與顯示模塊和鍵盤模塊共同構成單片機系統。MSP430F4793片內含2個16位定時器，每個定時器各帶3個捕獲/比較存儲器和PWN輸出功能；3路具有可編程增益放大（PGA）功能的高精度16位Σ-Δ型ADC；RAM為2.5KB，FLASH存儲器多達60KB，并且擁有4個通用同步/異步通信接口。    

    3 軟件系統

    電磁流量計有四種工作模式：標定模式、測量模式、測試模式和空管檢測模式。儀表上電后，程序完成一系列初始化，隨后便進入測量模式開始正常工作。配合液晶菜單顯示，用戶可以通過按鍵操作來選擇其他工作模式，操作簡便。

    定時器1用于產生三值正弦矩形波，流程圖如圖7所示。程序中設置兩個有32個元素的數組分別存放用于生成正弦波上升沿和下降沿的占空比數據，依次使用這些值來設置定時器的TIM1_OCAR寄存器，控制PWM輸出的占空比，進而控制RC濾波電路輸出的電壓大小，zui終得到設計的波形。    

圖7 定時器1中斷波形產生流程圖

    流量信號AD采集程序流程如圖8所示。以10個周期為一個測量過程，在每個周期的高、低電平勵磁段各采集40個采樣點，并在兩個零值勵磁段各采樣20點作為相對零點，求得平均值后換算得到E_正、E_負、E_零1和E_零2共4個電勢平均值。將E_負與E_零1的差值作為勵磁電流正向時對應的流量信號，E_負與E_零2的差值（負值）作為反向流量信號。zui后把兩個差值相減作為流量信號，所以流量信號的計算公式為：

        （3）

    其中，采樣時使用了ADC的前置可編程增益放大器模塊，放大倍數為1～32范圍內的2的倍數，對輸入到ADC引腳的流量信號進行動態調整。當輸入電壓很小時，增加PGA的放大倍數；而當幅值過大時，則減小PGA的放大倍數，這樣就使測得的AD值盡量在量程范圍的中間區域，從而減小了AD采集本身的誤差，進一步提高了流量信號的采樣精度。     

圖8 流量信號AD采集程序流程圖

    4 試驗結果及分析

    試驗所用傳感器的內徑為50mm，采用標準計量罐進行標定。對矩形波勵磁方式和三值正弦矩形波勵磁方式進行對比試驗，兩者均采用5Hz勵磁頻率，實驗數據如表1所示。從試驗結果可以看出，兩者在一定的流速范圍（大于2.0m³/h）內測量準確度都可以達到±3%以內，但在小流速（小于2.0m³/h）測量時，矩形波勵磁方式的誤差隨著流量的減小迅速增大，在標定流量為0.3m³/h時達到了13%，如此大的誤差是無法接受的。與之相比，三值正弦矩形波的測量誤差雖然有所上升但控制在±5%以內，明顯好于矩形波勵磁。試驗證明，新型的三值正弦矩形波勵磁方式能夠更為有效地消除微分干擾和同相干擾，從而顯著地提高了電磁流量計在小流速測量階段的度。

表1 電磁流量計的流量試驗數據

圖9 相對誤差值對照曲線圖

    5 結論

    本系統采用新型的三值正弦矩形勵磁方式增進了信號的穩定性，加強了電磁流量計在工作過程中的抗*力，特別是提高了小流速階段的測量準確度。MCU采用MSP430F4793提高了采樣精度，簡化了電路，降低了功耗。用戶通過鍵盤和菜單來選擇工作模式，完成各項參數設置，界面簡潔美觀，操作簡單方便。系統運行穩定，測量精度較高，具有較好的推廣應用價值。