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三值梯形波励磁方式的电磁流量计设计

发布时间:2018-03-19
 

提出了采用三值梯形波励磁方式的电磁流量计设计。构建了采用MSP430F149单片机的电磁流量计样机。试验表明,三值梯形波励磁方式在小流速阶段,相对误差在-5.26%以内,小于矩形波励磁方式的-7.06%。可以减弱微分干扰,提高测量准确度。文中对系统的软硬件设计作了详细的介绍。
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。其励磁方式的选择直接影响传感器内部励磁线圈所产生的磁场情况,进一步影响传感器输出的感应电动势信号和仪表的测量准确度。在总结现有励磁方法及前人的工作的基础上,作者在第三届仪器科学与技术国际学术研讨会上提出了三值梯形波励磁方式。这种励磁方式采用正-零-负三极性规律的梯形波作为励磁电压波形。使用梯形波代替矩形波可以减小励磁波形上升沿和下降沿造成的磁场突变,有效地降低了对感应电动势产生的微分干扰,有利于仪表零点稳定性和测量准确度的提高。
本文详细介绍了采用三值梯形波作为励磁方式的电磁流量计样机的软硬件设计。此流量计采用美国德州仪器公司(TI)的MSP430F149单片机的与16位D/A转换芯片DAC7731产生三值梯形波并经功率放大后作为电磁流量计的励磁电压,较好地消除了低频矩形波励磁所产生的微分效应,进而提高了仪表的零点稳定性和测量准确度。
1、系统硬件结构
基于三值梯形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CPU三部分组成。
1.1励磁电路                        
低频矩形波励磁电路一般采用分频芯片对工频电源进行降频处理,再经过开关管进行功率放大,此种电路难以针对梯形波的斜边进行线性放大,而且励磁频率单一,不能通过软件编程修改励磁频率。因此,作者根据梯形波励磁方式的特点设计了如图1所示的功率放大电路及如图2所示的梯形波励磁信号产生电路。

功率放大电路部分,作者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,之后输入电磁流量计励磁线圈,作为励磁电压。此电路可线性放大梯形波斜边部分,满足了梯形波励磁方式的要求。
梯形波励磁信号产生电路部分,作者采用16位D/A转换芯片DAC7731通过电平转换芯片SN74AHC245与MSP430-F149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-5V~+5V内部参考电压10V,USART为4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。
1.2信号处理电路
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0.1mV感应电动势,且此信号内阻高,为兆欧级,同时噪声信号多,尤其为50Hz工频干扰,幅值远远大于流量的感应电动势信号。
根据感应电动势信号的上述特点,作者设计了如图3所示的信号处理电路。两路电极信号首先经过仪用放大器AD620进行差分放大,放大倍数为100倍,差分放大后的信号经过电压跟随器先后经过高低通滤波器后进入单片机进行A/D转换。高低通滤波器截止频率分别为0.23Hz和23.4Hz。

1.3CPU部分
作者采用MSP430F149单片机作为电磁流量计CPU,包括A/D转换模块(单片机片内自带12位A/D转换器)、LCD显示模块、按键模块、基础时钟模块和复位电路等。基础时钟模块选用8MHz高速晶振作为系统主时钟(MCLK)和子系统时钟(SMCLK)为系统程序、定时器、SPI和LCD等提供时钟源。MSP430F149片内12位A/D转换模块,转换量程为0~3.3C,最大采样速率为200ksps,转换模式为单通道重复转换。
2、系统软件流程
系统软件由主程序、键盘菜单处理、定时器中断、梯形波励磁信号产生、A/D采样、LCD显示等部分组成。如图4、5、6所示分别为系统主程序流程图,定时器1中断服务程序流程图和定时器2中断服务程序流程图。

3、试验结果及结论
试验所用传感器的内径为50mm,采用标准计量罐进行标定。低频矩形波励磁、三值低频矩形波励磁和三值梯形波励磁方式的励磁频率均为6.25Hz,励磁电压为V。
由于仪表的零点稳定性主要反应于小流速(一般在0.25m/s以下)的测量准确度,因此作者主要集中在此流速段进行了试验。从试验结果可以表明三值梯形波励磁方式与低频矩形波励磁方式相比,在相同的标定流速下的相对误差更小,而且在接近零流速的试验点(标定流速为0.0708m/s),三值梯形波励磁方式下的测量相对误差为-5.26%,小于低频矩形波励磁方式下的-7.06%,说明了作者提出的三值梯形波励磁方式在提高零点稳定性方面效果明显。具体试验结果请参见参考文献。
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、梯形波斜坡斜度和高低零值励磁段时间比。在流速变化小,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,在流速变化大,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。相比现有电磁流量计单一励磁频率难以满足不同测量要求方面取得了一定的突破。