電磁流量計(jì)是基于法拉第感應(yīng)定律的應(yīng)用，因其在使用中無壓力損失而被**應(yīng)用于眾多的工業(yè)場(chǎng)合。電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器是其重要組成部分,直接決定了電磁流量計(jì)的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換器功能包括數(shù)據(jù)采集、顯示、計(jì)算、輸出、報(bào)警、故障診斷、自檢定及多段非線性補(bǔ)償、數(shù)據(jù)通訊功能等。現(xiàn)行的轉(zhuǎn)換器大多使用8位的單片機(jī),較為復(fù)雜的算法就難以實(shí)現(xiàn)或響應(yīng)時(shí)問過慢。本文設(shè)計(jì)的智能電磁流量計(jì)采用的是32位的ARM處理器,數(shù)據(jù)處理能力的提高使得采用復(fù)雜算法提高精度成為可能,低流速測(cè)量性能亦獲得較大改善,較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有較為明顯的改進(jìn)。
1、電磁流量計(jì)工作原理
電磁流量計(jì)的原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律,推得流體的體積流量為:
Q=Ue/BD*πD²/4B=πD/4B*Ue
式中Ue一感應(yīng)電壓,V;B一磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;Dー管道內(nèi)徑,m;Q**體體積流量,m³/s。
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
電磁流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),硬件上大致包含以下幾個(gè)部分:多路電源模塊、ARM處理器、勵(lì)磁模塊、信號(hào)采集與處理模塊、輸人輸出接口、通訊模塊等。硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示。
2.1勵(lì)磁模塊
轉(zhuǎn)換器的勵(lì)磁模塊本質(zhì)上是由恒流源驅(qū)動(dòng)一個(gè)H橋路。為了縮小體積、降低功耗并提高可靠性,本文利用1117ADJ電源芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)恒流源,用來驅(qū)動(dòng)集成橋路芯片D6202,從而避免了采用分立原件來設(shè)計(jì)勵(lì)磁電路,大大降低了設(shè)計(jì)難度。
1117ADJ是一個(gè)可調(diào)輸出電平的電源芯片,輸出的電流是由OUT管腳和ADJ管腳之間外接的電阻大小決定的,通過外接精密電阻,可以得到一個(gè)輸出恒定電流的恒流源。16202是一個(gè)H橋芯片,通常用于產(chǎn)生大電流高頻PWM信號(hào)。它能產(chǎn)生平整方波,完全符合低頻矩形波勵(lì)磁波形的要求。CPU控制16202的輸入邏輯電平,從而改變輸出波形,控制勵(lì)磁線圈的電流方向。勵(lì)磁信號(hào)頻率可由CPU輸出的控制信號(hào)頻率決定,可以很容易地通過軟件綿程加以修改,可適合各種實(shí)際應(yīng)用的需要。
2.2信號(hào)采集與處理模塊
信號(hào)采集與處理模塊包括模擬信號(hào)前端處理與A/D轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)處理是高精度電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ),也是獲得理想精度的關(guān)鍵。電磁流量計(jì)通過勵(lì)磁線圈對(duì)導(dǎo)電流體施加一個(gè)低頻交變磁場(chǎng),導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中流動(dòng)切割磁力線,從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過電極采集到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)微弱的交變信號(hào),通常只有幾十微伏至幾毫伏,且信號(hào)內(nèi)阻高,噪聲信號(hào)頻率與50Hz工頻相近,幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于待測(cè)信號(hào),放大電路的設(shè)計(jì)難度很大!,需要設(shè)計(jì)高質(zhì)量的信號(hào)處理電路將干擾濾除,才能達(dá)到儀表的設(shè)計(jì)精度。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路,如圖3所示。
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行放大處理之前需首先經(jīng)過濾波預(yù)處理單元消除高頻干擾。接下來的*級(jí)放大電路選用的是高精度增益可調(diào)儀表放大器AD620,其輸入阻抗高,外接元件只需一個(gè)增益電阻。由于*級(jí)放大電路的輸人端直接與測(cè)量電極相聯(lián),而電極在導(dǎo)電液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)兩電極間就有電動(dòng)勢(shì)存在,必須首先避免此電動(dòng)勢(shì)影響儀表放大器工作。研究此信號(hào)可知,該電動(dòng)勢(shì)是由液體中的各種帶電離子和外界電磁場(chǎng)對(duì)液體及管壁的干擾引起的,由于其變化無常時(shí)大時(shí)小,為了不讓儀表放大器以及二級(jí)信號(hào)放大中的運(yùn)放進(jìn)入飽和區(qū),須使放大倍數(shù)稍小一些,然后再通過隔直電容將直流信號(hào)隔離,余下的有用交流信號(hào)送入放大倍數(shù)高的后級(jí)放大器,使信號(hào)達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的工作范圍要求。在這里選用精密電阻,將放大倍數(shù)定為10.88倍。
經(jīng)過前面的處理,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)仍然有可能存在一定的高頻尖峰噪聲,這對(duì)后續(xù)的二級(jí)信號(hào)放大以及電平提升電路會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此這里進(jìn)一步設(shè)計(jì)了單位增益的二階巴特沃斯低通濾波器,低通截止頻率∫為33.9Hz。此頻率為勵(lì)磁頻率的7倍。經(jīng)過前面各級(jí)電路的預(yù)處理之后,再將信號(hào)放大20倍,并提升為單極性信號(hào),ZUI終送入增益可調(diào)的16位Σ-△型A/D轉(zhuǎn)換器AD7715完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。
2.3智能處理單元
本系統(tǒng)采用了 Philips公司的LPC2106作為主CPU,附加LCD顯示模塊、鍵盤輸人模塊、輸入輸出和通訊模塊等共同構(gòu)成智能處理單元。
LPC2106是一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S微處理器,自帶128KB高速 Flash存儲(chǔ)器,采用3級(jí)流水線技術(shù),取指、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行,能夠并行處理指令,提高CPU運(yùn)行速度。由于內(nèi)含多個(gè)32位定時(shí)器、PWM輸出和32個(gè)GPIO,且無需外擴(kuò)RAM,具有很小的尺寸和極低的功耗,非常適用于本系統(tǒng)的小型化要求。CPU通過SPI總線和A/D、D/A以及LCD控制芯片相互通訊,只需3根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展所有外圍器件,大大提高了系統(tǒng)的可靠性,減少了尺寸,降低了成本。此外,LPC2106還自帶PWM輸出,可直接用于輸出頻率信號(hào)和脈沖當(dāng)量。
系統(tǒng)的通訊模塊包含RS-232接口和RS-485接口,用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的通訊方式,方便地與上位機(jī)進(jìn)行通訊,并可組成多機(jī)總線,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。4~20mA的輸出模塊選用了AD421芯片,可直接將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出,并預(yù)留HART協(xié)議通訊接口。
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)方法,由主程序、時(shí)基中斷程序、菜單處理程序、勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生、A/D、D/A、通訊、顯示、脈沖頻率輸出等部分組成。主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化,通過對(duì)各模塊的應(yīng)答響應(yīng),判斷各模塊是否正常運(yùn)行。通過設(shè)定用戶級(jí)別,可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表參數(shù)設(shè)定的分級(jí)控制,分屬不同級(jí)別的生產(chǎn)廠家、售后服務(wù)和用戶均只能訪問相應(yīng)級(jí)別允許訪問和修改的儀表參數(shù)。在工況測(cè)量狀態(tài)下,儀表將實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流量、累積流量、流速和報(bào)警信息等。在參數(shù)設(shè)定狀態(tài),可對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,比如傳感器系數(shù)、轉(zhuǎn)換器系數(shù)、儀表系數(shù)、測(cè)量管口徑等。系統(tǒng)將把改變的系數(shù)和累計(jì)流量等相關(guān)信息在線保存,并可記錄多次上電和復(fù)位時(shí)間信息,以備現(xiàn)場(chǎng)工作人員査閱。
4、流量試驗(yàn)結(jié)果
使用研制的智能電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器配合廠家傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn),采用標(biāo)準(zhǔn)表比較法來標(biāo)定所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器。這種方法是用精度較高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)與被校驗(yàn)流量?jī)x表串連,讓流體同時(shí)流過二者,比較二者示值,確定被檢表的誤差,達(dá)到校準(zhǔn)目的。
此處與標(biāo)準(zhǔn)值比較的方法為總量法,是比較樣機(jī)累積體積流量值和標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)體積,以確定儀表表示值或誤差。雖然校準(zhǔn)是在指定的流量下進(jìn)行,但由于比較的是總量,所以對(duì)流量穩(wěn)定性的要求稍低。實(shí)驗(yàn)所用傳感器的內(nèi)徑為25mm,標(biāo)準(zhǔn)表為0.5級(jí),被測(cè)表為設(shè)計(jì)的樣機(jī),采用兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出直線,用剩下的多組數(shù)據(jù)來驗(yàn)證線性校正后樣機(jī)的誤差。第1、2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的直線與方程,如圖4所示。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在0.4-1m流速段用一條直線擬合,使用剩下多組數(shù)據(jù)作驗(yàn)證,結(jié)論為0.4m/s及以上流速的ZUI大誤差為0.64%,精度達(dá)到1%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
5、結(jié)論
本智能電磁流量計(jì)采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法,具有較高的智能性和多場(chǎng)合適應(yīng)能力,集成化程度高,功能多,操作方便,體積小,功耗較低,具備一定的自診斷能力和多機(jī)通訊功能,可測(cè)量正反向流量和脈動(dòng)流量,抗電磁干擾和溫度性能較好,適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用或遠(yuǎn)程測(cè)量,測(cè)量范圍大,準(zhǔn)確度高,達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)。
上一條：
基于RS485多電極電磁流量計(jì)的遠(yuǎn)程控制
下一條：
電磁流量計(jì)常用的幾種清洗方法
