0 引言

      電磁流量計(jì)是基于法拉第感應(yīng)定律的應(yīng)用^[2]，因其在使用中無(wú)壓力損失而被廣泛應(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?，F(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)間過(guò)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：

      式中 U_e-感應(yīng)電壓，V；
             B   磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；
             D   管道內(nèi)徑，m；
             Q   流體體積流量，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、輸入輸出接口、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(lái)驅(qū)動(dòng)集成橋路芯片L6202，從而避免了采用分立原件來(lái)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(guò)外接精密電阻，可以得到一個(gè)輸出恒定電流的恒流源。L6202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L6202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(guò)軟件編程加以修改，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(guò)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(guò)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^[3]，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2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(guò)濾波預(yù)處理單元消除高頻干擾。接下來(lái)的第一級(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。由于第一級(jí)放大電路的輸入端直接與測(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(wú)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(guò)隔直電容將直流信號(hào)隔離，余下的有用交流信號(hào)送人放大倍數(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(guò)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f為33.9Hz。此頻率為勵(lì)磁頻率的7倍。

      經(jīng)過(guò)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)，最終送人增益可調(diào)的16位Σ-Δ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、鍵盤輸入模塊、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(wú)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^[4]。CPU通過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)相應(yīng)級(jí)別允許訪問(wèn)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)工作人員查閱。

      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(lái)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(guò)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(lái)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3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及以上流速的最大誤差為0.64%，精度達(dá)到1%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

      5 結(jié)論

      本設(shè)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)。

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