前言

      電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方式很多，也各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。目前，在正弦波勵(lì)磁方式下，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的微分干擾，其干擾幅值與頻率成正比，相位比流量信號(hào)滯后，而且實(shí)際中一般又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量信號(hào)，所以如何克眼微分干擾電勢(shì)的影響是正弦波勵(lì)磁技術(shù)的主要難題。

      在低頻正弦波勵(lì)磁方式下，采用新的信號(hào)處理方法，即把線(xiàn)圈內(nèi)的勵(lì)磁電流信號(hào)與兩電極輸出的流量信號(hào)相乘，所得乘積的直流成分和流量成正比。采用這樣的處理手段，在任何流速下（包括零點(diǎn)），微分干擾與勵(lì)磁電流信號(hào)相乘后都會(huì)被作為交流量濾去，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，這就減小了微分干擾的影響，提高了流量計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。

      筆者采用MSP430信號(hào)處理器構(gòu)建了整套測(cè)量系統(tǒng)，此芯片將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，非常有利于單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，而且軟件開(kāi)發(fā)工具功能強(qiáng)大，使用方便，利于軟件的開(kāi)發(fā)、升級(jí)與維護(hù)。

      1 硬件系統(tǒng)

      基于低頻正弦波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)的硬件部分主要由：傳感器、電源系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)、勵(lì)磁電路。信號(hào)處理電路構(gòu)成。它的總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

      1.1 傳感器及電源系統(tǒng)

      傳感器直接由廠家制作，這里就不詳細(xì)介紹了。本系統(tǒng)所用電源電壓種類(lèi)較多，包括±24V、±18V、±12V、±5V和+3.3V。電源系統(tǒng)采用兩個(gè)輸出+24V和+12V的開(kāi)關(guān)電源串連的方式組成基礎(chǔ)電源，輸出±24V、±12V和公共地。其它電源電壓則通過(guò)三端穩(wěn)壓芯片LM7818，LM7918，LM7805，LM7905等產(chǎn)生。

      1.2 勵(lì)磁電路

      本系統(tǒng)勵(lì)磁電路由勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路和勵(lì)磁信號(hào)功率放大電路兩部分組成。勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生部分筆者選用信號(hào)發(fā)生芯片ICL8038。ICL8038波形產(chǎn)生芯片是一塊能夠產(chǎn)生高精度的方波、正弦波、三角波和鋸齒波的集成電路，需要的外部電路很少。通過(guò)調(diào)節(jié)外部匹配的電阻電容，輸出的波形頻率可從0.001Hz到300kHZ變化。ICL8038由高級(jí)的單塊集成電路技術(shù)制成，它的輸出電壓可在很寬的溫度變化范圍和供電電壓變化范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。勵(lì)磁信號(hào)功率放大部分，筆者采用運(yùn)算放大器LF356執(zhí)行電壓放大與功率放大管TIP41、TIP42組成的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)推挽電流放大相結(jié)合完成。功率放大后的勵(lì)磁信號(hào)最大幅值為±8V、160mA。

      1.3 信號(hào)處理電路

      信號(hào)處理電路中采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835AN來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)圈內(nèi)的勵(lì)磁電流信號(hào)與兩電極輸出流量信號(hào)相乘，AD835具有很高的差分輸入阻抗，不需外接阻抗變換電路。乘法器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大與電平的提升以后進(jìn)入A/D采樣。

      1.4 單片機(jī)系統(tǒng)

      本測(cè)量系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為MCU，與晶振輸入模塊、復(fù)位電路、LCD顯示模塊和鍵盤(pán)模塊共同構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。MSP430F149超低功耗微處理器是TI公司推出的一種新型單片機(jī)。它具有16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)，內(nèi)含12位快速A/D，60K字節(jié)FLASH ROM，2K字節(jié)RAM，片內(nèi)資源豐富，有ADC、PWM、若干TIMER、串行口、WATCHDOG、比較器等。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位電路使用的是將RST/NMI引腳電壓拉低到GND，然后釋放，從而引起系統(tǒng)復(fù)位的方法。系統(tǒng)的鍵盤(pán)模塊采用獨(dú)立按鍵式鍵盤(pán)。由3個(gè)獨(dú)立按鍵分別與3只上拉電阻共同和MSP430的P1.1、P1.2和P1.3相連，并將這三個(gè)端口設(shè)置為上升沿中斷使能的方式，利用中斷處理程序來(lái)判斷鍵盤(pán)輸入。

      2 軟件系統(tǒng)

      本測(cè)量系統(tǒng)軟件采用TI公司的430單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具，IAR Embedded Workbench作為終端軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編程語(yǔ)言采用C430。TI公司的430單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具專(zhuān)門(mén)用于430單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)嵌人式應(yīng)用開(kāi)發(fā)。包含以下實(shí)用工具：具有語(yǔ)法表現(xiàn)能力的文本編輯器、編譯器、匯編器、連接器、函數(shù)庫(kù)管理器、實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化的Make工具和內(nèi)嵌C語(yǔ)言級(jí)與匯編級(jí)的調(diào)試器C-SPY。

      本系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤(pán)菜單處理、定時(shí)器中斷、A/D采樣、LCD顯示等部分組成。系統(tǒng)程序流程圖，如圖2所示。

      3 結(jié)束語(yǔ)

      在系統(tǒng)集成和調(diào)試的基礎(chǔ)上，本研究對(duì)所研發(fā)的電磁流量計(jì)系統(tǒng)作了技術(shù)性能測(cè)試。試驗(yàn)所用傳感器的內(nèi)徑為45mm，在室溫下測(cè)量此口徑管道中水的流速，并采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)0.156m/s至3.763m/s的流速范圍做了測(cè)試，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差在-3.84%以?xún)?nèi)。

      實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于乘法原理的這種信號(hào)處理手段具有良好的測(cè)量精度，在小流速下也具有較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。特別是它采用了MSP430完成了整套測(cè)量系統(tǒng)，使外圍所要添加的器件更少，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔可靠，也更方便了軟件的升級(jí)與更新。筆者的工作不僅為電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)提供了又一種有效的信號(hào)處理方法，也為開(kāi)發(fā)更高性能、更智能化的電磁流量計(jì)提供了新的思路。

      參考文獻(xiàn)：

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