高頻勵磁煤焦油流量計(jì)的測量原理與設(shè)計(jì)
點(diǎn)擊次數(shù)：2044 發(fā)布時間：2021-01-19 14:39:11
摘要:針對傳統(tǒng)煤焦油流量計(jì)在測量漿液流量時存在精度低、傳感器輸出波動大等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于 DSP 的高頻勵磁煤焦油流量計(jì)。該煤焦油流量計(jì)采用高低壓切換勵磁方式，通過引入電流旁路來改進(jìn)變送器的勵磁電路，提高勵磁頻率。利用具有高輸入阻抗的差分放大電路放大傳感器輸出信號，提高信號的信噪比，保證提取信號的精確度。實(shí)際測試結(jié)果表明:系統(tǒng)測量精度高，對小流速階段測量準(zhǔn)確度明顯改善，測量誤差不超過 5%。
引言
流量檢測在工業(yè)生產(chǎn)、廢液監(jiān)測以及管道運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，根據(jù)測量原理不同，流量計(jì)可以大致分為力學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等類型，其中煤焦油流量計(jì)是依據(jù)電學(xué)原理研制而成，煤焦油流量計(jì)與其他流量計(jì)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。但煤焦油流量計(jì)在測量低流速、低導(dǎo)電率液體時存在精度不高等缺點(diǎn)，為了克服這個缺點(diǎn)，本文研制了一種基于 DSP 的高頻勵磁煤焦油流量計(jì)，在勵磁方式上選用旁路勵磁電路與恒流控制電路相結(jié)合的方式，提高了勵磁頻率以及能量的利用效率。本文選用高性能 DSP TMS320F28335 來采集處理傳感器輸出的信號，顯著提高了系統(tǒng)測量時的響應(yīng)速度，將流量計(jì)算結(jié)果通過 LCD 屏的方式實(shí)時顯示，系統(tǒng)具有體積小、便攜式以及測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。
1 高頻勵磁煤焦油流量計(jì)測量原理
煤焦油流量計(jì)根據(jù)電磁感應(yīng)定律的原理來測量導(dǎo)電液體的流量，測量導(dǎo)電液體的傳感器中繞有線圈，通過給線圈通電，當(dāng)液體流過線圈時就會切割磁感線，此時在線圈的兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e，根據(jù)電磁學(xué)中右手法則可得:
e=BLv (1)
式中:B 為傳感器線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度;L 為傳感器線圈的長度;v 為液體在傳感器中流動的速度。
由流量計(jì)算公式可得:
式中 S 為傳感器管道的截面積。由式(1)可知，當(dāng) B 和 L 已知時，只要測得 e 就可以反推出 v;由式(2)可知，當(dāng)測得 v 時就能計(jì)算出 Q。
2 高頻勵磁煤焦油流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)
高頻勵磁煤焦油流量計(jì)由傳感器、高頻勵磁電路、信號處理電路等組成，其中高頻勵磁電路決定著傳感器磁場的強(qiáng)弱，勵磁電路的穩(wěn)定性以及精確性決定著系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性。DSP 系統(tǒng)控制勵磁電路激勵傳感器線圈，當(dāng)線圈中有導(dǎo)電液體流過時，其切割磁感線并在傳感器兩端的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，利用信號檢測電路監(jiān)測感應(yīng)電動勢的大小，*后根據(jù)相應(yīng)關(guān)系計(jì)算出液體的流量，系統(tǒng)硬件框圖如圖 1 所示。
2．1 高頻勵磁電路設(shè)計(jì)
高頻勵磁電路主要由高低壓切換恒流控制電路和H 橋勵磁開關(guān)電路組成。其中高低壓切換恒流控制電路確保高壓或低壓情況，都可以通過 H 橋向勵磁線圈提供恒定的電流。電路原理圖如圖 2所示。
如圖2 所示，在對傳感器線圈進(jìn)行勵磁時，通過比較器控制切換開關(guān)切換高低壓進(jìn)行勵磁。V ref 作為比較器的基準(zhǔn)輸入端，其表示勵磁電流的電壓穩(wěn)態(tài)值;而 C ur 則表示 H 橋勵磁電路中檢測到的電壓信號。一開始當(dāng)系統(tǒng)處于低壓勵磁狀態(tài)時，系統(tǒng)會自動斷開切換電路中的電流旁路，此時系統(tǒng)通過利用 H 橋向勵磁線圈提供恒定電流。當(dāng)勵磁方向變化時，電流檢測電路就會檢測到電流變?yōu)樨?fù)方向，比較器的 C ur 端與V ref 端的平衡就會發(fā)生變化，此時系統(tǒng)通過比較器自動切換為高壓勵磁狀態(tài)。與低壓勵磁方式相反，在此種狀態(tài)下，恒流控制電路關(guān)閉而電流旁路打開，線圈中的能量就會存儲在能量回饋電路中，此時 C 1 端的電壓會超過高壓源。等勵磁線圈中的能量釋放完后，電流逐漸降為零，此時能量回饋電路就會利用電流旁路和 H 橋?qū)⒛芰糠答伣o勵磁線圈。當(dāng)電容 C 1 端的電壓下降到小于高壓源時，系統(tǒng)就會自動通過電流旁路和H 橋直接對勵磁線圈進(jìn)行勵磁，當(dāng)勵磁線圈中的電流超過設(shè)定閾值時，C ur 端電壓就會大于 V ref 點(diǎn)電壓，此時比較器又會切換成低壓勵磁方式，如此反復(fù)循環(huán)控制，達(dá)到對勵磁線圈恒流控制的目的。圖 3 為 H 橋勵磁控制電路。
由圖 3 可知，I o 為高低壓切換恒流控制電路輸出的恒流源電流，H 橋驅(qū)動的 COM1 端控制三*管 Q 1和場效應(yīng)管 Q 4 的通斷;COM2 端控制三*管 Q 2 和場效應(yīng)管 Q 3 的通斷。L 1 表示的是勵磁線圈(傳感器中線圈)，COM1、COM2 為正交的 PWM 波信號，因此在勵磁線圈 L 1 的兩端會產(chǎn)生方波勵磁信號。檢流電路主要是用來檢測勵磁線圈中電流的變化，當(dāng)線圈中的勵磁電流方向變化時，可以及時將此信息反饋給高低壓切換恒流控制電路中的比較器，從而實(shí)現(xiàn)切換高低壓源達(dá)到恒流控制的目的。
2．2 信號調(diào)理電路
由于傳感器線圈輸出的電動勢信號非常微弱，干擾成分復(fù)雜，信號幅值受磁場變動影響較大，不能滿足 ADC 采用的要求，因此需要對此信號進(jìn)行調(diào)理。
信號調(diào)理電路原理圖如圖 4 所示。
如圖4 所示，信號調(diào)理電路由前置放大電路、濾波電路以及二次放大電路組成。其中前置放大電路主要是由 AD8610 組成的差分放大電路構(gòu)成，其主要是去除信號中的共模干擾并且進(jìn)行*一次前置放大，前置放大電路的放大倍數(shù)為 15。由于有效信號的幅值很小，經(jīng)過前置放大電路后信號中還存在很多高頻雜波，這些雜波會影響對后級信號的處理，因此還需要對前置放大電路輸出的信號進(jìn)行低通濾波和二次放大。系統(tǒng)選用二階有源低通濾波電路濾除信號中的高頻干擾，低通濾波的截止頻率設(shè)定在 6 kHz 左右，選用 AD817 組成的二次放大電路對濾波電路輸出的信號進(jìn)行二次放大，將信號調(diào)理電路輸出的信號調(diào)整在 0～5 V 之間，*終利用 DSP 內(nèi)部的 AD 轉(zhuǎn)換器對此信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得出傳感器線圈輸出的感應(yīng)電動勢，從而根據(jù)相關(guān)的公式計(jì)算得出管道中液體的流量。具體電路圖如圖 5 所示。
2．3 通信電路
煤焦油流量計(jì)輸出的流量值可以通過外接的 TFTLCD 屏直接顯示，還可以通過預(yù)留的 ＲS485 通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中。ＲS485 電路*大的優(yōu)點(diǎn)是 485 電平與 TTL 電平兼容，方便與 TTL 電路相連;抗共模干擾能力強(qiáng);數(shù)據(jù)傳輸速度快，高達(dá) 10 Mbps;通信距離遠(yuǎn)，*大為 1．2 km。系統(tǒng)采用 SP3485 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，SP3485 是一款低功耗芯片且符合ＲS485 協(xié)議的收發(fā)器，電路圖如圖 6 所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件流程圖如圖7 所示。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要設(shè)計(jì)了勵磁控制切換程序、PWM 波產(chǎn)生程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序以及 ＲS485 通信程序等。系統(tǒng)上電后*先執(zhí)行復(fù)位操作，利用 DSP 內(nèi)部的定時器產(chǎn)生PWM 波控制 H 橋電路中的勵磁方式，當(dāng)系統(tǒng)檢測到傳感器線圈輸出的感應(yīng)電動勢后，利用 DSP 內(nèi)部的 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器對此信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，*后根據(jù)相應(yīng)算法計(jì)算出管道中被測液體的流量。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
實(shí)驗(yàn)中使用管道的管徑為標(biāo)準(zhǔn) 50 mm，連續(xù)檢測管道中同一點(diǎn)的流量，每 10 min 記錄一次數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)的差異，以此來判定系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性。*先對管道中的流量進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行檢測，通過改變閥門開度來調(diào)整管道中液體流量，流量標(biāo)定為 1 m/s，此時啟動系統(tǒng)開始檢測，數(shù)據(jù)如表 1 所示。
由表 1 測量數(shù)據(jù)可知，當(dāng)管道中液體的流速恒定時，系統(tǒng)在同一點(diǎn)檢測到的流量基本一致，誤差在 4%內(nèi)，由此可見系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。在驗(yàn)證完系統(tǒng)的穩(wěn)定性之后，進(jìn)一步檢驗(yàn)系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。通過閥門改變管道中待測液體的流速，將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢測到的流速與被測煤焦油流量計(jì)測量的流速進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表 2 所示。
由表 2 測量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)在測量低流速液體時(流速小于 1 m/s)誤差較大，達(dá)到 5%，當(dāng)待測液體的流速增大時(大于 1．4 m/s)，誤差逐漸減小，基本維持在 3%以內(nèi)。由此可見系統(tǒng)具有較高的檢測精度，尤其是當(dāng)管道中的液體流速較高時，系統(tǒng)的檢測誤差不超過 3%，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。
5 結(jié)束語
文中采用了基于能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案，通過高低壓切換勵磁的方式來實(shí)現(xiàn)對勵磁過程中恒流的控制，從而使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。MCU采用高性能數(shù)字處理器 DSP TMS320F28335，提高了系統(tǒng)的采樣精度以及算法處理的速度。在測量數(shù)據(jù)顯示方面，利用 TFT LCD 屏直接顯示測量結(jié)果，也可以將測量數(shù)據(jù)通過 ＲS485 接口發(fā)送到上位機(jī)中。實(shí)際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，且測量精度較高，誤差不超過 5%。
引言
流量檢測在工業(yè)生產(chǎn)、廢液監(jiān)測以及管道運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，根據(jù)測量原理不同，流量計(jì)可以大致分為力學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等類型，其中煤焦油流量計(jì)是依據(jù)電學(xué)原理研制而成，煤焦油流量計(jì)與其他流量計(jì)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。但煤焦油流量計(jì)在測量低流速、低導(dǎo)電率液體時存在精度不高等缺點(diǎn)，為了克服這個缺點(diǎn)，本文研制了一種基于 DSP 的高頻勵磁煤焦油流量計(jì)，在勵磁方式上選用旁路勵磁電路與恒流控制電路相結(jié)合的方式，提高了勵磁頻率以及能量的利用效率。本文選用高性能 DSP TMS320F28335 來采集處理傳感器輸出的信號，顯著提高了系統(tǒng)測量時的響應(yīng)速度，將流量計(jì)算結(jié)果通過 LCD 屏的方式實(shí)時顯示，系統(tǒng)具有體積小、便攜式以及測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。
1 高頻勵磁煤焦油流量計(jì)測量原理
煤焦油流量計(jì)根據(jù)電磁感應(yīng)定律的原理來測量導(dǎo)電液體的流量，測量導(dǎo)電液體的傳感器中繞有線圈，通過給線圈通電，當(dāng)液體流過線圈時就會切割磁感線，此時在線圈的兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e，根據(jù)電磁學(xué)中右手法則可得:
e=BLv (1)
式中:B 為傳感器線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度;L 為傳感器線圈的長度;v 為液體在傳感器中流動的速度。
由流量計(jì)算公式可得:
式中 S 為傳感器管道的截面積。由式(1)可知，當(dāng) B 和 L 已知時，只要測得 e 就可以反推出 v;由式(2)可知，當(dāng)測得 v 時就能計(jì)算出 Q。
2 高頻勵磁煤焦油流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)
高頻勵磁煤焦油流量計(jì)由傳感器、高頻勵磁電路、信號處理電路等組成，其中高頻勵磁電路決定著傳感器磁場的強(qiáng)弱，勵磁電路的穩(wěn)定性以及精確性決定著系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性。DSP 系統(tǒng)控制勵磁電路激勵傳感器線圈，當(dāng)線圈中有導(dǎo)電液體流過時，其切割磁感線并在傳感器兩端的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，利用信號檢測電路監(jiān)測感應(yīng)電動勢的大小，*后根據(jù)相應(yīng)關(guān)系計(jì)算出液體的流量，系統(tǒng)硬件框圖如圖 1 所示。
2．1 高頻勵磁電路設(shè)計(jì)
高頻勵磁電路主要由高低壓切換恒流控制電路和H 橋勵磁開關(guān)電路組成。其中高低壓切換恒流控制電路確保高壓或低壓情況，都可以通過 H 橋向勵磁線圈提供恒定的電流。電路原理圖如圖 2所示。
如圖2 所示，在對傳感器線圈進(jìn)行勵磁時，通過比較器控制切換開關(guān)切換高低壓進(jìn)行勵磁。V ref 作為比較器的基準(zhǔn)輸入端，其表示勵磁電流的電壓穩(wěn)態(tài)值;而 C ur 則表示 H 橋勵磁電路中檢測到的電壓信號。一開始當(dāng)系統(tǒng)處于低壓勵磁狀態(tài)時，系統(tǒng)會自動斷開切換電路中的電流旁路，此時系統(tǒng)通過利用 H 橋向勵磁線圈提供恒定電流。當(dāng)勵磁方向變化時，電流檢測電路就會檢測到電流變?yōu)樨?fù)方向，比較器的 C ur 端與V ref 端的平衡就會發(fā)生變化，此時系統(tǒng)通過比較器自動切換為高壓勵磁狀態(tài)。與低壓勵磁方式相反，在此種狀態(tài)下，恒流控制電路關(guān)閉而電流旁路打開，線圈中的能量就會存儲在能量回饋電路中，此時 C 1 端的電壓會超過高壓源。等勵磁線圈中的能量釋放完后，電流逐漸降為零，此時能量回饋電路就會利用電流旁路和 H 橋?qū)⒛芰糠答伣o勵磁線圈。當(dāng)電容 C 1 端的電壓下降到小于高壓源時，系統(tǒng)就會自動通過電流旁路和H 橋直接對勵磁線圈進(jìn)行勵磁，當(dāng)勵磁線圈中的電流超過設(shè)定閾值時，C ur 端電壓就會大于 V ref 點(diǎn)電壓，此時比較器又會切換成低壓勵磁方式，如此反復(fù)循環(huán)控制，達(dá)到對勵磁線圈恒流控制的目的。圖 3 為 H 橋勵磁控制電路。
由圖 3 可知，I o 為高低壓切換恒流控制電路輸出的恒流源電流，H 橋驅(qū)動的 COM1 端控制三*管 Q 1和場效應(yīng)管 Q 4 的通斷;COM2 端控制三*管 Q 2 和場效應(yīng)管 Q 3 的通斷。L 1 表示的是勵磁線圈(傳感器中線圈)，COM1、COM2 為正交的 PWM 波信號，因此在勵磁線圈 L 1 的兩端會產(chǎn)生方波勵磁信號。檢流電路主要是用來檢測勵磁線圈中電流的變化，當(dāng)線圈中的勵磁電流方向變化時，可以及時將此信息反饋給高低壓切換恒流控制電路中的比較器，從而實(shí)現(xiàn)切換高低壓源達(dá)到恒流控制的目的。
2．2 信號調(diào)理電路
由于傳感器線圈輸出的電動勢信號非常微弱，干擾成分復(fù)雜，信號幅值受磁場變動影響較大，不能滿足 ADC 采用的要求，因此需要對此信號進(jìn)行調(diào)理。
信號調(diào)理電路原理圖如圖 4 所示。
如圖4 所示，信號調(diào)理電路由前置放大電路、濾波電路以及二次放大電路組成。其中前置放大電路主要是由 AD8610 組成的差分放大電路構(gòu)成，其主要是去除信號中的共模干擾并且進(jìn)行*一次前置放大，前置放大電路的放大倍數(shù)為 15。由于有效信號的幅值很小，經(jīng)過前置放大電路后信號中還存在很多高頻雜波，這些雜波會影響對后級信號的處理，因此還需要對前置放大電路輸出的信號進(jìn)行低通濾波和二次放大。系統(tǒng)選用二階有源低通濾波電路濾除信號中的高頻干擾，低通濾波的截止頻率設(shè)定在 6 kHz 左右，選用 AD817 組成的二次放大電路對濾波電路輸出的信號進(jìn)行二次放大，將信號調(diào)理電路輸出的信號調(diào)整在 0～5 V 之間，*終利用 DSP 內(nèi)部的 AD 轉(zhuǎn)換器對此信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得出傳感器線圈輸出的感應(yīng)電動勢，從而根據(jù)相關(guān)的公式計(jì)算得出管道中液體的流量。具體電路圖如圖 5 所示。
2．3 通信電路
煤焦油流量計(jì)輸出的流量值可以通過外接的 TFTLCD 屏直接顯示，還可以通過預(yù)留的 ＲS485 通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中。ＲS485 電路*大的優(yōu)點(diǎn)是 485 電平與 TTL 電平兼容，方便與 TTL 電路相連;抗共模干擾能力強(qiáng);數(shù)據(jù)傳輸速度快，高達(dá) 10 Mbps;通信距離遠(yuǎn)，*大為 1．2 km。系統(tǒng)采用 SP3485 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，SP3485 是一款低功耗芯片且符合ＲS485 協(xié)議的收發(fā)器，電路圖如圖 6 所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件流程圖如圖7 所示。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要設(shè)計(jì)了勵磁控制切換程序、PWM 波產(chǎn)生程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序以及 ＲS485 通信程序等。系統(tǒng)上電后*先執(zhí)行復(fù)位操作，利用 DSP 內(nèi)部的定時器產(chǎn)生PWM 波控制 H 橋電路中的勵磁方式，當(dāng)系統(tǒng)檢測到傳感器線圈輸出的感應(yīng)電動勢后，利用 DSP 內(nèi)部的 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器對此信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，*后根據(jù)相應(yīng)算法計(jì)算出管道中被測液體的流量。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
實(shí)驗(yàn)中使用管道的管徑為標(biāo)準(zhǔn) 50 mm，連續(xù)檢測管道中同一點(diǎn)的流量，每 10 min 記錄一次數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)的差異，以此來判定系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性。*先對管道中的流量進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行檢測，通過改變閥門開度來調(diào)整管道中液體流量，流量標(biāo)定為 1 m/s，此時啟動系統(tǒng)開始檢測，數(shù)據(jù)如表 1 所示。
由表 1 測量數(shù)據(jù)可知，當(dāng)管道中液體的流速恒定時，系統(tǒng)在同一點(diǎn)檢測到的流量基本一致，誤差在 4%內(nèi)，由此可見系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。在驗(yàn)證完系統(tǒng)的穩(wěn)定性之后，進(jìn)一步檢驗(yàn)系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。通過閥門改變管道中待測液體的流速，將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢測到的流速與被測煤焦油流量計(jì)測量的流速進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表 2 所示。
由表 2 測量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)在測量低流速液體時(流速小于 1 m/s)誤差較大，達(dá)到 5%，當(dāng)待測液體的流速增大時(大于 1．4 m/s)，誤差逐漸減小，基本維持在 3%以內(nèi)。由此可見系統(tǒng)具有較高的檢測精度，尤其是當(dāng)管道中的液體流速較高時，系統(tǒng)的檢測誤差不超過 3%，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。
5 結(jié)束語
文中采用了基于能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案，通過高低壓切換勵磁的方式來實(shí)現(xiàn)對勵磁過程中恒流的控制，從而使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。MCU采用高性能數(shù)字處理器 DSP TMS320F28335，提高了系統(tǒng)的采樣精度以及算法處理的速度。在測量數(shù)據(jù)顯示方面，利用 TFT LCD 屏直接顯示測量結(jié)果，也可以將測量數(shù)據(jù)通過 ＲS485 接口發(fā)送到上位機(jī)中。實(shí)際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，且測量精度較高，誤差不超過 5%。