基于多種勵(lì)磁方式的電磁流量計(jì)控制系統(tǒng)

霍亮生，顧祖寶，喻岫杏

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京　100048)

0　引言

流量參數(shù)是工業(yè)過程控制中的一個(gè)重要參數(shù)，已經(jīng)成為判斷生產(chǎn)效率、工作狀況和經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)[1]。目前，電磁流量計(jì)因其適用范圍廣，反應(yīng)速度快，壓力損失小以及線性度好而得到了廣泛的使用。隨著電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和微控制器技術(shù)的發(fā)展，電磁流量計(jì)的技術(shù)也在不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬[2]。傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)只是使用了固定幅值和頻率的勵(lì)磁方式，其適用范圍也嚴(yán)重受到局限。該設(shè)計(jì)針對(duì)電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)了多種勵(lì)磁方式，且勵(lì)磁電流的幅值與頻率可調(diào)，用戶可以根據(jù)不同的液體介質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)膭?lì)磁條件，以便達(dá)到更為精確的測(cè)量結(jié)果。

1　電磁流量計(jì)的基本原理

電磁流量計(jì)是以電磁感應(yīng)定律為原理的基本儀表，可以測(cè)量管道內(nèi)流體介質(zhì)流量，檢測(cè)過程不會(huì)受到液體密度、黏度、溫度、壓力及電導(dǎo)率變化的影響[3-5]。電磁流量計(jì)原理如圖1所示。當(dāng)流體在管道中流動(dòng)，經(jīng)過一軸向磁場(chǎng)B時(shí)，相當(dāng)于一根具有一定導(dǎo)電率的導(dǎo)體在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在電極的兩端便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，E的大小與流體流量成正比[6]。

圖1　電磁流量計(jì)原理圖

均勻直流勵(lì)磁磁場(chǎng)條件下磁場(chǎng)強(qiáng)度B不變，若采用正弦波、方波勵(lì)磁，只是磁場(chǎng)強(qiáng)度B按正弦波、方波規(guī)律變化[7]。

2　電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁流量計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括勵(lì)磁控制電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理控制模塊、電源管理模塊、通訊模塊和人機(jī)接口模塊[8]，其總體框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件框圖

由主控芯片K60產(chǎn)生一定時(shí)序的控制信號(hào)控制勵(lì)磁電路工作，勵(lì)磁電路為電磁流量計(jì)的線圈提供特定時(shí)序的勵(lì)磁電流，從而形成特定時(shí)序的磁場(chǎng)。電磁流量計(jì)電極兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過信號(hào)采集電路的處理，進(jìn)入主控器進(jìn)行處理、運(yùn)算，最后得到流量信號(hào)并通過人機(jī)接口模塊顯示出來，通訊模塊主要用于上位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2．1勵(lì)磁控制電路

電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方式在很大程度上決定了其應(yīng)用場(chǎng)合，為了使流量計(jì)的應(yīng)用范圍更為廣泛，設(shè)計(jì)中采用一種控制電路，根據(jù)主控器給出信號(hào)的不同，實(shí)現(xiàn)直流勵(lì)磁、方波勵(lì)磁和正弦波勵(lì)磁3種勵(lì)磁方式。勵(lì)磁控制電路由檢流電路、勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路和恒流源電路組成，勵(lì)磁控制電路框圖如圖3所示。

圖3　勵(lì)磁控制電路框圖

供電模塊為勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電壓，通過切換控制信號(hào)得到不同的勵(lì)磁方式，為了準(zhǔn)確地得到勵(lì)磁磁場(chǎng)，通過檢流電路檢測(cè)勵(lì)磁線圈上的電壓，并通過A/D轉(zhuǎn)換接口送入主控器，主控器對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理計(jì)算得到勵(lì)磁磁場(chǎng)。

由于設(shè)計(jì)中采用了正弦波勵(lì)磁和方波勵(lì)磁，所以系統(tǒng)的勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路主要由H橋驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成[9]，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)橋上端接勵(lì)磁電源，下端接地，中間為勵(lì)磁線圈，通過主控器給出的PWM信號(hào)控制勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁方式。同一橋臂的PWM信號(hào)為互補(bǔ)輸出，即同一橋臂上端兩個(gè)開關(guān)管交替工作。當(dāng)系統(tǒng)采用直流勵(lì)磁時(shí)，使Q1與Q4或者Q2與Q3同時(shí)導(dǎo)通，使PWM1和PWM2的占空比一個(gè)為100%，另一個(gè)為0。這樣，勵(lì)磁線圈就能接收同一個(gè)方向的勵(lì)磁電流，產(chǎn)生恒定的勵(lì)磁磁場(chǎng)。K60主控器內(nèi)集成了PWM產(chǎn)生模塊，其周期和占空比可調(diào)，使得方波勵(lì)磁更為簡(jiǎn)單易行。主控器還可根據(jù)正弦波的變化趨勢(shì)，控制產(chǎn)生占空比漸變的SPWM波，經(jīng)過開關(guān)管的逆變，最終在勵(lì)磁線圈上產(chǎn)生正弦變化的磁場(chǎng)。

圖4　勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路主體結(jié)構(gòu)圖

2．2信號(hào)采集電路

系統(tǒng)的信號(hào)采集電路是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，是傳感器和主控器之間的橋梁。其作用是將電極兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過放大、濾波等處理，轉(zhuǎn)換為主控器的A/D采樣模塊可接收的信號(hào)，并由主控器運(yùn)算得到流量信號(hào)。信號(hào)采集電路流程如圖5所示。

圖5　信號(hào)采集流程圖

由于電磁流量計(jì)的電極兩端輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)非常微弱，一般在0～10 mV數(shù)量級(jí)[10]，而且電磁流量計(jì)會(huì)受到工作環(huán)境的干擾，為了保證測(cè)量的精度，需要對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。

2．3信號(hào)處理控制模塊

系統(tǒng)采用K60芯片作為主控制器，與晶振模塊、復(fù)位模塊、JTAGE調(diào)試接口共同組成了可工作的最小系統(tǒng)[11]。K60的內(nèi)核采用ARM，工作主頻最高可達(dá)100 MHz，且同時(shí)具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能，從而保證了系統(tǒng)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。128 KB的RAM和512 KB的FLASH完全可以滿足程序開發(fā)的需要，高達(dá)16位的A/D采樣精度為信號(hào)的準(zhǔn)確采集提供了條件，多路DMA模塊促使CPU從繁雜的數(shù)據(jù)存取中解放出來，而專注于信號(hào)的處理以及算法的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，K60還擁有SCI、SPI、CAN、USB、TCP/IP等多種通信接口，極大方便了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的上位機(jī)監(jiān)控。此外，K60片上還集成了多路PWM產(chǎn)生模塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)波形互補(bǔ)輸出和死區(qū)插入功能。

2．4電源管理模塊

系統(tǒng)總體采用220 V交流供電，通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓將220 V交流電先轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的36 V勵(lì)磁電源供給系統(tǒng)勵(lì)磁模塊。由于系統(tǒng)中的一些數(shù)字元器件、模擬運(yùn)放、LCD顯示屏等多采用的是5 V供電，而主芯片采用的是3．3 V供電，所以再將36 V穩(wěn)壓成5 V和3 V，保證系統(tǒng)的供電需求，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)希望勵(lì)磁電源的電壓可調(diào)，所以使用了模擬運(yùn)放電路，讓K60的D/A的輸出控制勵(lì)磁電壓。原理圖如圖6所示。

圖6　勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)電路

電磁流量計(jì)勵(lì)磁電壓根據(jù)其公稱通徑的不同一般為3～36 V，通過主控制器的D/A模塊輸出0～3．3 V的控制電壓，從而可以控制勵(lì)磁電壓VOUT在0～36 V之間。

2．5通訊模塊

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使用K60片上的SCI模塊通訊，采用電平轉(zhuǎn)換芯片匹配系統(tǒng)的TTL電平和上位機(jī)的RS232電平，串口的通訊速率可調(diào)，且可設(shè)置奇偶校驗(yàn)，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，鑒于電磁流量計(jì)的工作環(huán)境有時(shí)不適合拉接通訊線纜，此時(shí)也可選用無線串口通信模塊。

2．6人機(jī)接口模塊

使用人機(jī)接口模塊可以很方便地對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部信息，良好的人機(jī)交互界面也越來越成為人們選擇時(shí)所考慮的因素。系統(tǒng)人機(jī)交互采用的是按鍵、旋鈕和LCD顯示屏。按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止、勵(lì)磁模式切換。旋鈕可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的幅值和頻率。LCD液晶屏可實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的流量值、累計(jì)流量值、勵(lì)磁電壓值、勵(lì)磁方式和勵(lì)磁頻率。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括初始化模塊、按鍵和旋鈕掃描、液晶顯示、勵(lì)磁信號(hào)的產(chǎn)生、A/D采樣等，系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)主程序流程圖

初始化模塊主要是對(duì)系統(tǒng)的工作時(shí)鐘進(jìn)行配置，對(duì)變量參數(shù)定義和對(duì)其他片上外設(shè)模塊配置。按鍵和旋鈕掃描主要是通過主控器的I/O口接收外部電平的變化，是人機(jī)交互過程中對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的重要接口模塊。主控器通過液晶模塊的操作時(shí)序，將數(shù)據(jù)寫入液晶屏顯示。勵(lì)磁信號(hào)是由主控器輸出信號(hào)進(jìn)行控制，A/D采樣是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的過程，各模塊的協(xié)同作用，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的工作可靠性和測(cè)試性能，進(jìn)行了水流量標(biāo)定試驗(yàn)，并把標(biāo)定結(jié)果同各種勵(lì)磁方式下的測(cè)量結(jié)果做出對(duì)比，最后以方波勵(lì)磁為例，測(cè)量了不同頻率下的流量信號(hào)。

4．1水流量標(biāo)定

流量計(jì)公稱通徑為10 mm，不斷向管道中泵入蒸餾水，水經(jīng)過流量計(jì)，流入玻璃容器中。計(jì)時(shí)10 s，關(guān)閉流量計(jì)閥門。測(cè)量容流出水的體積為603．19 cm3．

4．2勵(lì)磁方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

操作方法同水流量標(biāo)定時(shí)相同，勵(lì)磁電壓為12 V，分別在直流勵(lì)磁、25 Hz方波勵(lì)磁和25 Hz正弦波勵(lì)磁條件下測(cè)試?yán)塾?jì)流量，并與標(biāo)定值比較，計(jì)算出相對(duì)誤差。結(jié)果如表1所示。

表1　不同勵(lì)磁方式測(cè)量結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，對(duì)于蒸餾水在此種流速下，實(shí)測(cè)流量總是大于標(biāo)定流量，原因可能是因?yàn)闃?biāo)定時(shí)有殘余水滴粘附在容器壁上而未計(jì)入結(jié)果和關(guān)閉閥門不及時(shí)?？傮w看來，3種勵(lì)磁方式測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合要求，而方波勵(lì)磁效果最好。

4．3勵(lì)磁頻率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

保持試驗(yàn)條件不變，選取方波為勵(lì)磁信號(hào)，分別在不同頻率下測(cè)試流量，結(jié)果如表2所示。

表2　不同頻率測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果隨著方波頻率的升高而增大，所以該試驗(yàn)在低頻段測(cè)量結(jié)果較為精確。3種勵(lì)磁方式均有優(yōu)缺點(diǎn)，直流勵(lì)磁磁場(chǎng)穩(wěn)定，但是會(huì)使電極表面極化。正弦波勵(lì)磁可避免極化大，但會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。方波勵(lì)磁不會(huì)極化，也不會(huì)去產(chǎn)生干擾信號(hào)，但是由于勵(lì)磁線圈的抑流作用，磁場(chǎng)穩(wěn)定度低。以上試驗(yàn)只是針對(duì)蒸餾水在特定流速下進(jìn)行的，在具體的應(yīng)用中，還應(yīng)根據(jù)流體介質(zhì)的特性及工作環(huán)境合理的選擇勵(lì)磁方式和頻率。

5　結(jié)束語

系統(tǒng)通過軟硬件的聯(lián)合設(shè)計(jì)及調(diào)試，可以達(dá)到精確測(cè)量液體流量的功能，良好的人際交互界面方便了用戶的使用，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3種勵(lì)磁方式和勵(lì)磁電壓、頻率可調(diào)等功能，拓寬了電磁流量計(jì)的適用范圍，具有良好的應(yīng)用前景。

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