相關產品推薦更多 >>
高頻勵磁煤焦油流量（liàng）計的測量原理與（yǔ）設計
點擊次數：2083 發布時間：2021-01-19 14:39:11
摘（zhāi）要:針對傳統煤焦油流量計在測量漿液（yè）流量時存在精度低、傳感器輸出波動大等缺（quē）點，設（shè）計了一種基於 DSP 的高頻（pín）勵磁煤焦油流量計。該煤焦油流量計采用高低壓切換勵磁方式，通過引入電流旁路來改進變送器的勵磁電路，提高勵（lì）磁頻率。利用具有高輸入阻抗的差（chà）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（xìn）號的精確度。實際（jì）測試（shì）結（jié）果表明:係統測量精（jīng）度高，對小流速階段測量準確（què）度明顯改善（shàn），測量誤差（chà）不超過 5%。
引言
流量檢測在工業生產、廢液監測以及管道運輸等領域有著廣泛的應用（yòng），根據測量原（yuán）理不同（tóng），流量計可以大致分為力學、電學、聲學、熱（rè）學、光（guāng）學等類型，其中煤（méi）焦油流量計是依據電學原理研製而成，煤焦油流量計與（yǔ）其他流量計相比，具有結構簡單、測量（liàng）精度高、穩定性好等特點。但煤（méi）焦油流（liú）量計在測（cè）量低流速、低（dī）導電率液體時存在精度不高（gāo）等缺點，為了克服（fú）這個缺點，本文研製了一種基於 DSP 的高頻勵磁煤焦油流量計，在勵磁方式上選用旁路勵磁電路與恒流控製（zhì）電路相結合的方式，提高了（le）勵磁頻率以及能量的利用（yòng）效率。本文選用高性能 DSP TMS320F28335 來（lái）采（cǎi）集（jí）處理傳感器輸出的信號，顯（xiǎn）著提高了係統測量時的響應速度，將流量計算結果通過 LCD 屏的方式實時（shí）顯示（shì），係統具有體積小、便攜式以及測量精度高等優點。
1 高頻勵磁（cí）煤焦（jiāo）油流量計測量原理
煤焦（jiāo）油流量（liàng）計（jì）根據電磁感應定律的原理來測（cè）量導電液體（tǐ）的流量（liàng），測量導電液體的傳感器中繞有線圈，通過給線圈通電，當液體流（liú）過線圈時就會切割（gē）磁感線，此時在線圈的（de）兩端會產生感應電動勢 e，根據電磁學（xué）中右手（shǒu）法則（zé）可得:
e=BLv (1)
式（shì）中（zhōng）:B 為傳感（gǎn）器線（xiàn）圈產生的磁場強度;L 為傳感器線圈的長度;v 為液體在傳感器中流動（dòng）的速度。
由流量計算公式可（kě）得（dé）:
式中 S 為傳感（gǎn）器（qì）管道的（de）截麵積。由式(1)可知，當 B 和 L 已知時，隻（zhī）要（yào）測（cè）得（dé） e 就可以反推出 v;由式（shì）(2)可知，當（dāng）測得 v 時就能計算出 Q。
2 高頻勵磁煤焦油流量計硬件設計
高頻勵磁煤焦油流量計由傳感器、高頻勵磁電路、信（xìn）號處理電（diàn）路等組成，其中高頻勵磁（cí）電路決定著傳感器（qì）磁（cí）場的強（qiáng）弱，勵磁電路的穩定性以及精確性（xìng）決定著係統檢測的準確性以及穩定性。DSP 係統控製勵磁電路（lù）激勵傳感器線圈（quān），當線圈（quān）中（zhōng）有導電液體流過時，其切割磁（cí）感線並在傳感器（qì）兩（liǎng）端的線圈（quān）上產生感應電（diàn）動勢（shì），利（lì）用信號檢測電路監測感應（yīng）電動勢的大小，*後根據相應關係計算（suàn）出液體的流量（liàng），係統硬件框圖如圖 1 所（suǒ）示。
2．1 高頻勵磁（cí）電路設計
高（gāo）頻勵磁電路主要由高低壓切（qiē）換恒流控（kòng）製電路和H 橋（qiáo）勵磁開關（guān）電路組成。其中高低壓切換恒流控製電路（lù）確（què）保高壓或低壓情況，都可以通過 H 橋向（xiàng）勵磁線圈提供恒定的（de）電（diàn）流。電路原理圖如圖 2所示。
如圖2 所示（shì），在對傳感器線圈進行（háng）勵磁時，通過比（bǐ）較器（qì）控製切換開關切換高低（dī）壓進（jìn）行勵磁。V ref 作為比較器（qì）的基準輸入端（duān），其（qí）表示勵磁電流的（de）電壓（yā）穩態（tài）值;而（ér） C ur 則表示 H 橋勵磁電路中檢測到的電（diàn）壓信號。一開（kāi）始當係統處於低壓勵磁狀（zhuàng）態時，係統會（huì）自動斷開切換電路中的電流旁路（lù），此時係統（tǒng）通過利用（yòng） H 橋向勵磁線圈提供恒定電流（liú）。當勵（lì）磁方（fāng）向變化時，電流檢測電路就會檢測（cè）到電流變（biàn）為（wéi）負方向，比較器的 C ur 端與V ref 端的平衡就會發生變化，此時係統通過比較（jiào）器自動切換為高壓勵磁狀態。與低壓勵磁方式相反，在此種狀態下，恒流控製電路關閉而電流旁路打開，線圈中的能（néng）量就會存儲在能（néng）量回饋電路中，此時 C 1 端的電壓會超過高壓源。等勵（lì）磁線圈中的能量釋放完後，電流逐漸降為零，此時能量回（huí）饋電路就會利用電流旁路和 H 橋將能量反饋給勵磁線圈。當電容 C 1 端的電壓下降到小於高壓源時，係統就會自動通過電流旁（páng）路和H 橋直接對勵磁線圈進行勵磁，當勵磁線圈中的電流超過設定（dìng）閾（yù）值時，C ur 端電（diàn）壓就會（huì）大於 V ref 點電（diàn）壓，此時比較器又（yòu）會切換成低壓勵磁方式，如此反複循環控製，達到對勵磁線圈恒流控製的目的。圖 3 為 H 橋勵磁控製電路。
由圖 3 可知，I o 為高低壓切換恒流控製電路輸出的恒流源（yuán）電（diàn）流，H 橋驅動的（de） COM1 端（duān）控製三*管 Q 1和場效應管 Q 4 的（de）通（tōng）斷;COM2 端控製三*管 Q 2 和場效應管 Q 3 的通斷（duàn）。L 1 表示的是勵磁線圈(傳感器中線圈（quān）)，COM1、COM2 為正交的 PWM 波信號（hào），因此在勵磁線圈 L 1 的兩端會產生方波勵磁信號。檢流電路主要是用來檢測（cè）勵磁線圈中電流的變化，當線圈中的勵磁電流方向變（biàn）化時，可以及時（shí）將此信息反饋給高低壓切換恒（héng）流控（kòng）製電路中的比較（jiào）器，從而（ér）實現切換高低壓（yā）源達（dá）到恒流控製（zhì）的目的。
2．2 信號調理電（diàn）路
由於（yú）傳感器線圈輸出的電動（dòng）勢（shì）信號非常微弱，幹擾成分複雜，信號幅值受磁場（chǎng）變動影響較（jiào）大，不能滿足 ADC 采用的要求，因此需要對此信號進行調理。
信號調理電路（lù）原理圖如圖 4 所示。
如圖4 所示，信號調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（lù）構成，其主要是去除信號中的共模幹擾並且進行*一次前置放大，前置放大電路（lù）的放（fàng）大倍數為 15。由於有效信號的（de）幅值很小，經過前置放大電路後信號中還存在很多高頻雜波（bō），這些雜波會影響對後（hòu）級信號（hào）的處理，因此還需要對前置放大電路輸出的信號進行低通濾（lǜ）波和二次放大。係統選用二階有（yǒu）源低（dī）通濾波電路濾除信號中的高頻幹擾，低通濾波的截止頻率設定在 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行二次（cì）放大，將信號調（diào）理（lǐ）電路輸出的信號（hào）調整在 0～5 V 之間，*終利用 DSP 內部的 AD 轉換器對此信號進行模數轉（zhuǎn）換得出傳感器線圈輸出的感（gǎn）應（yīng）電動勢，從而根據相（xiàng）關的公式計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（yóu）流量計輸出的流量（liàng）值可以通過外接的 TFTLCD 屏直接顯示，還可（kě）以通過預留的 ＲS485 通信接口將數據發送到上位（wèi）機中。ＲS485 電路*大（dà）的優點是（shì） 485 電平與 TTL 電（diàn）平兼容，方便與 TTL 電路相連;抗共模幹擾能力強;數（shù）據傳輸速度快，高達 10 Mbps;通信距離遠，*大為 1．2 km。係統采用 SP3485 芯片（piàn）進行數據通信，SP3485 是一款低功耗芯片且符（fú）合ＲS485 協議的收發器，電（diàn）路圖如圖 6 所示。
3 軟件設計
軟件流程圖如圖7 所（suǒ）示。軟件采用模（mó）塊（kuài）化的（de）設計方法，主要設計了勵磁控製切換程序（xù）、PWM 波產（chǎn）生程（chéng）序（xù）、A/D 轉換程（chéng）序以及 ＲS485 通信程序等。係統上電後*先執行複位（wèi）操作（zuò），利用 DSP 內部的定時器產生PWM 波控製（zhì） H 橋電路（lù）中的勵磁（cí）方式（shì），當係統（tǒng）檢測到傳感器線（xiàn）圈輸出的感應電動勢後，利用 DSP 內部的（de） 12位 A/D 轉換器對此信號進行模數轉換，*後根據相應算法計算出管道中被測液體（tǐ）的流量（liàng）。
4 實驗數據分析
實驗中使用管道的管徑為標準 50 mm，連續檢測管道中同一點的流量，每 10 min 記錄一次數據，對比數（shù）據的（de）差異（yì），以此來判定係統測量的穩定性。*先對管道中的流（liú）量進行標定，利用標準流量計進行檢測，通過改變閥門開度來調整管（guǎn）道中液體流量，流量標定為 1 m/s，此時啟動係統開始檢測，數據如表 1 所示。
由表 1 測量數據可知，當管道中液體的流速恒定時，係統在同一點檢測到的流（liú）量基本一致，誤差在 4%內，由此可見（jiàn）係統具有良好的穩定性，符合設計預期。在驗證完係統的穩定性之後，進一步檢驗係（xì）統測量的準確（què）性。通過閥門改變管道（dào）中待（dài）測液體的流速，將標準流量計（jì）檢測到的流速與被測煤焦油流量計測量的流速（sù）進行比較，實驗測量數據如表 2 所示。
由表 2 測量數據可知，係統在測量低流（liú）速液體時(流速小（xiǎo）於 1 m/s)誤差較大，達到 5%，當待測液體的（de）流速（sù）增大時(大於 1．4 m/s)，誤（wù）差逐漸減小，基本維持在 3%以內。由（yóu）此（cǐ）可見係統具有較高的檢測精度，尤其是（shì）當管道中的液體流速較高時，係統的（de）檢測誤差不超過 3%，達到了設（shè）計預（yù）期。
5 結束（shù）語
文中采用了基（jī）於能量回饋和電流（liú）旁路的高低壓（yā）勵磁控製（zhì）方案，通過高低壓切換勵磁的方（fāng）式來實現對勵磁過程（chéng）中恒（héng）流（liú）的控（kòng）製，從而使得（dé）係統穩定可靠運行。MCU采用高性能數字處理器 DSP TMS320F28335，提高了係（xì）統的采樣（yàng）精度以及算法（fǎ）處理的速度。在測量數據顯示方（fāng）麵，利用 TFT LCD 屏（píng）直接顯示測量結果，也可以將（jiāng）測（cè）量數據通過 ＲS485 接口發送到上位機中。實際測試結果（guǒ）表明，係統具有良好的（de）穩定性，且測量精度較高，誤差不超過 5%。
引言
流量檢測在工業生產、廢液監測以及管道運輸等領域有著廣泛的應用（yòng），根據測量原（yuán）理不同（tóng），流量計可以大致分為力學、電學、聲學、熱（rè）學、光（guāng）學等類型，其中煤（méi）焦油流量計是依據電學原理研製而成，煤焦油流量計與（yǔ）其他流量計相比，具有結構簡單、測量（liàng）精度高、穩定性好等特點。但煤（méi）焦油流（liú）量計在測（cè）量低流速、低（dī）導電率液體時存在精度不高（gāo）等缺點，為了克服（fú）這個缺點，本文研製了一種基於 DSP 的高頻勵磁煤焦油流量計，在勵磁方式上選用旁路勵磁電路與恒流控製（zhì）電路相結合的方式，提高了（le）勵磁頻率以及能量的利用（yòng）效率。本文選用高性能 DSP TMS320F28335 來（lái）采（cǎi）集（jí）處理傳感器輸出的信號，顯（xiǎn）著提高了係統測量時的響應速度，將流量計算結果通過 LCD 屏的方式實時（shí）顯示（shì），係統具有體積小、便攜式以及測量精度高等優點。
1 高頻勵磁（cí）煤焦（jiāo）油流量計測量原理
煤焦（jiāo）油流量（liàng）計（jì）根據電磁感應定律的原理來測（cè）量導電液體（tǐ）的流量（liàng），測量導電液體的傳感器中繞有線圈，通過給線圈通電，當液體流（liú）過線圈時就會切割（gē）磁感線，此時在線圈的（de）兩端會產生感應電動勢 e，根據電磁學（xué）中右手（shǒu）法則（zé）可得:
e=BLv (1)
式（shì）中（zhōng）:B 為傳感（gǎn）器線（xiàn）圈產生的磁場強度;L 為傳感器線圈的長度;v 為液體在傳感器中流動（dòng）的速度。
由流量計算公式可（kě）得（dé）:
式中 S 為傳感（gǎn）器（qì）管道的（de）截麵積。由式(1)可知，當 B 和 L 已知時，隻（zhī）要（yào）測（cè）得（dé） e 就可以反推出 v;由式（shì）(2)可知，當（dāng）測得 v 時就能計算出 Q。
2 高頻勵磁煤焦油流量計硬件設計
高頻勵磁煤焦油流量計由傳感器、高頻勵磁電路、信（xìn）號處理電（diàn）路等組成，其中高頻勵磁（cí）電路決定著傳感器（qì）磁（cí）場的強（qiáng）弱，勵磁電路的穩定性以及精確性（xìng）決定著係統檢測的準確性以及穩定性。DSP 係統控製勵磁電路（lù）激勵傳感器線圈（quān），當線圈（quān）中（zhōng）有導電液體流過時，其切割磁（cí）感線並在傳感器（qì）兩（liǎng）端的線圈（quān）上產生感應電（diàn）動勢（shì），利（lì）用信號檢測電路監測感應（yīng）電動勢的大小，*後根據相應關係計算（suàn）出液體的流量（liàng），係統硬件框圖如圖 1 所（suǒ）示。
2．1 高頻勵磁（cí）電路設計
高（gāo）頻勵磁電路主要由高低壓切（qiē）換恒流控（kòng）製電路和H 橋（qiáo）勵磁開關（guān）電路組成。其中高低壓切換恒流控製電路（lù）確（què）保高壓或低壓情況，都可以通過 H 橋向（xiàng）勵磁線圈提供恒定的（de）電（diàn）流。電路原理圖如圖 2所示。
如圖2 所示（shì），在對傳感器線圈進行（háng）勵磁時，通過比（bǐ）較器（qì）控製切換開關切換高低（dī）壓進（jìn）行勵磁。V ref 作為比較器（qì）的基準輸入端（duān），其（qí）表示勵磁電流的（de）電壓（yā）穩態（tài）值;而（ér） C ur 則表示 H 橋勵磁電路中檢測到的電（diàn）壓信號。一開（kāi）始當係統處於低壓勵磁狀（zhuàng）態時，係統會（huì）自動斷開切換電路中的電流旁路（lù），此時係統（tǒng）通過利用（yòng） H 橋向勵磁線圈提供恒定電流（liú）。當勵（lì）磁方（fāng）向變化時，電流檢測電路就會檢測（cè）到電流變（biàn）為（wéi）負方向，比較器的 C ur 端與V ref 端的平衡就會發生變化，此時係統通過比較（jiào）器自動切換為高壓勵磁狀態。與低壓勵磁方式相反，在此種狀態下，恒流控製電路關閉而電流旁路打開，線圈中的能（néng）量就會存儲在能（néng）量回饋電路中，此時 C 1 端的電壓會超過高壓源。等勵（lì）磁線圈中的能量釋放完後，電流逐漸降為零，此時能量回（huí）饋電路就會利用電流旁路和 H 橋將能量反饋給勵磁線圈。當電容 C 1 端的電壓下降到小於高壓源時，係統就會自動通過電流旁（páng）路和H 橋直接對勵磁線圈進行勵磁，當勵磁線圈中的電流超過設定（dìng）閾（yù）值時，C ur 端電（diàn）壓就會（huì）大於 V ref 點電（diàn）壓，此時比較器又（yòu）會切換成低壓勵磁方式，如此反複循環控製，達到對勵磁線圈恒流控製的目的。圖 3 為 H 橋勵磁控製電路。
由圖 3 可知，I o 為高低壓切換恒流控製電路輸出的恒流源（yuán）電（diàn）流，H 橋驅動的（de） COM1 端（duān）控製三*管 Q 1和場效應管 Q 4 的（de）通（tōng）斷;COM2 端控製三*管 Q 2 和場效應管 Q 3 的通斷（duàn）。L 1 表示的是勵磁線圈(傳感器中線圈（quān）)，COM1、COM2 為正交的 PWM 波信號（hào），因此在勵磁線圈 L 1 的兩端會產生方波勵磁信號。檢流電路主要是用來檢測（cè）勵磁線圈中電流的變化，當線圈中的勵磁電流方向變（biàn）化時，可以及時（shí）將此信息反饋給高低壓切換恒（héng）流控（kòng）製電路中的比較（jiào）器，從而（ér）實現切換高低壓（yā）源達（dá）到恒流控製（zhì）的目的。
2．2 信號調理電（diàn）路
由於（yú）傳感器線圈輸出的電動（dòng）勢（shì）信號非常微弱，幹擾成分複雜，信號幅值受磁場（chǎng）變動影響較（jiào）大，不能滿足 ADC 采用的要求，因此需要對此信號進行調理。
信號調理電路（lù）原理圖如圖 4 所示。
如圖4 所示，信號調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（lù）構成，其主要是去除信號中的共模幹擾並且進行*一次前置放大，前置放大電路（lù）的放（fàng）大倍數為 15。由於有效信號的（de）幅值很小，經過前置放大電路後信號中還存在很多高頻雜波（bō），這些雜波會影響對後（hòu）級信號（hào）的處理，因此還需要對前置放大電路輸出的信號進行低通濾（lǜ）波和二次放大。係統選用二階有（yǒu）源低（dī）通濾波電路濾除信號中的高頻幹擾，低通濾波的截止頻率設定在 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行二次（cì）放大，將信號調（diào）理（lǐ）電路輸出的信號（hào）調整在 0～5 V 之間，*終利用 DSP 內部的 AD 轉換器對此信號進行模數轉（zhuǎn）換得出傳感器線圈輸出的感（gǎn）應（yīng）電動勢，從而根據相（xiàng）關的公式計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（yóu）流量計輸出的流量（liàng）值可以通過外接的 TFTLCD 屏直接顯示，還可（kě）以通過預留的 ＲS485 通信接口將數據發送到上位（wèi）機中。ＲS485 電路*大（dà）的優點是（shì） 485 電平與 TTL 電（diàn）平兼容，方便與 TTL 電路相連;抗共模幹擾能力強;數（shù）據傳輸速度快，高達 10 Mbps;通信距離遠，*大為 1．2 km。係統采用 SP3485 芯片（piàn）進行數據通信，SP3485 是一款低功耗芯片且符（fú）合ＲS485 協議的收發器，電（diàn）路圖如圖 6 所示。
3 軟件設計
軟件流程圖如圖7 所（suǒ）示。軟件采用模（mó）塊（kuài）化的（de）設計方法，主要設計了勵磁控製切換程序（xù）、PWM 波產（chǎn）生程（chéng）序（xù）、A/D 轉換程（chéng）序以及 ＲS485 通信程序等。係統上電後*先執行複位（wèi）操作（zuò），利用 DSP 內部的定時器產生PWM 波控製（zhì） H 橋電路（lù）中的勵磁（cí）方式（shì），當係統（tǒng）檢測到傳感器線（xiàn）圈輸出的感應電動勢後，利用 DSP 內部的（de） 12位 A/D 轉換器對此信號進行模數轉換，*後根據相應算法計算出管道中被測液體（tǐ）的流量（liàng）。
4 實驗數據分析
實驗中使用管道的管徑為標準 50 mm，連續檢測管道中同一點的流量，每 10 min 記錄一次數據，對比數（shù）據的（de）差異（yì），以此來判定係統測量的穩定性。*先對管道中的流（liú）量進行標定，利用標準流量計進行檢測，通過改變閥門開度來調整管（guǎn）道中液體流量，流量標定為 1 m/s，此時啟動係統開始檢測，數據如表 1 所示。
由表 1 測量數據可知，當管道中液體的流速恒定時，係統在同一點檢測到的流（liú）量基本一致，誤差在 4%內，由此可見（jiàn）係統具有良好的穩定性，符合設計預期。在驗證完係統的穩定性之後，進一步檢驗係（xì）統測量的準確（què）性。通過閥門改變管道（dào）中待（dài）測液體的流速，將標準流量計（jì）檢測到的流速與被測煤焦油流量計測量的流速（sù）進行比較，實驗測量數據如表 2 所示。
由表 2 測量數據可知，係統在測量低流（liú）速液體時(流速小（xiǎo）於 1 m/s)誤差較大，達到 5%，當待測液體的（de）流速（sù）增大時(大於 1．4 m/s)，誤（wù）差逐漸減小，基本維持在 3%以內。由（yóu）此（cǐ）可見係統具有較高的檢測精度，尤其是（shì）當管道中的液體流速較高時，係統的（de）檢測誤差不超過 3%，達到了設（shè）計預（yù）期。
5 結束（shù）語
文中采用了基（jī）於能量回饋和電流（liú）旁路的高低壓（yā）勵磁控製（zhì）方案，通過高低壓切換勵磁的方（fāng）式來實現對勵磁過程（chéng）中恒（héng）流（liú）的控（kòng）製，從而使得（dé）係統穩定可靠運行。MCU采用高性能數字處理器 DSP TMS320F28335，提高了係（xì）統的采樣（yàng）精度以及算法（fǎ）處理的速度。在測量數據顯示方（fāng）麵，利用 TFT LCD 屏（píng）直接顯示測量結果，也可以將（jiāng）測（cè）量數據通過 ＲS485 接口發送到上位機中。實際測試結果（guǒ）表明，係統具有良好的（de）穩定性，且測量精度較高，誤差不超過 5%。