高頻勵磁煤焦油流量計的測量原理與設(shè)計
點擊次數(shù)：2482 發(fā)布時間：2021-01-19 14:39:11
摘要:針對傳統(tǒng)煤焦油流量計在測量漿液流量時存在精度低、傳感器輸出波動大等缺點，設(shè)計了一種基于 DSP 的高頻勵磁煤焦油流量計。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，流量計可以大致分為力學、電學、聲學、熱學、光學等類型，其中煤焦油流量計是依據(jù)電學原理研制而成，煤焦油流量計與其他流量計相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好等特點。但煤焦油流量計在測量低流速、低導電率液體時存在精度不高等缺點，為了克服這個缺點，本文研制了一種基于 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，將流量計算結(jié)果通過 LCD 屏的方式實時顯示，系統(tǒng)具有體積小、便攜式以及測量精度高等優(yōu)點。
1 高頻勵磁煤焦油流量計測量原理
煤焦油流量計根據(jù)電磁感應(yīng)定律的原理來測量導電液體的流量，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。
由流量計算公式可得:
式中 S 為傳感器管道的截面積。由式(1)可知，當 B 和 L 已知時，只要測得 e 就可以反推出 v;由式(2)可知，當測得 v 時就能計算出 Q。
2 高頻勵磁煤焦油流量計硬件設(shè)計
高頻勵磁煤焦油流量計由傳感器、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，當線圈中有導電液體流過時，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
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，在對傳感器線圈進行勵磁時，通過比較器控制切換開關(guān)切換高低壓進行勵磁。V ref 作為比較器的基準輸入端，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。當勵磁方向變化時，電流檢測電路就會檢測到電流變?yōu)樨摲较颍容^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行勵磁，當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 點電壓，此時比較器又會切換成低壓勵磁方式，如此反復循環(huán)控制，達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 端控制三極管 Q 1和場效應(yīng)管 Q 4 的通斷;COM2 端控制三極管 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，從而實現(xiàn)切換高低壓源達到恒流控制的目的。
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)送到上位機中。ＲS485 電路*大的優(yōu)點是 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;數(shù)據(jù)傳輸速度快，高達 10 Mbps;通信距離遠，*大為 1．2 km。系統(tǒng)采用 SP3485 芯片進行數(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
軟件流程圖如圖7 所示。軟件采用模塊化的設(shè)計方法，主要設(shè)計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)換器對此信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，*后根據(jù)相應(yīng)算法計算出管道中被測液體的流量。
4 實驗數(shù)據(jù)分析
實驗中使用管道的管徑為標準 50 mm，連續(xù)檢測管道中同一點的流量，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行標定，利用標準流量計進行檢測，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，當管道中液體的流速恒定時，系統(tǒng)在同一點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)計預(yù)期。在驗證完系統(tǒng)的穩(wěn)定性之后，進一步檢驗系統(tǒng)測量的準確性。通過閥門改變管道中待測液體的流速，將標準流量計檢測到的流速與被測煤焦油流量計測量的流速進行比較，實驗測量數(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，達到 5%，當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，尤其是當管道中的液體流速較高時，系統(tǒng)的檢測誤差不超過 3%，達到了設(shè)計預(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)送到上位機中。實際測試結(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，流量計可以大致分為力學、電學、聲學、熱學、光學等類型，其中煤焦油流量計是依據(jù)電學原理研制而成，煤焦油流量計與其他流量計相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好等特點。但煤焦油流量計在測量低流速、低導電率液體時存在精度不高等缺點，為了克服這個缺點，本文研制了一種基于 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，將流量計算結(jié)果通過 LCD 屏的方式實時顯示，系統(tǒng)具有體積小、便攜式以及測量精度高等優(yōu)點。
1 高頻勵磁煤焦油流量計測量原理
煤焦油流量計根據(jù)電磁感應(yīng)定律的原理來測量導電液體的流量，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。
由流量計算公式可得:
式中 S 為傳感器管道的截面積。由式(1)可知，當 B 和 L 已知時，只要測得 e 就可以反推出 v;由式(2)可知，當測得 v 時就能計算出 Q。
2 高頻勵磁煤焦油流量計硬件設(shè)計
高頻勵磁煤焦油流量計由傳感器、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，當線圈中有導電液體流過時，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
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，在對傳感器線圈進行勵磁時，通過比較器控制切換開關(guān)切換高低壓進行勵磁。V ref 作為比較器的基準輸入端，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。當勵磁方向變化時，電流檢測電路就會檢測到電流變?yōu)樨摲较颍容^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行勵磁，當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 點電壓，此時比較器又會切換成低壓勵磁方式，如此反復循環(huán)控制，達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 端控制三極管 Q 1和場效應(yīng)管 Q 4 的通斷;COM2 端控制三極管 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，從而實現(xiàn)切換高低壓源達到恒流控制的目的。
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)送到上位機中。ＲS485 電路*大的優(yōu)點是 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;數(shù)據(jù)傳輸速度快，高達 10 Mbps;通信距離遠，*大為 1．2 km。系統(tǒng)采用 SP3485 芯片進行數(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
軟件流程圖如圖7 所示。軟件采用模塊化的設(shè)計方法，主要設(shè)計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)換器對此信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，*后根據(jù)相應(yīng)算法計算出管道中被測液體的流量。
4 實驗數(shù)據(jù)分析
實驗中使用管道的管徑為標準 50 mm，連續(xù)檢測管道中同一點的流量，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行標定，利用標準流量計進行檢測，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，當管道中液體的流速恒定時，系統(tǒng)在同一點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)計預(yù)期。在驗證完系統(tǒng)的穩(wěn)定性之后，進一步檢驗系統(tǒng)測量的準確性。通過閥門改變管道中待測液體的流速，將標準流量計檢測到的流速與被測煤焦油流量計測量的流速進行比較，實驗測量數(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，達到 5%，當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，尤其是當管道中的液體流速較高時，系統(tǒng)的檢測誤差不超過 3%，達到了設(shè)計預(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)送到上位機中。實際測試結(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%。