摘要:為了實現(xiàn)較高的勵磁頻率，提高響應(yīng)速度,同時減少電磁流量計的功耗，提出基于電壓電流比值的瞬態(tài)測量方法,確定電壓電流比值與流量之間的關(guān)系。設(shè)計了基于DSP的硬件,采集瞬態(tài)時的勵磁電流和信號電壓來驗證該處理方法，離線數(shù)據(jù)分析表明，電壓電流比值與流量有良好的線性關(guān)系。設(shè)計的DSP軟件可實時實現(xiàn)瞬態(tài)測量方法，并進(jìn)行水流量標(biāo)定和功耗測試實驗。實驗結(jié)果表明，流量測量精度到0.5級，與普通電磁流量計相同。功耗對比表明,基于瞬態(tài)測量原理的電磁流量計的勵磁功耗是普通電磁流量計的30%。
1引言
電磁流量計是一種基于電磁感應(yīng)定律測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由于其測量管道內(nèi)無阻擋體、耐腐蝕性強、可靠性高，且不受流體密度、黏度、溫度、壓力變化的影響，所以，在石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用，被用于水流量和漿液流量的測量[1,2]目前電磁流量計在水流量測量時大多采用低頻矩形波或三值波勵磁.[3-5]，勵磁電流需要保持足夠時間的穩(wěn)定段，以使傳感器輸出信號獲得較長時間的平穩(wěn)段,保證其測量精度。在用于漿液測量時,為了克服漿液噪聲對流量信號的影響，大多采用高頻勵磁方法。通過采用高低壓勵磁的方法使電流快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即在提高勵磁頻率的情況下保證勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài);但是，無論水流量測量時的低頻勵磁，還是漿液流量測量時的高頻勵磁，都是在勵磁電流的穩(wěn)態(tài)段拾取對應(yīng)的.傳感器信號,即都是利用勵磁電流的穩(wěn)態(tài)段進(jìn)行測量，需要維持勵磁電流的穩(wěn)定,這將導(dǎo)致電磁流量計的勵磁功耗大,發(fā)熱嚴(yán)重，影響其使用壽命。為了降低功耗,文獻(xiàn)[9]對勵磁電流的瞬態(tài)過程進(jìn)行了研究,驗證了瞬態(tài)測量的可行性。相比穩(wěn)態(tài)測量,瞬態(tài)測量時的勵磁電流不需要進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，也不需要恒流源來穩(wěn)定勵磁電流，可有效地降低勵磁功耗,并有利于實現(xiàn)較高的勵磁頻率;但是，瞬態(tài)時的勵磁電流和信號電壓都處于動態(tài)上升過程，信號的幅值同時與流量和時間有關(guān),而且此時微分干擾也不能忽略，導(dǎo)致信號電壓與流量之間的關(guān)系難以確定。文獻(xiàn)[9]先求出輸出電壓兩個指數(shù)項的系數(shù)，再利用得到的系數(shù)間接求得與流速對應(yīng)的結(jié)果,并通過對離線數(shù)據(jù)處理,驗證了瞬態(tài)測量的可行性;但是，該方式求解過程較為復(fù)雜，不利于實時實現(xiàn)。
為此,分析電磁流量計瞬態(tài)過程的信號模[10,11]型，提出電壓電流比值的處理方法，確定了電壓電流比值與流量之間的關(guān)系;定量計算并比較了穩(wěn)態(tài)測量和瞬態(tài)測量時勵磁線圈上的功耗;設(shè)計基于DSP的硬件，采集電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了離線驗證;研制DSP軟件，實時實現(xiàn)瞬態(tài)測量方法;進(jìn)行水流量標(biāo)定實驗驗證。
2瞬態(tài)測量原理
2.1信號模型
瞬態(tài)測量由于勵磁時間短，勵磁電流和其感應(yīng)產(chǎn)生的磁場均不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時的勵磁線圈應(yīng)作為一-個感性負(fù)載處理。因此,在勵磁電流的非穩(wěn)態(tài)上升過程中,線圈中勵磁電流為:
式中:U為勵磁電壓;R為勵磁回路電阻;α=R/L為勵磁回路時間常數(shù);L為勵磁線圈電感。管道中導(dǎo)電液體流經(jīng)勵磁電流感應(yīng)產(chǎn)生的磁場時,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。忽略共模干擾等噪聲影響，傳感器電極兩端產(chǎn)生的信號電壓為:
可見,信號電壓主要由2部分組成:一部分是導(dǎo)電液體流經(jīng)磁場產(chǎn)生的電壓分量即流量分量，其大小與流量相關(guān),系數(shù)a對應(yīng)流速;另一部分為微分干擾,其系數(shù)為b。分析可知，微分干擾是由勵磁電流變化所引起，其系數(shù)b與管道內(nèi)流速無關(guān)。微分干擾不隨流速變化，隨時間增加而逐漸變小。
2.2電壓電流比值方法
針對瞬態(tài)測量,通過對信號電壓的分析，確定了信號電壓和勵磁電流的比值與流量的線性關(guān)系，提出了基于電壓電流比值的處理方法。瞬態(tài)測量勵磁時間短,勵磁電流及其感應(yīng)產(chǎn)生的磁場均未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。在勵磁電流的上升過程中，微分干擾只隨時間變化，而流量分量受到勵磁電流的影響，其大小不僅與流速有關(guān),還隨時間變化。為了消除勵磁電流對流量分量的影響,同時減小電流波動帶來的磁場波動對信號產(chǎn)生的影響,將信號電壓比上勵磁電流，即式(2)比上式(1),得到:
式中:i=1,2.k;ti為同相位對應(yīng)的時間點。根據(jù)式(4),干擾只隨時間變化而與流速無關(guān)，那么對于任一同相位點t，不同流量下的干擾均為相同的確定值。即同相位取點后干擾部分相同，電壓電流的比值只跟隨流量變化。若對電壓電流比值進(jìn)行多個同相位取點并求和，得到:
式(6)中對電壓電流比值取了5個同相位點。可知，對電壓與電流比值進(jìn)行5個同相位取點后,在同一流量下，每個同相位點的干擾部分B(t)均是確定值，則求和之后的
也是一個確定值。又由于不同流量下同相位取點的干擾部分相同，則不同流量下電壓電流比值的5個同相位點求和后，干擾也是相同的確定值。即對電壓電流比值取5個同相位點求和后,干擾部分固定,比值的大小只隨流量變化。而流量為零時，電壓電流比值等于干擾部分的值，所以，可將干擾部分作為零點處理。
2.3功耗分析
以DN40電磁流量計為例,比較穩(wěn)態(tài)測量和瞬態(tài)測量時勵磁線圈上的功耗。對于口徑為40mm,勵磁回路電阻為56Ω,勵磁線圈電感為127mH的一次儀表，穩(wěn)態(tài)測量時采用高低壓電源切換的勵磁控制方法,穩(wěn)態(tài)勵磁電流約為180mA,勵磁頻率可調(diào)[10),不同頻率勵磁時，勵磁功耗基本相同。當(dāng)勵磁頻率為12.5Hz時，每半周期勵磁時間為40ms。在勵磁電流上升到穩(wěn)態(tài)值這段時間里，加載在勵磁線圈.上的勵磁電壓為80V,已知勵磁回路時間常數(shù)為
，則此時的勵磁電流為：
勵磁電源為高壓電源時,勵磁電流可以快速達(dá)到180mA,之后切換為低壓源,使勵磁電流保持在穩(wěn)態(tài)值。計算可知，此時勵磁電流達(dá)到180mA的時間約為0.3ms,則上升段對應(yīng)的勵磁能耗為:
勵磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值后線圈.上勵磁電壓為17V,勵磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時間約為0.3ms,半周期時間為40ms,可得勵磁電流穩(wěn)定段對應(yīng)的能耗為:
W2=17V·0.18A·(0.04s-0.0003s)=0.1215J
即每半周期的勵磁功耗為W=W1+W2=0.1237J。而12.5Hz勵磁時每秒有25個勵磁半周期，則普通電磁流量計1s內(nèi)的能耗為Wp=W·75=3.0925J。
瞬態(tài)測量時,配合同樣的一-次儀表,計算了在高頻勵磁時勵磁線圈上的能耗。此時,線圈上勵磁電壓約為16V,勵磁頻率為37.5Hz,每秒有75個勵磁半周期。半周期勵磁時間為8ms,此時勵磁電流尚未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，勵磁電流最大約為190mA。
由瞬態(tài)測量時線圈中勵磁電流為
對比可知,瞬態(tài)測量時勵磁線圈上1s內(nèi)的能耗約為普通電磁流量計的64%,即瞬態(tài)測量時勵磁線圈上的功耗約為普通電磁流量計的64%。而且瞬態(tài)測量時不需要恒流源，也能降低勵磁系統(tǒng)的功耗，所以,瞬態(tài)測量能有效地降低勵磁系統(tǒng)的功耗。
3方法驗證
為了驗證提出的處理方法,硬件系統(tǒng),采集電壓和電流數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理。硬件設(shè)計中,選用24位AD進(jìn)行采樣，以更準(zhǔn)確地測得動態(tài)變化的信號電壓和勵磁電流,提高測量精度。同時，為了準(zhǔn)確地求得電壓電流比值，需要同步測得電壓和電流。否則，會造成電壓電流比值出現(xiàn)偏差，影響到測量結(jié)果。所以，硬件電路中使用兩片24位AD分別采集電壓和電流,并配置為同步采樣。
3.1硬件研制
硬件主要包括勵磁驅(qū)動模塊、信號調(diào)理采集模塊、人機接口模塊、輸出模塊、通訊模塊和存儲模塊。在勵磁驅(qū)動模塊中,通過DSP芯片.上的ePWM產(chǎn)生勵磁時序控制H橋的通斷,進(jìn)而控制勵磁線圈的勵磁。信號調(diào)理采集模塊中,通過兩片24位ADC同時采集經(jīng)過信號處理電路的信號電壓和勵磁電流。人機接口模塊中,利用鍵盤設(shè)置和修改相關(guān)參數(shù),通過液晶實時顯示流量相關(guān)信息。輸出模塊中,通過GPIO口控制輸出4~20mA電流。通信模塊中,通過上位機發(fā)出命令,實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與參數(shù)設(shè)置。存儲模塊中，利用鐵電存儲重要參數(shù)以及上次斷電時的累計流量。與普通電磁流量計相比，由于瞬態(tài)測量時勵磁電流不需要進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因而在設(shè)計中去掉了恒流源電路。
3.2離線數(shù)據(jù)分析
利用DSP硬件系統(tǒng)，在勵磁電壓為16V,勵磁頻率為37.5Hz,勵磁時間為8ms,采樣頻率為2500Hz的情況下，進(jìn)行了流量測量實驗。分.別在0，1.5,2.5,4.5，10，15,22.5m3/h等流量下采集勵磁電流和信號電壓，并在Matlab中對采集的數(shù)據(jù)做了相應(yīng)的處理。
瞬態(tài)測量利用的是勵磁電流動態(tài)上升的階段，不需要電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。勵磁電流波形如圖1所示，由于是在勵磁控制模塊的H橋路近地端加入一一個檢流電阻來測量勵磁電流,所以，這樣的采集方法就導(dǎo)致電流方向始終保持同向。，可以看到,在勵磁電
流的瞬態(tài)_上升過程中，勵磁電流還未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)就已經(jīng)停止勵磁,此時勵磁電流達(dá)到最大，約為190mA,。
由于勵磁電流沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)，與之對應(yīng)的信號電壓也處于非穩(wěn)態(tài)過程，主要包含流量分量和微分干擾兩部分,但是,實際采集到的傳感器信號引入了直流偏置和50Hz工頻干擾,為此，對信號電壓進(jìn)行梳狀帶通濾波處理以消除直流偏置和工頻干擾。各流量下信號電壓梳狀帶通濾波后的結(jié)果如圖3所示，信號電壓幅值由低到高對應(yīng)的流量依次為0~22.5m3/h。其中,圖2中信號電壓與圖1中前2個半周期的勵磁電流相對應(yīng),為正負(fù)兩個半周期。可以看出，在非穩(wěn)態(tài)上升過程中，信號電壓的幅值與管道內(nèi)流量大小仍是相關(guān)的。當(dāng)流量為零時,信號電壓主要為微分干擾。
由式(4)分析可知，電壓電流的比值與流量有關(guān)。為了進(jìn)一步驗證電壓電流比值與各流量之間的關(guān)系,將經(jīng)過濾波處理的信號電壓除以對應(yīng)的勵磁電流,再對每個半周期電壓電流比值進(jìn)行幅值解調(diào)，最后對解調(diào)后的比值取5點求均值作為每半周期的輸出結(jié)果。
對各半周期的輸出結(jié)果求均值,再利用最小二乘法擬合,擬合出的關(guān)系曲線如圖3所示。圖3中，電壓電流比值的輸出結(jié)果落在擬合曲線上或均勻地分布在曲線兩側(cè)。可見，電壓電流比值與流量有良好的線性關(guān)系;而流量為零時對應(yīng)的值即為電壓與電流比值后的干擾部分，可作為零點處理。
4實時測量
為了進(jìn)一步驗證其精度,用C語言實現(xiàn)上述處理方法,研制DSP軟件。在基于DSP的瞬態(tài)測量系統(tǒng).上實時實現(xiàn)該測量方法，進(jìn)行水流量標(biāo)定實驗.和功耗測試。
4.1軟件編程
軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方案,主要功能模塊有:初始化模塊、驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機接口模塊等,程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，然后配置兩片ADC同步采樣,開啟勵磁中斷，勵磁開始工作。半周期采樣結(jié)束后判斷采集到的信號電壓是否超限,之后調(diào)用算法模塊,刷新液晶顯示。在算法模塊中,先是對采集到的信號電壓進(jìn)行梳狀帶通濾波處理，再將濾波后的電壓除以對應(yīng)勵磁電流,然后對電壓電流比值進(jìn)行半周期幅值解調(diào),對解調(diào)后的比值取5點求均值作為輸出結(jié)果參與到流速的計算。
4.2水流量標(biāo)定
將電磁流量變送器與國內(nèi)某大型企業(yè)研制的40mm口徑的夾持式傳感器相配合，在實驗室的水流量標(biāo)定裝置.上，采取容積法進(jìn)行標(biāo)定,即將電磁流量計測得的流量結(jié)果與量筒內(nèi)體積比較，驗證電磁流量計的精度。實驗數(shù)據(jù)如表1所示
如表1中數(shù)據(jù)所示，共檢定了5個流量點,其中,最大流速為5m/s,最小流速為0.3m/s。實驗結(jié)果表明,在勵磁頻率為37.5Hz,勵磁時間為8ms的瞬態(tài)測量中,流量計測量精度達(dá)到0.5級。實驗驗證表明，利用勵磁電流的瞬態(tài)過程進(jìn)行測量的系統(tǒng)，采用電壓電流比值的處理方法能達(dá)到普通電磁流量計的精度要求。
4.3功耗測試
功耗測試實驗DN40一次儀表的線圈電阻為56Ω,電感為127mH,將其分別與勵磁頻率為12.5Hz.的普通電磁流量變送器和37.5Hz、8ms.勵磁的瞬態(tài)測量系統(tǒng)相配合進(jìn)行了勵磁系統(tǒng)的功耗測試。其中,通過測量勵磁電源的輸入電壓和輸入電流來計算勵磁電源的輸入功率。
普通電磁流量變送器的勵磁系統(tǒng)采用了高低壓電源切換的控制方式,其中,勵磁電源的高壓為80V,輸入電流為12mA,低壓為24V,輸入電流為176.8mA,即勵磁電源的輸入功率為5.20W。文中瞬態(tài)測量系統(tǒng)的勵磁電源輸入電壓為24V,勵磁頻率為37.5Hz時輸入電流為65.4mA,即勵磁電源的輸入功率為1.57W.結(jié)果表明，瞬態(tài)測量的勵磁功耗約為普通電磁流量計的30%。
5結(jié)束語
針對電磁流量計瞬態(tài)測量中由于信號電壓同時受到流量和時間影響而導(dǎo)致電壓與流量關(guān)系不明確的問題，通過分析瞬態(tài)過程中動態(tài)變化的勵磁電流和信號電壓，提出了電壓電流比值的瞬態(tài)測量方法，確定了電壓電流比值與流量之間的關(guān)系。基于DSP的硬件系統(tǒng)，采集瞬態(tài)時的勵磁電流和信號電壓,利用文中方法在Matlab中對采集的數(shù)據(jù)做了相應(yīng)處理。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)的處理結(jié)果與流量有良好的線性關(guān)系。編寫了DSP軟件,在基于DSP的系統(tǒng)上實時實現(xiàn)了瞬態(tài)測量方法，進(jìn)行了水流量標(biāo)定實驗。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量精度能達(dá)到0.5%，與普通電磁流量計相同。測試了普通電磁流.量計和瞬態(tài)測量系統(tǒng)的勵磁系統(tǒng)的功耗,結(jié)果表明，瞬態(tài)測量時勵磁系統(tǒng)的功耗約為普通電磁流量計的30%，瞬態(tài)測量方法在實現(xiàn)高頻勵磁的同時能夠極大地減小功耗。
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