基于電壓電流微分的新型瞬態(tài)電磁流量變送器

吳建平 ，徐科軍,2 ，許 偉 ，汪春暢，于新龍

(1.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.工業(yè)自動化安徽省工程技術研究中心，安徽 合肥 230009)

0 引言

電磁流量計被廣泛地應用于各種導電液體的流量測量。目前，電磁流量計大多采用低頻勵磁方式，在勵磁電流的穩(wěn)定段實現(xiàn)流量測量[1-4]，其勵磁電流大、持續(xù)時間長[5-7]。這使得電磁流量計功耗大、發(fā)熱嚴重，不利于實現(xiàn)電磁流量計的低功耗。為了降低功耗，國內主要采用降低勵磁電壓和間歇勵磁的方式[7-8]。但是，降低勵磁電壓會影響流量計的響應速度；間歇勵磁的實時性較差，測量精度也有所降低。

國外學者對勵磁電流的瞬態(tài)過程進行了研究[9]，驗證了瞬態(tài)測量的可行性。瞬態(tài)測量利用勵磁電流的瞬態(tài)段實現(xiàn)流量測量。勵磁電流無需進入穩(wěn)態(tài)，可在降低勵磁功耗的同時提高測量的實時性。同時，瞬態(tài)測量時不需要恒流源控制電路，既有效地降低了勵磁功耗，又簡化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。但是，瞬態(tài)信號電壓幅值與流量、時間均有關，會導致信號電壓與流量之間的關系難以確定。文獻[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的結果，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雜，不利于實時實現(xiàn)。

為此，本文研究電磁流量計瞬態(tài)過程的信號模型[10-11]，提出電壓電流微分比值的處理方法，以消除時間的影響，確定電壓電流微分比值與流量之間的關系；研制基于數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)的電磁流量變送器硬件系統(tǒng)，采集瞬態(tài)時的信號電壓和勵磁電流數(shù)據(jù)，離線驗證了電壓電流微分比值與流量之間具有良好的線性關系；研制變送器軟件，實時實現(xiàn)瞬態(tài)測量方法，并進行水流量標定和功耗測試。

1 瞬態(tài)測量方法

為了降低功耗，瞬態(tài)測量通過減少勵磁時間，利用勵磁電流的瞬態(tài)過程進行測量。針對勵磁電流的瞬態(tài)過程，通過研究信號模型，提出了基于電壓電流微分的瞬態(tài)測量方法。

1.1 信號模型

電磁流量計在瞬態(tài)測量中，由于勵磁時間短，勵磁電流及其感應產(chǎn)生的磁場均不能達到穩(wěn)態(tài)。此時的勵磁線圈被當作一個感性負載。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:

(1)

管道中的導電液體流經(jīng)勵磁電流感應產(chǎn)生的磁場時，產(chǎn)生感應電動勢。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:

(2)

由此可見，信號電壓主要由兩部分組成。一部分是導電液體流經(jīng)磁場產(chǎn)生的電壓分量(即流速分量)，其大小與流速相關，系數(shù)a對應于流速。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的，其系數(shù)b與管道內流速無關。

1.2 電壓電流微分方法

分析信號模型可知，在勵磁電流的上升過程中，由流量分量和微分干擾組成的信號電壓的幅值既與流速相關，又受時間的影響，導致信號電壓和流速之間的關系不明確。為此，通過分析瞬態(tài)時的勵磁電流和信號電壓，提出基于電壓電流微分的測量方法，確定了電壓電流微分比值與流速之間的關系。

從瞬態(tài)過程中的勵磁電流和信號電壓的表達式可以看出，時間t僅在指數(shù)項e-αt上出現(xiàn)。如果能消去指數(shù)項，就可以消除時間的影響，使剩下的部分只與流速相關。經(jīng)過對瞬態(tài)過程信號電壓和勵磁電流的分析，發(fā)現(xiàn)信號電壓和勵磁電流微分后的結果均與指數(shù)項e-αt成比例，則電壓和電流微分后相比可以消去指數(shù)項，從而消除時間的影響，確定微分后比值與流速之間的關系。對信號電壓和勵磁電流的處理如下：

對信號電壓進行微分處理，得到:

du(t)=(a×α×I0×e-αt-b×α2×I0×e-αt)dt

(3)

對勵磁電流進行微分處理，得到：

di(t)=α×I0×e-αtdt

(4)

可以看到，式(3)、式(4)都只包含與指數(shù)項e-αt成比例的部分。此時，將兩式相除，得:

(5)

化簡后，得:

(6)

從式(6)可以看出，對信號電壓和勵磁電流分別進行微分處理后，兩者相除消去了指數(shù)項e-αt，等式右邊剩下與流速成比例的系數(shù)a和干擾部分b×α。易知，與流速對應的a只隨流量變化。當流量為零時，等式右邊剩下干擾部分為-b×α，其與流速無關，也不隨時間發(fā)生改變，可以作為零點處理。由式(6)可知，電壓電流微分比值與流速之間具有線性關系。

由于信號電壓的微分和勵磁電流的微分均隨時間發(fā)生變化，為了準確得到電壓電流微分比值，需要同步測得電壓和電流。否則，電壓微分和電流微分相除不能消去指數(shù)項，將影響測量結果的準確度。

2 方法驗證

為了驗證提出的處理方法，研制了硬件系統(tǒng)，采集瞬態(tài)時的信號電壓和勵磁電流數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行離線處理。

2.1 硬件設計

以TI公司的TMS320F28335芯片為核心，研制了電磁流量計硬件系統(tǒng)。硬件主要包括勵磁驅動模塊、信號調理采集模塊、人機接口模塊、輸出模塊、通信模塊和存儲模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

在勵磁驅動模塊中，通過DSP芯片上的脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)產(chǎn)生勵磁時序控制勵磁電路中H橋的通斷，進而控制勵磁線圈的勵磁。信號調理采集模塊中，通過兩片24位模數(shù)轉換器(analog to digital converter，ADC)同步采集經(jīng)過信號處理電路的信號電壓和勵磁電流，并通過多通道串行緩沖串口(multichannel buffered serial port，McBSP)模塊來傳輸轉換后的數(shù)據(jù)；同時，實時監(jiān)測采集到的信號電壓，如果超出設定閾值，則利用數(shù)模轉換器(digital to analog converter，DAC)芯片進行偏置調整。

人機接口模塊中，利用鍵盤設置和修改相關參數(shù)，通過液晶實時顯示流量相關信息。輸出模塊中，通過通用輸入輸出(general purpose input output，GPIO)口控制輸出4～20 mA電流。通信模塊中，利用DSP的串行通信接口(serial communication interface，SCI)實現(xiàn)RS-485通信，通過上位機發(fā)出命令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與參數(shù)設置。在存儲模塊中，利用外部接口(external interface，XINTF)外擴靜態(tài)隨機存取存儲器(static random-access memory，SRAM)存儲較長的程序代碼和數(shù)據(jù)；利用串行外設接口 (serial peripheral interface，SPI)外擴鐵電存儲器存儲關鍵的儀表參數(shù)。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入穩(wěn)態(tài)，因此本系統(tǒng)在設計中去除了恒流源電路[12-15]。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理

利用所研制的電磁流量計系統(tǒng)，在勵磁頻率為1 Hz、半周期勵磁時間為8 ms的情況下(即與文獻[7] 、文獻[8] 所采用的間歇勵磁方式的勵磁工作時間相當)，進行了流量測量試驗。分別在0 m3/h、1.5 m3/h、3 m3/h、4.5 m3/h、6 m3/h、8 m3/h、10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h等流量下同步采集瞬態(tài)時的勵磁電流和信號電壓，并在Matlab中利用上述處理方法對采集的數(shù)據(jù)作相應的處理。

瞬態(tài)測量利用的是勵磁電流動態(tài)上升的階段，不需要電流進入穩(wěn)態(tài)。此時,每周期勵磁工作時間僅占很小一部分。勵磁電流波形如圖2所示。由于是在勵磁控制模塊的H橋路近地端加入一個檢流電阻來測量勵磁電流，該采集方法會導致電流方向始終保持同向。對圖2(a)中的一個勵磁半周期進行放大，可以看到，系統(tǒng)在勵磁電流還未進入穩(wěn)態(tài)時就已經(jīng)停止勵磁，此時勵磁電流最大約為90 mA。

圖2 勵磁電流波形

由于勵磁電流沒有達到穩(wěn)態(tài)，與之對應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50 Hz工頻干擾。為此，對信號電壓進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果如圖3所示，信號電壓幅值由低到高對應的流量依次為0～30 m3/h。

圖3 各流量對應信號電壓

圖3與圖2中的勵磁半周期相對應。可以看出，在非穩(wěn)態(tài)上升過程中，信號電壓的幅值大小同時受到管道內流量和時間的影響。當流量為零時，信號電壓主要為微分干擾，隨著時間增加，微分干擾逐漸減小。

`根據(jù)對式(6)的分析，信號電壓、勵磁電流微分后的比值與流量呈線性關系，且隨流量的增大而增大。為了進一步驗證二者之間的關系，在Matlab中對各個半周期的勵磁電流和梳狀帶通濾波后的傳感器信號分別作微分處理，將兩者的微分結果相除后，再進行半周期幅值解調，并取解調結果均值作為每半周的輸出結果，參與對流速的計算。求各半周期輸出結果的均值作為電壓電流微分比值，利用最小二乘法擬合出電壓電流微分比值與流量之間的關系曲線。其中，各半周期輸出結果與流量的對應關系，以及電壓電流微分比值與流量的擬合曲線如圖4、圖5所示。

圖4、圖5中：電壓電流微分比值結果均勻地分布在擬合曲線的兩端，可見微分比值與流量之間具有良好的線性關系。

圖4 各半周期輸出結果與流量關系

圖5 電壓電流微分比值與流量擬合曲線

3 實時測量

為了進一步驗證其準確度，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，并進行水流量標定試驗和功耗測試。

3.1 軟件研制

軟件采用模塊化設計方案，由主監(jiān)控程序統(tǒng)一調用。軟件框圖如圖6所示。其主要功能模塊有：看門狗模塊、初始化模塊、中斷模塊、勵磁控制模塊、算法模塊以及人機接口模塊等。

圖6 軟件框圖

系統(tǒng)上電后，DSP先完成各種初始化工作；初始化完成后，配置兩片ADC進行同步采樣；開啟勵磁中斷，勵磁開始工作，激勵勵磁線圈；經(jīng)過調理電路的信號電壓和勵磁電流通過兩片ADC轉換為數(shù)字量，并送入DSP中。半周期采樣結束后調用算法模塊，刷新液晶顯示。在算法模塊中，先對采集到的信號電壓進行梳狀帶通濾波處理，再對勵磁電流和濾波后的電壓分別作微分處理；計算兩者微分后的比值后，根據(jù)儀表系數(shù)計算得到瞬時流量和累積流量。

3.2 水流量標定

為了驗證本文提出的方法和研制的系統(tǒng)的有效性，進行了水流量標定試驗。將研制的電磁流量變送器與國內某大型企業(yè)研制的40 mm口徑夾持式傳感器相配合，在試驗室的水流量標定裝置上，采用容積法進行標定，即將電磁流量計測得的流量結果與量筒內體積進行比較，以驗證電磁流量計的準確度。水流量標定試驗結果如表1所示。

表1 水流量標定試驗結果

試驗共檢定了4個流量點。其中，最大流速為5 m/s，最小流速為0.5 m/s。標定結果表明，瞬態(tài)電磁流量變送器的測量準確度滿足0.5%的要求。試驗結果表明，利用勵磁電流的瞬態(tài)過程進行測量的系統(tǒng)，采用電壓電流微分比值的處理方法能達到普通電磁流量計的準確度要求。

3.3 功耗測試

試驗中所用的DN40一次儀表的線圈電阻為56 Ω，電感為127 mH。將其分別與文獻[12] 中普通電磁流量變送器和文中瞬態(tài)電磁流量變送器相配合，進行功耗測試。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。

4 結束語

針對電磁流量計瞬態(tài)測量時信號電壓與流量關系不明確的問題，提出基于電壓電流微分的瞬態(tài)測量方法，確定了電壓電流微分比值與流量之間的關系，為研制基于瞬態(tài)測量原理的電磁流量變送器奠定了理論基礎。