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雙頻智能電磁流量計的研究

文章出處:AG贵宾厅實業 人氣:發表時間:2018-01-28 12:01

1.雙頻矩形波勵磁電磁流量計的特點
    眾所周知,電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律而製成的體積流量測量儀表,具有一係列獨特的優點,廣泛應用於現代工業各個部門。近十幾年來,隨著微電子技術的飛速發展,電磁流量計勵磁技術、信號處理技術、傳感器結構、新型材料和元器件的應用都取得長足的進步(詳見作者論文“電磁流量計勵磁技術的發展曆史、現狀和發展趨勢”)。目前國外以低頻矩形波勵磁技術結合微處理器技術的電磁流量計產品具有高零點穩定性、高精度、高可靠性、小型輕量一體化智能化多功能化等主要特征,成為工業自動化流量儀表中的主導產品之一。
    雖然采用低頻矩形波勵磁技術能夠顯著提高電磁流量計的性能,然而對於測量液固兩相導電性流體和低導電率流體流量卻存在突出問題,引起國內外流量測量界的關注。例如低頻矩形波勵磁型電磁流量計在測量泥漿、紙漿等液固兩相導電性流體和低導電率流體流量時,儀表輸出出現搖擺,甚至得不到穩定的輸出(如圖1(c)所示),為此,往往采用流量率限製方法和選擇合適的勵磁頻率方法加以解決,因此降低了電磁流量計的響應速度,對工業自動化生產中快速流量和脈動流量測量極為不利。產生這種現象的原因之一是當測量泥漿、礦漿等液固兩相導電性流體流量時,固體顆粒擦過電極表麵導致電極的接觸電勢突然變化,電磁流量傳感器輸出信號出現尖峰狀脈衝,從而導致低頻矩形波勵磁電磁流量計輸出搖擺,原因之二是當測量低導電率(100μs/cm以下)流體流量時,電極的電化學電勢定期變動,產生幅值隨頻率成反比的噪聲即1/f噪聲,前者稱為泥漿幹擾,後者稱為流動噪聲,這兩種幹擾都具有1/f的特性如圖1(a)所示。要使電磁流量傳感器對這種噪聲不敏感,必須提高勵磁頻率,才能提高傳感器輸出信號的信噪比,提高勵磁頻率,必然要犧牲儀表的零點穩定性。另外,近十幾年來采用低頻矩形波勵磁方式,提高儀表的抗幹擾能力,降低勵磁功耗,提高勵磁功率的經濟性,明顯地表現在單位流速下的電磁流量傳感器輸出信號電勢下降,目前低頻矩形波勵磁型電磁流量傳感器單位流速信號電勢在0. 2~0.4mV/mls。為了進一步降低勵磁功率,進一步實現傳感器的小型化輕量化,必須降低單位流速信號電勢,如果單位流速信號電勢比現有技術降低一個數量級,則泥漿幹擾和流動噪聲的影響將明顯增大,為了減少此種幹擾的影響,必須采用較高頻率的矩形波勵磁。
    綜合上述分析,要保證電磁流量計的零點穩定性,最好采用低頻矩形波勵磁;為了能較準確地測量液固兩相導電性流體和低導電率流體的流量,進一步降低勵磁功耗,進一步實現傳感器小型輕量一體化。又必須采用較高頻率的矩形波勵磁,犧牲電磁流量計的零點穩定性。為了解決零點穩定性和響應速度、抗幹擾能力這一突出矛盾,最佳方案是采用雙頻矩形波調製勵磁的方法,使電磁流量計既具有低頻矩形波勵磁的零點穩定性較好,又具有高頻矩形波勵磁降低泥漿幹擾和流動噪聲的數量級,獲得儀表的快速響應速度,同時也進一步降低勵磁功耗,提高電磁流量傳感器輸出信號的信噪比,以實現傳感器更加小型輕量一體化。
圖1  泥漿幹擾的特性和影響
    圖1  泥漿幹擾的特性和影響
2  雙頻矩形波勵磁電磁流量計的工作原理
    所謂雙頻矩形波勵磁即使高頻矩形波電壓調製到低頻矩形波電壓上,形成調製矩形波勵磁電源,然後將此電源給電磁流量傳感器勵磁繞組供電,在勵磁繞組中形成類似調製波形的勵磁電流,從而在電磁流量傳感器中形成類似調製波形的勵磁磁場。當流體流經電磁流量傳感器時。則在傳感器的電極兩端輸出流量信號,經前置放大器和直流放大器放大後,將信號電壓按各自的高頻和低頻定時采樣流量信號電壓,分別進行數字解調、數字濾波後,將兩個運算後的電壓值合成輸出流量信號,雙頻矩形波勵磁電磁流量計工作原理如圖2所示。
圖2雙頻矩形波勵磁電磁流量計原理圖
    圖2雙頻矩形波勵磁電磁流量計原理圖
    由於高頻、低頻調製矩形波的頻率較低,忽略電磁流量傳感器勵磁繞組的分布參數的影響,勵磁繞組可以近似等效成RL串聯電路,且傳感器磁路係線性磁路,因而勵磁電流是類似的雙頻調製的矩形波,傳感器磁通密度也是類似於勵磁電流的波形,傳感器輸出信號電壓也是類似的雙頻調製矩形波波形,經高頻側和低頻側分別進行信號處理。
    在高頻側,流量信號電壓經高頻采樣,(A/D)H,轉換器,輸入CPU的信號電壓成分VH,幹擾電壓成分NH,經數字解調,高通數字濾波器輸出:
公式1
    式中T是高通數字濾波器的時間常數。
    在低頻側,流量信號電壓經低頻采樣。(A/D)L轉換器,輸入CPU的信號電壓成分V,幹擾電壓成分NL,經數字解調、低通數字濾波器輸出:
公式2
    其中設計低通數字濾波器的時間常數和高通數字濾波器的時間常數一致。
    一般而言,輸入的流量信號電壓U(S)與高頻、低頻矩形波的頻率相比變化緩慢,可以認為U(S)=V(s)=V(s)成立,CPU將高頻側輸出電壓和低頻側輸出電壓合成則得:
公式3
    由於泥漿幹擾和流動噪聲具有1/f的特性,高頻矩形波勵磁時,幹擾成分NH(s)數量級低,因此(3)式中的第3項可以忽略;另外,將數字濾波器的時間常數T選擇足夠大,則(3)式中的第2項變得非常小,以至忽略,從而合成輸出U0(S)。
公式4
    正確再現了輸入的流量信號而消除了泥漿幹擾的影響。
    綜合上述分析,電磁流量計在低頻矩形波勵磁時,從(2)式可知,為了削弱幹擾噪聲的影響,時間常數必須設計得非常大,不能同時獲得既對流量信號有阻尼作用,又有快速響應的電磁流量計輸出,因此在低頻矩形波勵磁時,以犧牲電磁流量計的響應速度為代價,獲得較好的零點穩定性。然而采用雙頻矩形波調製勵磁方式時,高頻矩形波勵磁(1)式的第1項獲得流量信號的變化率(微分流量信號)與低頻矩形波勵磁(2)式的第1項流量信號的平均值(積分流量信號)合成輸出作為電磁流量計輸出,因此雙頻矩形波勵磁電磁流量計在流量變化時,用快速響應的高頻矩形波勵磁輸出;在流量穩定時,用低頻矩形波勵磁輸出.由於低頻矩形波勵磁電磁流量計具有優良的零點穩定性,則合成輸出也具有良好的零點穩定性,獲得了電磁流量計零點穩定性和響應速度、抗幹擾能力的最佳統一。
3  雙頻矩形波智能電磁流量計的硬件組成
    雙頻矩形波智能電磁流量計硬件部分由電磁流量傳感器,前置放大器,直流放大器,勵磁主電路,勵磁驅動電路,采樣保持器,模數轉換器,intel 8031單片機係統,供電龜源組成,整機硬件構成如圖3所示。由intel 8031 CPU執行固化在EPROM中的係統軟件完成勵磁電路控製、高頻側和低頻側的信號電壓采集、數字解調、數字濾波、數字顯示、鍵盤定時掃描及分析處理、功能及參數設定等多種功能。
圖3  雙頻矩形波智能電磁流量計硬件構成
    圖3  雙頻矩形波智能電磁流量計硬件構成
3.1  傳感器
    電磁流量傳感器采用聚四氟乙烯作襯裏材料,內插式電極結構,集中同心式繞組,使用0.5 mm厚矽鋼片疊成磁軛,磁極采用鑄鋼焊在測量管上,整個傳感器利用鑄鋁件構成靜電屏蔽罩。顯然,由於磁路氣隙較大,鐵芯不飽和,是線性化磁路.另外勵磁繞組用高強度聚酯漆包線繞製而成,經烘幹、絕緣處理,具有一定的絕緣電阻.由於勵磁矩形波頻率較低,在忽略分布參數影響下,勵磁繞組可以等效成RL串聯電路,L=W2Am,L為勵磁繞組電感,w為勵磁繞組匝數,Am為磁路的磁導。
3.2  勵磁電路
    勵磁電路由勵磁主電路和勵磁驅動電路組成.勵磁主電路采用開關元件構成如圖4(a)所示,Q1、Q3是高頻勵磁開關,Q2、Q4是低頻勵磁開關,其中Q1、Q2為正向勵磁開關組,Q3、Q4為負向勵磁開關組,勵磁驅動電路由intel 8253定時器構成程控脈衝源、脈衝分配器、單穩觸發器、光電耦合器等部分構成,其驅動脈衝輸出信號電壓US1、US2、US3、US4、勵磁電壓U12以及勵磁電流If的波形如圖4(b)所示。
圖4  勵磁電路和波形圖
    圖4  勵磁電路和波形圖
3.3  前置放大器
    電磁流量傳感器輸出電勢信號微弱,內阻抗較高,而且工作在具有較強的共模幹擾電壓背景下,因而要求前置放大器具有高輸入阻抗、高CRMM、高增益、低漂移、低噪聲等特點,本儀器中采用四片集成運算放大器構成儀用放大器,且采用輸入保護技術和共模電壓自舉技術,提高CRMM,第一級采用JFET高輸入阻抗運放,第二級采用高CRMM、低漂移運放,並精心匹配電阻,實際使用效果較好。
3.4  采樣保持器、模數轉換器和單片機係統
    雙頻矩形波智能電磁流量計中流量信號電壓按高頻率fn、低頻率fl兩種采樣頻率分別進行數據采集。為了提高抗工頻幹擾的能力,采用寬脈衝采樣,高頻采樣脈寬為工頻的1/4周期,低頻采樣脈寬為工頻的2倍周期,且高頻側和低頻側兩個通道對同一個流量信號采樣,分別加以數字處理,最後合成輸出,整個信號的采集、處理和控製由intel 8031 CPU執行固化在EPROM中的係統軟件完成。
4  雙頻智能電磁流量計的係統軟件設計
    雙頻矩形波智能電磁流量計係統軟件采用自上而下的構思,模塊化的軟件結構。係統軟件主要由主程序、中斷服務程序模塊、功能子程序模塊等組成,完成係統的自檢、係統初始化、勵磁頻率和脈衝的控製、數據采集、數字濾波、數字解調、數字顯示、標度變換、功能鍵掃描、功能健分析及控製、通信控製等多種功能。下麵著重介紹主程序和中斷數據采集及處理程序模塊。
4.1  主程序設計
    主程序主要完成係統的自檢、係統初始化、啟動程控脈衝源、清理內存單元、設置軟件標誌、處理鍵盤命令、處理接口命令、處理條件觸發並完成數字顯示等功能。
圖5  中斷數據采集和處理程序流程圖
    圖5  中斷數據采集和處理程序流程圖
4.2  中斷服務程序模塊
    中斷服務程序模塊采用intel 8253定時計數器5ms定時中斷,完成中斷數據采集和處理程序功能。程序模塊包括高頻數據采集子程序、低頻數據采集子程序、高頻數字解調子程序、低頻數字解調子程序、高通濾波子程序、低通濾波子程序、中值濾波子程序,此中斷服務程序模塊是雙頻矩形波勵磁電磁流量計的核心軟件。整個中斷數據采集和處理程序流程如圖5所示。
5  雙頻矩形波勵磁電磁流量計抗幹擾技術
    雙頻智能電磁流量計工作在生產流程現場,必須具有較強的抗幹擾能力,必須采取相應的硬件和軟件抗幹擾措施,具體抗幹擾方法筆者另文論述。
6  結束語
    實驗研究表明,雙頻矩形波勵磁智能電磁流量計在工作原理和功能上都較過去的電磁流量計有很大提高,尤其是在零點穩定性和響應速度、抗幹擾能力獲得最佳的統一,對測量液固兩相導電性流體和低導電率流體流量以及脈動流量具有獨特的功能,有著廣泛的應用前景。

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