研制电磁流量计励磁控制系统 , 提出基于线性电源设计恒流源电路 , 并采用高压源激励使系统具有快速响应性能, 基于 H桥设计励磁线圈驱动电路以进行方波激励 , 设计检流电路以实现励磁电流的准确检测 , 基于 DSP设计励磁时序产生电路实现单频或双频励磁。经实验验证 , 该励磁控制系统可实现的高频或双频励磁并保证电磁流量计输出信号具有稳定零点, 从而为提高其测量速度和测量精度奠定基础。

   目前 , 国内的电磁流量计基本上采用低频方波励磁方式, 以获得稳定的零点 [2-6]。但是, 低频方波依据法拉第电磁感应定律 , 电磁流量计通过励励磁无法实现快速测量和保证浆液测量的精度。为磁线圈将磁场施加给被测流体 , 从而通过检测磁场此, 国外提出高频励磁和双频励磁方式 , 例如, 日本中运动流体的感应电动势来测量导电液体体积横河的双频电磁流量计 [7]和东芝的高频电磁流量计。

    然而, 在高频励磁 (双频励磁中也存在高频励磁 )时, 由于励磁线圈的感性负载特性 , 励磁电流在励磁半周期内很难达到稳态 , 从而使信号很难获得稳定的零点。因而 , 恒流控制的快速响应特性是高频励磁控制系统的设计重点。同时 , 励磁电流的准确检测及励磁频率的控制是获得高精度信号处理结果的前提。但是 , 国外公司没有披露这些关键技术的具体细节[8-9]。针对恒流控制的快速性、励磁电流检测的准确性及励磁频率控制的性的目的 , 基于线性电源设计了恒流控制电路、并采用高压源激励 , 使其具有快速响应性能 , 基于 H桥设计实现方波励磁驱动电路, 在 H桥低端与地之间接入检流电路 , 并通过控制 H桥工作方式实现准确检流 , 基于 DSP结合外围器件设计励磁时序产生电路实现单频或双频励磁。 

   2系统硬件 

   2.1设计方案

   该电磁流量计励磁控制系统主要包括恒流源电路、励磁线圈驱动电路、励磁时序产生电路及检流电路, 其框图如图 1所示。图 1 电磁流量计励磁控制系统框图 Fig. 1 Diagram of excitation control system for electromagnetic flowmeter 系统由恒流源电路向励磁线圈驱动电路供电 , 励磁线圈驱动电路根据励磁时序产生电路发出的励磁时序控制信号 CT1和 CT2, 对励磁线圈进行方波励磁。检流电路置于励磁线圈驱动电路中 , 将流过励磁线圈的电流转换为电压信号输出。励磁时序产生电路基于 DSP设计, DSP同时进行电磁流量计的信号处理。 

   2.2恒流源电路

   由于采用高频励磁 , 励磁电流高达数百毫安 , 励磁线圈为感性负载, 而采用 DC/DC器件或类似 PWM控制原理反馈控制构建的恒流源电路会使励磁电流响应速度慢 , 因而采用高功率线性电源搭建恒流控制电路 , 以获得较高的响应速度。恒流源电路原理图如图 2所示。R1采用精密电阻 , 通过调整该电阻值即可获得期望电流。输入电压 VCC为 36 V, D1为保护二极管 , D2防止电流反向。由于电流进入稳态后负载端电压较低 , 因而线性电源上固定散热片以降低芯片工作温度。图 2 恒流源电路原理图 Fig. 2 Schematic circuit diagram of constant-current source 

   2.3励磁线圈驱动电路及检流电路

   励磁线圈驱动电路主要由 H桥及其开关驱动电路组成, 其电路框图如图 3所示。H桥高端采用 PNP达林顿晶体管 , 以方便其开关驱动电路通过电流控制信号 CON1和 CON2控制其通断 , 从而避免因感性负载造成高端电压不稳而较难控制的问题 ; 低端采用 N沟道 MOS管, 以方便直接通过电压控制信号 CON3和 CON4控制其通断; 由于 MOS管栅极电流很小, 从而可以在 H桥低端与地之间接入检流电路以准确检测励磁电流。 H桥桥臂 PNP管和 MOS管均选用内部反并肖特基二极管。检流电路设计为低阻值, 以保证 H桥低端电压波动幅值较小。 H桥高端接上限幅电路, 以保证 H桥正常工作 , 并且为励磁线圈在电流方向切换时释放能量提供回路。 H桥控制采用对臂联动控制 , 以保证单双频励磁时续流回路均具有高阻抗 , 进而保证零点稳定性。CON1、CON2、 CON3、CON4由 H桥开关驱动电路根据接收的励磁时序 CT1和 CT2产生。其中, CON1与 CON4由 CT1控制, CON2与 CON3由 CT2控制, 以实现单频励磁或双频励磁时励磁线圈中电流完全流过检流电路。 CD1 和 CD2直接接励磁线圈, 以提供励磁电流。图 

   3 励磁线圈驱动电路及检流电路框图 Fig. 3 Block diagram of excitation coil’s drive circuit and current measuring circuit 

   2.4励磁时序产生电路励磁时序产生电路主要由 DSP芯片 TMS320F 2812(以下简称 F2812)结合多路开关及电平匹配电路组成, 以产生励磁时序控制信号 CT1和 CT2, 其硬件原理框图如图 4所示。图中 , 多路开关的输出使能信号 OEn由 DSP的 GPIO控制, 通道选择信号 SLE和输入信号 SIG由 DSP的 EV模块及其中的 GP Timer根据励磁方式的不同通过 PWM输出产生 , 从而减轻 CPU负担。电平匹配电路用于将 DSP的 3.3V CMOS逻辑电平转换为 5 V逻辑电平以控制励磁线圈驱动电路。由于系统上电复位时 , DSP各引脚输出高电平 , 因而多路开关各通道输出呈高阻状态 , 故系统在电平匹配电路前通过下拉电路将控制信号 CES2和 CES2下拉, 以使 CT1和 CT2为低电平 , 从而使励磁线圈驱动电路中的 H桥各桥臂均关断。系统启动后 , OEn置低, 多路开关被使能。 SLE为低电平时 , CES1与 SIG相通, 从而使 CT1跟随 SIG变化, CT2为低电平; SLE为高电平时 , CES2与 SIG相通, 从而使 CT2跟随 SIG变化, CT1为低电平。据此 , 通过产生不同的 SIG与 SLE信号波形即可进行不同方式的励磁控制。图 4 励磁时序产生电路硬件原理框图 Fig. 4 Block diagram of exciting scheduling generating circuit 

   3系统软件

   基于硬件电路设计之上 , 本系统采用软件初始化 DSP及外围硬件模块使 DSP通过其片上 EV模块及其中通用定时器 (GP Timer)控制 PWM输出以产生励磁时序控制信号。这样 , 系统在启动励磁后无需软件再次干预 , 从而保证励磁频率的精度 , 并减轻 CPU的负担, 以便进行电磁流量计的信号处理任务。系统上电复位后 , 先初始化 GPIO口, 使控制信号 OEn为低电平, 以使能多路开关输出。单频励磁: 初始化 SIG为高电平并保持不变; 初始化 F2812的片上 EV模块及其中 GP Timer4, 由 T4PWM输出产生 SLE信号。 SLE信号频率由 GP Timer4初始化时设定 , 即为励磁频率。这样 , 在系统初始化完成后 , 启动 GP Timer4即可启动励磁。单频励磁的时序波形图如图 5所示。图 5 单频励磁时序波形图 Fig. 5 Scheduling curves of single-frequency exciting 双频励磁: SIG和 SLE均由 F2812片上 EV模初始化设置为低频 , GP Timer4初始化为随 GP 块中 PWM输出控制产生 , 且分别由 GP Timer3 和 Timer3同时启动。系统初始化完成后启动 GP GP Timer4控制信号频率。其中 , SIG信号频率由 Timer3即可启动双频励磁。双频励磁的时序波形GP Timer3初始化设置为高频 , SLE由 GP Timer4图如图 6所示。图 6 双频励磁时序波形图 Fig. 6 Scheduling curves of dual-frequency exciting 

   4实验结果

   系统研制完成后 , 为考察其性能指标 , 针对重庆川仪自动化股份有限公司生产的口径为 40 mm的接触式智能电磁流量计一次仪表(励磁线圈电感值约为 250 mH)进行了励磁控制实验 , 励磁电流由图 2中 R1确定为 320 mA左右。实验在江西流量器厂生产的 XBT DN15-50Ⅱ型水流量标定装置上进行。实验步骤: 1)将电磁流量计一次仪表装在标定装置上 , 并与该励磁控制系统接好线 , 同时将一次仪表的感应输出信号接至电磁流量计信号采集模块 ; 2)启动标定装置并手动控制阀门调节至某一流速 ; 3)启动系统开始对一次仪表进行励磁。系统中 , 检流电路与传感器输出信号均由电磁流量计系统经过调理放大采集 , 并通过 RS232通信传送至上位机保存。系统采样率为 4 800 Hz。实验中, 分别通过软件设定采用单频 25 Hz和双频 6.25 Hz/75 Hz进行方波励磁 , 并在仪表量程范围内取多个流量点进行实验。实验结果显示 , 针对上述电磁流量计一次仪表 , 励磁电流在励磁方向切换后上升时间(0%~90%)约为 2.3 ms,调节时间 (进入稳态±0.5%误差带 )约为 4.5 ms。由于励磁电流调节时间只与电路参数有关 , 因而下面只给出流速约为 30 m3/H情况下 , 高频励磁和双频励磁时系统所采集的励磁电流信号和一次仪表输出信号曲线图分别如图 7、图 8所示。由图 3所示检流原理可知 , 检流电阻上所检测的电流信号稳态时只可能为零或正 , 而其能够根据已知的励磁阶段进行翻转转换成实际励磁线圈中的电流信号 (与传感器输出信号波形相似 )。图 7 高频(25Hz)励磁信号波形图 Fig. 7 Signal waveform of high-frequency(25Hz) exciting 图 8 双频(6.25Hz/75Hz)励磁信号波形图 Fig. 8 Signal waveform of dual-frequency(6.25Hz/75Hz) exciting 在重庆川仪自动化股份有限公司 100口径(电由图可知 , 本文所研制的励磁系统在 25 Hz励磁时感值约为 353.5 mH)标定线上 , 分别对该励磁系统能快速进入励磁稳态 , 且励磁电流超调小 , 而现有和现有技术中采用 DC/DC调压反馈恒流控制技术技术励磁电流超调量大且在 12.5 Hz励磁时即无法的励磁系统进行励磁实验 , 实验结果如图 9所示。进入稳态。 (a) 本文技术 25Hz励磁结果 (b)现有技术。