基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵磁控制系統

1 引言

    依據法拉第電磁感應定律，電磁流量計通過勵磁線圈將磁場施加給被測流體，從而通過檢測磁場中運動流體的感應電動勢來測量導電液體體積流量[1]。目前，國內的電磁流量計基本上采用低頻方波勵磁方式，以獲得穩(wěn)定的零點[2-6]。但是，低頻方波勵磁無法實現快速測量和保證漿液測量的精度。為此，國外提出高頻勵磁和雙頻勵磁方式，例如，日本橫河的雙頻電磁流量計[7]和東芝的高頻電磁流量計。    

    然而，在高頻勵磁（雙頻勵磁中也存在高頻勵磁）時，由于勵磁線圈的感性負載特性，勵磁電流在勵磁半周期內很難達到穩(wěn)態(tài)，從而使信號很難獲得穩(wěn)定的零點。因而，恒流控制的快速響應特性是高頻勵磁控制系統的設計重點。同時，勵磁電流的準確檢測及勵磁頻率的精確控制是獲得高精度信號處理結果的前提。但是，國外公司沒有披露這些關鍵技術的具體細節(jié)[8-9]。      

    針對恒流控制的快速性、勵磁電流檢測的準確性及勵磁頻率控制的精確性的目的，基于線性電源設計了恒流控制電路、并采用高壓源激勵，使其具有快速響應性能，基于H橋設計實現方波勵磁驅動電路，在H橋低端與地之間接入檢流電路，并通過控制H橋工作方式實現準確檢流，基于DSP結合外圍器件設計勵磁時序產生電路實現單頻或雙頻精確勵磁。

    2 系統硬件

    2.1 設計方案

    該電磁流量計勵磁控制系統主要包括恒流源電路、勵磁線圈驅動電路、勵磁時序產生電路及檢流電路，其框圖如圖1所示。

圖1 電磁流量計勵磁控制系統框圖

    系統由恒流源電路向勵磁線圈驅動電路供電，勵磁線圈驅動電路根據勵磁時序產生電路發(fā)出的勵磁時序控制信號CT1和CT2，對勵磁線圈進行方波勵磁。檢流電路置于勵磁線圈驅動電路中，將流過勵磁線圈的電流轉換為電壓信號輸出。勵磁時序產生電路基于DSP設計，DSP同時進行電磁流量計的信號處理。    

    2.2 恒流源電路

    由于采用高頻勵磁，勵磁電流高達數百毫安，勵磁線圈為感性負載，而采用DC/DC器件或類似PWM控制原理反饋控制構建的恒流源電路會使勵磁電流響應速度慢，因而采用高功率線性電源搭建恒流控制電路，以獲得較高的響應速度。恒流源電路原理圖如圖2所示。R1采用精密電阻，通過調整該電阻值即可獲得期望電流。輸入電壓VCC為36V，D1為保護二極管，D2防止電流反向。由于電流進入穩(wěn)態(tài)后負載端電壓較低，因而線性電源上固定散熱片以降低芯片工作溫度。

圖2 恒流源電路原理圖

    2.3 勵磁線圈驅動電路及檢流電路

    勵磁線圈驅動電路主要由H橋及其開關驅動電路組成，其電路框圖如圖3所示。H橋高端采用PNP達林頓晶體管，以方便其開關驅動電路通過電流控制信號CON1和CON2控制其通斷，從而避免因感性負載造成高端電壓不穩(wěn)而較難控制的問題；低端采用N溝道MOS管，以方便直接通過電壓控制信號CON3和CON4控制其通斷；由于MOS管柵極電流很小，從而可以在H橋低端與地之間接入檢流電路以準確檢測勵磁電流。H橋橋臂PNP管和MOS管均選用內部反并肖特基二極管。檢流電路設計為低阻值，以保證H橋低端電壓波動幅值較小。H橋高端接上限幅電路，以保證H橋正常工作，并且為勵磁線圈在電流方向切換時釋放能量提供回路。H橋控制采用對臂聯動控制，以保證單雙頻勵磁時續(xù)流回路均具有高阻抗，進而保證零點穩(wěn)定性。CON1、CON2、CON3、CON4由H橋開關驅動電路根據接收的勵磁時序CT1和CT2產生。其中，CON1與CON4由CT1控制，CON2與CON3由CT2控制，以實現單頻勵磁或雙頻勵磁時勵磁線圈中電流完全流過檢流電路。CD1和CD2直接接勵磁線圈，以提供勵磁電流。

圖3 勵磁線圈驅動電路及檢流電路框圖

    2.4 勵磁時序產生電路

    勵磁時序產生電路主要由DSP芯片TMS320F2812（以下簡稱F2812）結合多路開關及電平匹配電路組成，以產生勵磁時序控制信號CT1和CT2，其硬件原理框圖如圖4所示。圖中，多路開關的輸出使能信號OEn由DSP的GPIO控制，通道選擇信號SLE和輸入信號SIG由DSP的EV模塊及其中的GPTimer根據勵磁方式的不同通過PWM輸出產生，從而減輕CPU負擔。電平匹配電路用于將DSP的3.3VCMOS邏輯電平轉換為5V邏輯電平以控制勵磁線圈驅動電路。由于系統上電復位時，DSP各引腳輸出高電平，因而多路開關各通道輸出呈高阻狀態(tài)，故系統在電平匹配電路前通過下拉電路將控制信號CES2和CES2下拉，以使CT1和CT2為低電平，從而使勵磁線圈驅動電路中的H橋各橋臂均關斷。系統啟動后，OEn置低，多路開關被使能。SLE為低電平時，CES1與SIG相通，從而使CT1跟隨SIG變化，CT2為低電平；SLE為高電平時，CES2與SIG相通，從而使CT2跟隨SIG變化，CT1為低電平。據此，通過產生不同的SIG與SLE信號波形即可進行不同方式的勵磁控制。

圖4 勵磁時序產生電路硬件原理框圖

    3 系統軟件

    基于硬件電路設計之上，本系統采用軟件初始化DSP及外圍硬件模塊使DSP通過其片上EV模塊及其中通用定時器（GPTimer）控制PWM輸出以產生勵磁時序控制信號。這樣，系統在啟動勵磁后無需軟件再次干預，從而保證勵磁頻率的精度，并減輕CPU的負擔，以便進行電磁流量計的信號處理任務。系統上電復位后，先初始化GPIO口，使控制信號OEn為低電平，以使能多路開關輸出。

    單頻勵磁：初始化SIG為高電平并保持不變；初始化F2812的片上EV模塊及其中GPTimer4，由T4PWM輸出產生SLE信號。SLE信號頻率由GPTimer4初始化時設定，即為勵磁頻率。這樣，在系統初始化完成后，啟動GPTimer4即可啟動勵磁。單頻勵磁的時序波形圖如圖5所示。    

圖5 單頻勵磁時序波形圖

    雙頻勵磁：SIG和SLE均由F2812片上EV模塊中PWM輸出控制產生，且分別由GPTimer3和GPTimer4控制信號頻率。其中，SIG信號頻率由GPTimer3初始化設置為高頻，SLE由GPTimer4初始化設置為低頻，GPTimer4初始化為隨GPTimer3同時啟動。系統初始化完成后啟動GPTimer3即可啟動雙頻勵磁。雙頻勵磁的時序波形圖如圖6所示。    

圖6 雙頻勵磁時序波形圖    

    4 實驗結果

    系統研制完成后，為考察其性能指標，針對重慶川儀自動化股份有限公司生產的口徑為40mm的接觸式電磁流量計一次儀表（勵磁線圈電感值約為250mH）進行了勵磁控制實驗，勵磁電流由圖2中R1確定為320mA左右。實驗在江西流量器廠生產的XBTDN15-50Ⅱ型水流量標定裝置上進行。實驗步驟：1）將電磁流量計一次儀表裝在標定裝置上，并與該勵磁控制系統接好線，同時將一次儀表的感應輸出信號接至電磁流量計信號采集模塊；2）啟動標定裝置并手動控制閥門調節(jié)至某一流速；3）啟動系統開始對一次儀表進行勵磁。系統中，檢流電路與傳感器輸出信號均由電磁流量計系統經過調理放大采集，并通過RS232通信傳送至上位機保存。系統采樣率為4800Hz。

    實驗中，分別通過軟件設定采用單頻25Hz和雙頻6.25Hz/75Hz進行方波勵磁，并在儀表量程范圍內取多個流量點進行實驗。實驗結果顯示，針對上述電磁流量計一次儀表，勵磁電流在勵磁方向切換后上升時間（0%~90%）約為2.3ms，調節(jié)時間（進入穩(wěn)態(tài)±0.5%誤差帶）約為4.5ms。由于勵磁電流調節(jié)時間只與電路參數有關，因而下面只給出流速約為30m3/H情況下，高頻勵磁和雙頻勵磁時系統所采集的勵磁電流信號和一次儀表輸出信號曲線圖分別如圖7、圖8所示。由圖3所示檢流原理可知，檢流電阻上所檢測的電流信號穩(wěn)態(tài)時只可能為零或正，而其能夠根據已知的勵磁階段進行翻轉轉換成實際勵磁線圈中的電流信號（與傳感器輸出信號波形相似）。

圖7 高頻（25Hz）勵磁信號波形圖

圖8 雙頻（6.25Hz/75Hz）勵磁信號波形圖    

    在重慶川儀自動化股份有限公司100口徑（電感值約為353.5mH）標定線上，分別對該勵磁系統和現有技術中采用DC/DC調壓反饋恒流控制技術的勵磁系統進行勵磁實驗，實驗結果如圖9所示。由圖可知，本文所研制的勵磁系統在25Hz勵磁時能快速進入勵磁穩(wěn)態(tài)，且勵磁電流超調小，而現有技術勵磁電流超調量大且在12.5Hz勵磁時即無法進入穩(wěn)態(tài)。

（a）本文技術25Hz勵磁結果  （b）現有技術12.5Hz勵磁結果

圖9 本文技術與現有技術勵磁實驗結果波形圖

    5 結論

    本文提出采用線性電源設計恒流源電路并由高壓電源供電以加快電流響應速度，采用H橋對臂聯動控制、H橋低端檢流以保證單雙頻勵磁零點穩(wěn)定和電流檢測的準確性，采用DSP通過其片上硬件產生PWM勵磁控制信號以保證勵磁頻率的精確性。經上述研究分析及實驗結果可知，所研制的基于線性電源的單雙頻電磁流量計勵磁控制系統能對電磁流量計一次儀表進行高頻勵磁或雙頻勵磁，勵磁電流響應速度快，保證了穩(wěn)定的信號零點，檢流準確，勵磁頻率精確。這從而為提高電磁流量計測量精度和測量速度奠定了基礎，并為其進行漿液流體的測量提供了條件。    

    參考文獻：

    [1]蔡武昌，馬中元，瞿國芳等.電磁流量計[M].北京：中國石化出版社，2004：25-54.
    [2]張濤，李斌.電磁流量計中的抗工頻干擾問題[J].測控技術，2003，22（2）：65-67.
    [3]李小京，王萍，盧景山.用相關算法改善電磁流量計低流速性能[J].化工自動化及儀表，2004，31（6）：66-67.
    [4]李斌，田才東.電磁流量計的動態(tài)響應與零點穩(wěn)定性[J].自動化儀表，1991，12（9）：14-18.
    [5]曹金亮.多參數電磁流量計及其實現技術的研究[D].上海：上海大學，2007：61-65.
    [6]馬博，李興化.電磁流量計調壓式數字恒流源[P].中國，CN2916586Y，2007-6-27.
    [7]小林保，黑森健一，俊藤茂，等.電磁流量計[P].中國，CN87101677A，1989.
    [8]ISHIKAWAI.Electromagneticflowmeterwithreducedpowerconsumptionandreducedexcitingcurrent[P].US7310582B2，2007-12-18
    [9]SCHWEITZERJI.Current-regulatorcircuitofanelectromagneticflowmeter[P].US，6477070B2，2002.