基于电压电流微分的新型瞬态电磁流量变送器

吴建平 ，徐科军,2 ，许 伟 ，汪春畅，于新龙

(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009；2.工业自动化安徽省工程技术研究中心，安徽 合肥 230009)

0 引言

电磁流量计被广泛地应用于各种导电液体的流量测量。目前，电磁流量计大多采用低频励磁方式，在励磁电流的稳定段实现流量测量[1-4]，其励磁电流大、持续时间长[5-7]。这使得电磁流量计功耗大、发热严重，不利于实现电磁流量计的低功耗。为了降低功耗，国内主要采用降低励磁电压和间歇励磁的方式[7-8]。但是，降低励磁电压会影响流量计的响应速度；间歇励磁的实时性较差，测量精度也有所降低。

国外学者对励磁电流的瞬态过程进行了研究[9]，验证了瞬态测量的可行性。瞬态测量利用励磁电流的瞬态段实现流量测量。励磁电流无需进入稳态，可在降低励磁功耗的同时提高测量的实时性。同时，瞬态测量时不需要恒流源控制电路，既有效地降低了励磁功耗，又简化了电路，提高了系统的可靠性。但是，瞬态信号电压幅值与流量、时间均有关，会导致信号电压与流量之间的关系难以确定。文献[9] 先求出输出电压两个指数项的系数，再利用得到的系数间接求得与流速对应的结果，并通过对离线数据处理，验证了瞬态测量的可行性。但是，该方式求解过程较为复杂，不利于实时实现。

为此，本文研究电磁流量计瞬态过程的信号模型[10-11]，提出电压电流微分比值的处理方法，以消除时间的影响，确定电压电流微分比值与流量之间的关系；研制基于数字信号处理器(digital signal processor,DSP)的电磁流量变送器硬件系统，采集瞬态时的信号电压和励磁电流数据，离线验证了电压电流微分比值与流量之间具有良好的线性关系；研制变送器软件，实时实现瞬态测量方法，并进行水流量标定和功耗测试。

1 瞬态测量方法

为了降低功耗，瞬态测量通过减少励磁时间，利用励磁电流的瞬态过程进行测量。针对励磁电流的瞬态过程，通过研究信号模型，提出了基于电压电流微分的瞬态测量方法。

1.1 信号模型

电磁流量计在瞬态测量中，由于励磁时间短，励磁电流及其感应产生的磁场均不能达到稳态。此时的励磁线圈被当作一个感性负载。因此，在励磁电流的非稳态上升过程中，线圈中励磁电流为:

(1)

管道中的导电液体流经励磁电流感应产生的磁场时，产生感应电动势。忽略共模干扰等噪声影响，传感器电极两端产生的信号电压为:

(2)

由此可见，信号电压主要由两部分组成。一部分是导电液体流经磁场产生的电压分量(即流速分量)，其大小与流速相关，系数a对应于流速。另一部分为微分干扰，其系数为b。分析可知，微分干扰是由励磁电流变化所引起的，其系数b与管道内流速无关。

1.2 电压电流微分方法

分析信号模型可知，在励磁电流的上升过程中，由流量分量和微分干扰组成的信号电压的幅值既与流速相关，又受时间的影响，导致信号电压和流速之间的关系不明确。为此，通过分析瞬态时的励磁电流和信号电压，提出基于电压电流微分的测量方法，确定了电压电流微分比值与流速之间的关系。

从瞬态过程中的励磁电流和信号电压的表达式可以看出，时间t仅在指数项e-αt上出现。如果能消去指数项，就可以消除时间的影响，使剩下的部分只与流速相关。经过对瞬态过程信号电压和励磁电流的分析，发现信号电压和励磁电流微分后的结果均与指数项e-αt成比例，则电压和电流微分后相比可以消去指数项，从而消除时间的影响，确定微分后比值与流速之间的关系。对信号电压和励磁电流的处理如下：

对信号电压进行微分处理，得到:

du(t)=(a×α×I0×e-αt-b×α2×I0×e-αt)dt

(3)

对励磁电流进行微分处理，得到：

di(t)=α×I0×e-αtdt

(4)

可以看到，式(3)、式(4)都只包含与指数项e-αt成比例的部分。此时，将两式相除，得:

(5)

化简后，得:

(6)

从式(6)可以看出，对信号电压和励磁电流分别进行微分处理后，两者相除消去了指数项e-αt，等式右边剩下与流速成比例的系数a和干扰部分b×α。易知，与流速对应的a只随流量变化。当流量为零时，等式右边剩下干扰部分为-b×α，其与流速无关，也不随时间发生改变，可以作为零点处理。由式(6)可知，电压电流微分比值与流速之间具有线性关系。

由于信号电压的微分和励磁电流的微分均随时间发生变化，为了准确得到电压电流微分比值，需要同步测得电压和电流。否则，电压微分和电流微分相除不能消去指数项，将影响测量结果的准确度。

2 方法验证

为了验证提出的处理方法，研制了硬件系统，采集瞬态时的信号电压和励磁电流数据，并对数据进行离线处理。

2.1 硬件设计

以TI公司的TMS320F28335芯片为核心，研制了电磁流量计硬件系统。硬件主要包括励磁驱动模块、信号调理采集模块、人机接口模块、输出模块、通信模块和存储模块。系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

在励磁驱动模块中，通过DSP芯片上的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)产生励磁时序控制励磁电路中H桥的通断，进而控制励磁线圈的励磁。信号调理采集模块中，通过两片24位模数转换器(analog to digital converter，ADC)同步采集经过信号处理电路的信号电压和励磁电流，并通过多通道串行缓冲串口(multichannel buffered serial port，McBSP)模块来传输转换后的数据；同时，实时监测采集到的信号电压，如果超出设定阈值，则利用数模转换器(digital to analog converter，DAC)芯片进行偏置调整。

人机接口模块中，利用键盘设置和修改相关参数，通过液晶实时显示流量相关信息。输出模块中，通过通用输入输出(general purpose input output，GPIO)口控制输出4～20 mA电流。通信模块中，利用DSP的串行通信接口(serial communication interface，SCI)实现RS-485通信，通过上位机发出命令，实现数据上传与参数设置。在存储模块中，利用外部接口(external interface，XINTF)外扩静态随机存取存储器(static random-access memory，SRAM)存储较长的程序代码和数据；利用串行外设接口 (serial peripheral interface，SPI)外扩铁电存储器存储关键的仪表参数。与普通电磁流量计相比，由于瞬态测量时励磁电流不需要进入稳态，因此本系统在设计中去除了恒流源电路[12-15]。

2.2 试验数据处理

利用所研制的电磁流量计系统，在励磁频率为1 Hz、半周期励磁时间为8 ms的情况下(即与文献[7] 、文献[8] 所采用的间歇励磁方式的励磁工作时间相当)，进行了流量测量试验。分别在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态时的励磁电流和信号电压，并在Matlab中利用上述处理方法对采集的数据作相应的处理。

瞬态测量利用的是励磁电流动态上升的阶段，不需要电流进入稳态。此时,每周期励磁工作时间仅占很小一部分。励磁电流波形如图2所示。由于是在励磁控制模块的H桥路近地端加入一个检流电阻来测量励磁电流，该采集方法会导致电流方向始终保持同向。对图2(a)中的一个励磁半周期进行放大，可以看到，系统在励磁电流还未进入稳态时就已经停止励磁，此时励磁电流最大约为90 mA。

图2 励磁电流波形

由于励磁电流没有达到稳态，与之对应的信号电压也处于非稳态过程，主要包含流量分量和微分干扰两部分。但是，实际采集到的传感器信号引入了直流偏置和50 Hz工频干扰。为此，对信号电压进行梳状带通滤波处理，以消除直流偏置和工频干扰。各流量下信号电压梳状带通滤波后的结果如图3所示，信号电压幅值由低到高对应的流量依次为0～30 m3/h。

图3 各流量对应信号电压

图3与图2中的励磁半周期相对应。可以看出，在非稳态上升过程中，信号电压的幅值大小同时受到管道内流量和时间的影响。当流量为零时，信号电压主要为微分干扰，随着时间增加，微分干扰逐渐减小。

`根据对式(6)的分析，信号电压、励磁电流微分后的比值与流量呈线性关系，且随流量的增大而增大。为了进一步验证二者之间的关系，在Matlab中对各个半周期的励磁电流和梳状带通滤波后的传感器信号分别作微分处理，将两者的微分结果相除后，再进行半周期幅值解调，并取解调结果均值作为每半周的输出结果，参与对流速的计算。求各半周期输出结果的均值作为电压电流微分比值，利用最小二乘法拟合出电压电流微分比值与流量之间的关系曲线。其中，各半周期输出结果与流量的对应关系，以及电压电流微分比值与流量的拟合曲线如图4、图5所示。

图4、图5中：电压电流微分比值结果均匀地分布在拟合曲线的两端，可见微分比值与流量之间具有良好的线性关系。

图4 各半周期输出结果与流量关系

图5 电压电流微分比值与流量拟合曲线

3 实时测量

为了进一步验证其准确度，用C语言实现上述处理方法，研制DSP软件。在基于DSP的瞬态测量系统上实时实现该测量方法，并进行水流量标定试验和功耗测试。

3.1 软件研制

软件采用模块化设计方案，由主监控程序统一调用。软件框图如图6所示。其主要功能模块有：看门狗模块、初始化模块、中断模块、励磁控制模块、算法模块以及人机接口模块等。

图6 软件框图

系统上电后，DSP先完成各种初始化工作；初始化完成后，配置两片ADC进行同步采样；开启励磁中断，励磁开始工作，激励励磁线圈；经过调理电路的信号电压和励磁电流通过两片ADC转换为数字量，并送入DSP中。半周期采样结束后调用算法模块，刷新液晶显示。在算法模块中，先对采集到的信号电压进行梳状带通滤波处理，再对励磁电流和滤波后的电压分别作微分处理；计算两者微分后的比值后，根据仪表系数计算得到瞬时流量和累积流量。

3.2 水流量标定

为了验证本文提出的方法和研制的系统的有效性，进行了水流量标定试验。将研制的电磁流量变送器与国内某大型企业研制的40 mm口径夹持式传感器相配合，在试验室的水流量标定装置上，采用容积法进行标定，即将电磁流量计测得的流量结果与量筒内体积进行比较，以验证电磁流量计的准确度。水流量标定试验结果如表1所示。

表1 水流量标定试验结果

试验共检定了4个流量点。其中，最大流速为5 m/s，最小流速为0.5 m/s。标定结果表明，瞬态电磁流量变送器的测量准确度满足0.5%的要求。试验结果表明，利用励磁电流的瞬态过程进行测量的系统，采用电压电流微分比值的处理方法能达到普通电磁流量计的准确度要求。

3.3 功耗测试

试验中所用的DN40一次仪表的线圈电阻为56 Ω，电感为127 mH。将其分别与文献[12] 中普通电磁流量变送器和文中瞬态电磁流量变送器相配合，进行功耗测试。其中，通过测量励磁电源的输入电压和输入电流来计算励磁电源的输入功率。

4 结束语

针对电磁流量计瞬态测量时信号电压与流量关系不明确的问题，提出基于电压电流微分的瞬态测量方法，确定了电压电流微分比值与流量之间的关系，为研制基于瞬态测量原理的电磁流量变送器奠定了理论基础。