一种基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器

摘要

本发明涉及流量检测领域，为一种基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器。针对电磁流量计的瞬态测量过程，提出基于电压电流微分的瞬态测量方法，研制基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器，实时实现测量方法。瞬态测量系统包括励磁驱动模块、信号调理采集模块、人机接口模块、存储模块、输出模块、通讯模块以及软件处理模块。励磁驱动模块激励励磁线圈产生感应磁场；信号调理采集模块利用两片ADC同步采样信号电压和励磁电流，并将采样结果送入DSP；在DSP中，实时实现基于电压电流微分比值的处理方法，计算得到的瞬时和累积流量。

说明书

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器，特别是一种利用励磁电流的瞬态过程进行测量、采用电压电流微分比值方法实时处理的测量系统。

背景技术

电磁流量计是一种基于电磁感应定律测量导电液体体积流量的仪表，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矩形波或三值波励磁，稳态励磁电流为一百到几百毫安，并且需要保持足够时间的稳定段，以使传感器输出信号获得较长时间的平稳段，保证其测量精度。例如，采用高低压电源切换励磁控制系统，高压为80V，低压为17V，稳态电流约为180mA，在励磁电流上升过程中使用高压源激励，电流在稳态时切换为低压源，以使励磁电流快速进入稳态(许伟等.高低压电源切换励磁控制系统的参数计算和方案改进，电子测量与仪器仪表学报,2015，29(6)：887-894)。这导致电磁流量计功耗大，发热比较严重，影响其使用寿命；同时，也不利于电磁流量计的低功耗实现。

为了降低励磁功耗，中国计量学院的刘铁军等在《中国计量学院学报》上发表了“新型低功耗电磁流量计设计”论文(2013，24(3):243-247)。山东大学的杜清府等在《仪表技术与传感器》上发表了“低功耗电磁流量计的设计与实现”论文(2015，(3):25-27)。这两篇文献均采用了降低励磁电压和间歇励磁的方式。虽然可以降低电磁流量计的功耗，但是，降低励磁电压影响电磁流量计的响应速度；间歇励磁的实时性较差，测量准确度也有所降低。

国外学者Michalski A等在IEEE Instrumentation&Measurement Magazine上发表了“The Problems of Pulse Excitation in Electromagnetic Flowmeters”论文(2013,16(5):47-52)。该文献对励磁电流的瞬态过程进行了研究。相比稳态测量，瞬态测量时励磁电流不需要进入稳态，励磁时间短，也不需要恒流源来维持励磁电流的稳定段，可有效地降低功耗。但是，瞬态过程中的励磁电流和信号电压都处于动态变化过程，而且微分干扰不可忽略，这造成信号电压的幅值同时受到流量和时间的影响，信号电压和流量之间的关系难以确定。对于这一问题，该文献中先通过最小二乘法求解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。

发明内容

本发明为了解决上述问题，采取以下技术方案：针对电磁流量计瞬态测量时信号电压同时受流量和时间影响的问题，分析了动态变化的励磁电流和信号电压，提出电压电流微分比值的处理方法，消除时间的影响，确定电压和电流微分比值与流量之间的关系，并在励磁电压为7V，励磁频率为1Hz，半周期励磁时间为8ms的情况下(此时与间歇励磁方式在相同时间内的励磁工作时间相当；信噪比也相对较好)，采集电压和电流数据进行了离线验证。然后，以DSP(数字信号处理器)为核心，研制了基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器，实时实现了瞬态测量方法。

基于电压电流微分的瞬态测量系统包括：励磁驱动模块、信号调理采集模块、人机接口模块、存储模块、输出模块、通讯模块以及软件处理模块，由于励磁电流不需要进入稳态，因此，在硬件设计时去除了恒流源电路。励磁驱动模块通过DSP芯片上的ePWM(增强型脉冲宽度调制)模块产生励磁时序控制H桥的通断，进而控制励磁线圈的励磁，产生感应磁场；信号调理采集模块利用两片24位的ADC(模数转换器)同步采样励磁电流和经过放大滤波后的信号电压，通过DSP的两个多通道缓冲串口(Mcbsp)将采样结果送入DSP。DSP采用数字滤波消除信号电压中的噪声干扰，再对励磁电流与滤波后的电压分别微分处理，之后将两者的微分结果相除，得到微分比值后根据仪表系数计算瞬时和累积流量，最终送至液晶显示。

本发明的优点是：针对瞬态测量，提出电压电流微分比值的处理方法，确定微分比值与流量之间的线性关系，基于DSP实时实现了瞬态测量方法，研制的瞬态测量系统减少了励磁时间，显著降低了励磁功耗，同时具有良好的测量准确度和实时性。

附图说明

图1为瞬态过程的励磁电流波形。

图2为各流量下信号电压。

图3为各半周期输出结果与流量对应关系。

图4为电压和电流微分比值与流量拟合曲线。

图5为系统硬件框图。

图6为主程序流程图。

图7为算法流程图。

具体实施方式

本发明的设计思想是：针对瞬态过程中信号电压同时受流量和时间影响的问题，通过分析瞬态过程的信号模型，研究瞬态时动态变化的励磁电流和信号电压，提出电压电流微分比值的处理方法，消除时间的影响，确定微分比值与流量之间具有线性关系，并利用采集到的电压和电流数据进行离线验证。然后，以TMS320F28335型号的DSP芯片为核心，研制基于DSP的硬件系统。编写DSP软件，实时实现提出的瞬态测量方法。其中，为了准确地得到动态过程中的信号电压和励磁电流，在硬件设计时采用两片24位ADC分别采集电压和电流信号；为了准确地计算微分比值，需要同步采集电压和电流，在软件中将两片24位ADC配置为同步采样模式。

图1为瞬态过程的励磁电流波形。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，此时的励磁电流尚处于动态上升过程中，电流值达到最大时约为90mA。瞬态测量时由于励磁时间短，励磁电流及其感应产生的磁场均未进入稳态，此时的励磁线圈应当作为感性负载来处理，则在瞬态过程动态上升的励磁电流为

式中，U为励磁电压，R为励磁回路电阻，为励磁回路时间常数，L为励磁线圈电感。管道中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，此时传感器电极两端产生的信号电压为

在式(2)中，信号电压由两部分组成。一部分是导电液体流经磁场切割磁感线产生的电压分量即流量分量，其大小与流量相关，系数a对应了流速。另一部分为微分干扰，微分干扰是由励磁电流的变化引起的，与流量无关，随励磁时间发生变化，其系数b与流量和励磁时间均无关。

图2为各流量下信号电压。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50Hz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。图2中数字滤波后的信号电压幅值由低到高对应的流量依次为0m³/h～30m³/h。图2中的信号电压与图1中动态上升的励磁电流相对应。可以看出，在励磁电流的瞬态上升过程中，与之对应的信号电压幅值既与管道内流量的大小相关，又随着励磁时间而变化。当流量为零时，信号电压主要为微分干扰。随着时间增加，微分干扰逐渐减小且变化趋缓；其他流量下的信号电压幅值随时间变化的同时，变化趋势也变得平缓。

在励磁电流的上升过程中，流速分量受到感应磁场的影响，其大小不仅与流速有关，还随时间变化；而微分干扰只随时间变化，与流速无关。此时，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，又受到时间的影响。由于信号电压的幅值受时间的影响，因而难以确定流速与信号电压之间的关系。

通过分析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^-α*t上出现，如果能消去指数项，那么剩下的部分就只与流速相关。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^-α*t成比例，则微分后的电压除以微分后的电流可以消去指数项，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^-α*t-b*α²*I₀*e^-α*t)dt(3)

式中，对励磁电流微分处理，得到

di(t)＝α*I₀*e^-α*tdt(4)

可以看到，式(3)和式(4)都只包含与指数项e^-α*t成比例的部分。此时，将两式相除，得

化简后，得

由式(6)可以看出，信号电压和励磁电流分别微分处理后，两者相除消去了指数项e^-α*t，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，与流量线性相关；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。则从式(6)可知，电压和电流微分后的比值结果与流速是成线性关系的。

图3为各半周期输出结果与流量对应关系。根据对式(6)的分析，信号电压和励磁电流微分比值与流量有线性关系，且随流量变大而增大。为了进一步验证二者之间的关系，分别对励磁电流和经过滤波处理的信号电压微分处理，两者微分之后相除，再对每半周期电压和电流微分比值进行幅值解调，最后求解调后的均值作为每半周期的输出结果。图中每一流量点均对应了此流量下的各半周期输出结果，尽管每个流量下对应的各半周期输出结果在一定范围内波动，但是，容易看出电压和电流微分比值与流量之间具有明显的线性关系。

图4为电压和电流微分比值与流量拟合曲线。对各半周期的输出结果求均值，再利用最小二乘法拟合，得到电压和电流微分比值与流量之间的关系曲线。图中，电压和电流微分比值的输出结果落在拟合曲线上或均匀地分布在曲线两侧，即微分比值与流量具有良好的线性关系。流量为零时对应的输出结果不为零，根据式(6)分析，此时为固定干扰-b*Δα，与流量和励磁时间均无关，可作为零点处理。

为了比较本发明与普通电磁流量计的励磁功耗大小，以DN40电磁流量计为例，计算并比较了瞬态测量和稳态测量时的励磁功耗。

对于口径为40mm，励磁回路电阻为56Ω，励磁线圈电感为127mH的一次仪表，普通电磁流量计采用了高低压电源切换的励磁控制方法，稳态励磁电流约为180mA，励磁频率可调，而在不同频率下的励磁功耗基本相同。当励磁频率为12.5Hz时，每半周期励磁时间为40ms。在励磁电流上升到稳态值这段时间里，励磁电源为高压电源，电压为80V，已知励磁回路时间常数为则此时的励磁电流为

励磁电源为高压电源时，励磁电流可以快速达到180mA，之后切换为低压源，使励磁电流保持在稳态值。计算可知，此时励磁电流达到180mA的时间约为0.3ms，则上升段对应的励磁功耗为

励磁电源切换为低压电源时，电压为17V，由励磁电流达到稳态值的时间约为0.3ms，半周期时间为40ms，可得励磁电流稳定段对应的功耗为

W₂＝17*0.18*(0.04-0.0003)＝17*0.18*0.0397＝0.1215J

即每半周期的励磁功耗为

W＝W₁+W₂＝0.0022+0.1215＝0.1237J

而12.5Hz励磁时每秒有25个励磁半周期，则普通电磁流量计1秒内的功耗为

W_普＝W*25＝0.1237*25＝3.0925J

对于同样的一次仪表，瞬态测量时线圈上励磁电压约为7V，励磁频率为1Hz，每秒有两个励磁半周期，半周期励磁时间为8ms，由于瞬态测量系统没有高低压切换，励磁电流在8ms内未能进入稳态，电流值达到90mA左右。

由瞬态测量时线圈中励磁电流为

可得每半周期对应的励磁功耗为

即瞬态测量时1秒内2个半周期的励磁功耗为

W_瞬＝W₃*2＝0.0051*2＝0.0102J

对比可知，瞬态测量系统每秒内的励磁功耗约为普通电磁流量计的1/300，表明瞬态测量减少了励磁时间，极大地降低了励磁功耗。

图5为系统硬件框图。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、存储模块、输出模块和通讯模块。

在励磁驱动模块中，通过DSP的片上外设ePWM产生励磁时序来控制励磁控制电路中H桥的通断，进而控制励磁线圈的励磁。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，因而本发明系统在硬件设计中去掉了恒流源电路，也降低了励磁功耗。

信号调理采集模块包含传感器信号处理采集部分和励磁电流信号采集部分。在传感器信号调理采集部分中，传感器信号首先经过差分电路放大，再经过偏置调整电路调整信号基准，然后通过滤波电路滤除高频噪声，最后经过模数转换器ADC1，将滤波后的电压转换为数字量送入DSP中计算。由于传感器实际输出中含有直流偏置量，且该偏置为一变化量，所以，利用DAC(数模转换器)调整偏置，以保证ADC能正常采样。励磁电流采集部分中，先是利用检流电路测得励磁电流，再经过模数转换器ADC2，将励磁电流转换为数字量传输到DSP中。

人机接口模块包括键盘和液晶。在系统工作过程中，DSP以查询方式监测是否有按键按下，通过操作按键修改和设置相关参数；DSP利用GPIO(通用输入输出)口模拟SPI(串行外设接口)将数据串行传输到液晶，实现流量及相关信息的实时显示。

在存储模块中，利用外部接口XINTF模块外扩SRAM(静态随机存储器)，存储较长的程序代码和数据。利用铁电存储器存储关键的仪表参数以及上次断电时的累积流量，以便重新上电时能正常工作。

在输出模块中，通过GPIO口输出4～20mA电流。通信模块中，利用RS485与上位机通讯，实现数据上传与参数设置。

图6为主程序流程图。主程序是整个瞬态测量系统的总调度程序，调用各个模块的子程序，实现仪表所要求的各项功能。主程序是一个死循环，系统一上电就开始工作，进入不断计算和处理的循环中。软件工作流程为：系统上电后立即进行初始化；初始化完成后，配置两片ADC开始同步采样；然后，开启励磁中断，励磁开始工作，对励磁线圈进行激励；半周期采样结束后，判断采集到的信号电压是否超限；之后调用算法模块，利用瞬态测量方法对采集到的信号电压和励磁电流进行处理，计算得出电压和电流微分比值；然后，根据设定的仪表系数计算瞬时流量和累积流量，实时刷新液晶显示。

本发明的系统工作过程为：励磁驱动模块通过DSP的片上外设ePWM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，产生感应磁场。管道内导电液体流经线圈中励磁电流感应产生的磁场时，在传感器电极上产生信号电压。信号电压经过差分放大、偏置调整以及滤波后与利用检流电路测量的励磁电流被两个相同型号的模数转换器ADC1和ADC2同步采样，经过这两个模数转换器采样后，电压和电流从模拟量转换为数字量；然后，通过DSP的两个多通道缓冲串口(McbspA和McbspB)送入DSP中。在DSP中，半周期采样结束后判断信号电压是否超限。若超限，则通过数模转换器DAC和偏置调整电路调整偏置。然后，采用梳状带通滤波器对信号电压进行数字滤波，再对励磁电流和滤波后的电压分别微分处理，计算两者微分后的比值；最后计算得到瞬时流量和累积流量，并将流量及相关信息通过液晶实时刷新显示。

图7为算法流程图。算法程序是对电压电流微分比值方法的实时实现，基本流程为：先是利用梳状带通滤波器对采样得到的信号电压进行数字滤波；再对滤波后的信号电压微分处理、对励磁电流微分处理；然后，电压微分除以电流微分，并对微分比值进行半周期解调；最后，求解调结果的均值作为输出结果参与到流量的计算。算法程序执行完毕后，再次回到主循环中，此时调用液晶显示程序将计算得到的流量送到液晶显示。

表1为水流量标定结果。将研制的电磁流量变送器与研制的40mm口径的夹持式传感器相配合，在水流量标定装置上进行了水流量标定实验。实验中采取容积法进行标定，即将电磁流量计测得的流量结果与量筒内体积比较，验证电磁流量计的测量准确度。

表1水流量标定结果

实验数据如表1所示，共检定了4个流量点，其中，最大流速为5m/s，最小流速为0.5m/s。实验结果表明，基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器测量准确度满足0.5％的要求。实验验证表明，利用励磁电流的瞬态过程进行测量的系统，采用电压和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。