一种基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器制造技术

本发明专利技术涉及流量检测领域，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器
本专利技术涉及流量检测领域，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。
技术介绍
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MichalskiA等在IEEEInstrumentation&MeasurementMagazine上发表了“TheProblemsofPulseExcitationinElectromagneticFlowmeters”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。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，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。本专利技术的优点是：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。具体实施方式本专利技术的设计思想是：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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，采集电压和电流数据进行离线验证；以DSP为核心，研制基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器，实时实现瞬态测量方法；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，其特征在于：励磁驱动模块通过DSP的片上ePWM产生励磁时序控制H桥的通断，进而控制线圈的励磁，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和偏置调整电路进行偏置调整；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。...

【技术特征摘要】
1.一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，采集电压和电流数据进行离线验证；以DSP为核心，研制基于电压电流微分的瞬态电磁流量变送器，实时实现瞬态测量方法；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，其特征在于：励磁驱动模块通过DSP的片上ePWM产生励磁时序控制H桥的通断，进而控制线圈的励磁，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和偏置调整电路进行偏置调整；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。2.如权利要求1所述的一种基于电压电流微分的瞬态电磁流量计，其特征在于：针对瞬态过程中信号电压同时受流量和时间影响的问题...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，徐科军，邹明伟，吴建平，石磊，许伟，康一波，汪春畅，于新龙，
申请(专利权)人：重庆川仪自动化股份有限公司，合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50