摘要:为了实现较高的励磁频率，提高响应速度,同时减少电磁流量计的功耗，提出基于电压电流比值的瞬态测量方法,确定电压电流比值与流量之间的关系。设计了基于DSP的硬件,采集瞬态时的励磁电流和信号电压来验证该处理方法，离线数据分析表明，电压电流比值与流量有良好的线性关系。设计的DSP软件可实时实现瞬态测量方法，并进行水流量标定和功耗测试实验。实验结果表明，流量测量精度到0.5级，与普通电磁流量计相同。功耗对比表明,基于瞬态测量原理的电磁流量计的励磁功耗是普通电磁流量计的30%。
1引言
　　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。由于其测量管道内无阻挡体、耐腐蚀性强、可靠性高，且不受流体密度、黏度、温度、压力变化的影响，所以，在石油、化工、冶金、造纸等行业得到较为广泛的应用，被用于水流量和浆液流量的测量[1,2]目前电磁流量计在水流量测量时大多采用低频矩形波或三值波励磁.[3-5]，励磁电流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。在用于浆液测量时,为了克服浆液噪声对流量信号的影响，大多采用高频励磁方法。通过采用高低压励磁的方法使电流快速进入稳态，即在提高励磁频率的情况下保证励磁电流进入稳态;但是，无论水流量测量时的低频励磁，还是浆液流量测量时的高频励磁，都是在励磁电流的稳态段拾取对应的.传感器信号,即都是利用励磁电流的稳态段进行测量，需要维持励磁电流的稳定,这将导致电磁流量计的励磁功耗大,发热严重，影响其使用寿命。为了降低功耗,文献[9]对励磁电流的瞬态过程进行了研究,验证了瞬态测量的可行性。相比稳态测量,瞬态测量时的励磁电流不需要进入稳态，也不需要恒流源来稳定励磁电流，可有效地降低励磁功耗,并有利于实现较高的励磁频率;但是，瞬态时的励磁电流和信号电压都处于动态上升过程，信号的幅值同时与流量和时间有关,而且此时微分干扰也不能忽略，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,分析电磁流量计瞬态过程的信号模[10,11]型，提出电压电流比值的处理方法，确定了电压电流比值与流量之间的关系;定量计算并比较了稳态测量和瞬态测量时励磁线圈上的功耗;设计基于DSP的硬件，采集电压电流数据进行了离线验证;研制DSP软件，实时实现瞬态测量方法;进行水流量标定实验验证。
2瞬态测量原理
2.1信号模型
　　瞬态测量由于励磁时间短，励磁电流和其感应产生的磁场均不能达到稳态，此时的励磁线圈应作为一-个感性负载处理。因此,在励磁电流的非稳态上升过程中,线圈中励磁电流为:

　　式中:U为励磁电压;R为励磁回路电阻;α=R/L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，传感器电极两端产生的信号电压为:

　　可见,信号电压主要由2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量分量，其大小与流量相关,系数a对应流速;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，其系数b与管道内流速无关。微分干扰不随流速变化，随时间增加而逐渐变小。
2.2电压电流比值方法
　　针对瞬态测量,通过对信号电压的分析，确定了信号电压和励磁电流的比值与流量的线性关系，提出了基于电压电流比值的处理方法。瞬态测量励磁时间短,励磁电流及其感应产生的磁场均未进入稳态。在励磁电流的上升过程中，微分干扰只随时间变化，而流量分量受到励磁电流的影响，其大小不仅与流速有关,还随时间变化。为了消除励磁电流对流量分量的影响,同时减小电流波动带来的磁场波动对信号产生的影响,将信号电压比上励磁电流，即式(2)比上式(1),得到:

　　式中:i=1,2.k;ti为同相位对应的时间点。根据式(4),干扰只随时间变化而与流速无关，那么对于任一同相位点t，不同流量下的干扰均为相同的确定值。即同相位取点后干扰部分相同，电压电流的比值只跟随流量变化。若对电压电流比值进行多个同相位取点并求和，得到:

　　式(6)中对电压电流比值取了5个同相位点。可知，对电压与电流比值进行5个同相位取点后,在同一流量下，每个同相位点的干扰部分B(t)均是确定值，则求和之后的也是一个确定值。又由于不同流量下同相位取点的干扰部分相同，则不同流量下电压电流比值的5个同相位点求和后，干扰也是相同的确定值。即对电压电流比值取5个同相位点求和后,干扰部分固定,比值的大小只随流量变化。而流量为零时，电压电流比值等于干扰部分的值，所以，可将干扰部分作为零点处理。
2.3功耗分析
　　以DN40电磁流量计为例,比较稳态测量和瞬态测量时励磁线圈上的功耗。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，稳态测量时采用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[10),不同频率励磁时，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，加载在励磁线圈.上的励磁电压为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能耗为:

　　励磁电流达到稳态值后线圈.上励磁电压为17V,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能耗为:
W2=17V·0.18A·(0.04s-0.0003s)=0.1215J
　　即每半周期的励磁功耗为W=W1+W2=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1s内的能耗为Wp=W·75=3.0925J。
　　瞬态测量时,配合同样的一-次仪表,计算了在高频励磁时励磁线圈上的能耗。此时,线圈上励磁电压约为16V,励磁频率为37.5Hz,每秒有75个励磁半周期。半周期励磁时间为8ms,此时励磁电流尚未进入稳态，励磁电流最大约为190mA。
由瞬态测量时线圈中励磁电流为

　　对比可知,瞬态测量时励磁线圈上1s内的能耗约为普通电磁流量计的64%,即瞬态测量时励磁线圈上的功耗约为普通电磁流量计的64%。而且瞬态测量时不需要恒流源，也能降低励磁系统的功耗，所以,瞬态测量能有效地降低励磁系统的功耗。
3方法验证
　　为了验证提出的处理方法,硬件系统,采集电压和电流数据,并对数据进行离线处理。硬件设计中,选用24位AD进行采样，以更准确地测得动态变化的信号电压和励磁电流,提高测量精度。同时，为了准确地求得电压电流比值，需要同步测得电压和电流。否则，会造成电压电流比值出现偏差，影响到测量结果。所以，硬件电路中使用两片24位AD分别采集电压和电流,并配置为同步采样。
3.1硬件研制
　　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、通讯模块和存储模块。在励磁驱动模块中,通过DSP芯片.上的ePWM产生励磁时序控制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ADC同时采集经过信号处理电路的信号电压和励磁电流。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GPIO口控制输出4~20mA电流。通信模块中,通过上位机发出命令,实现数据上传与参数设置。存储模块中，利用铁电存储重要参数以及上次断电时的累计流量。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，因而在设计中去掉了恒流源电路。
3.2离线数据分析
　　利用DSP硬件系统，在励磁电压为16V,励磁频率为37.5Hz,励磁时间为8ms,采样频率为2500Hz的情况下，进行了流量测量实验。分.别在0，1.5,2.5,4.5，10，15,22.5m3/h等流量下采集励磁电流和信号电压，并在Matlab中对采集的数据做了相应的处理。
　　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。励磁电流波形如图1所示，由于是在励磁控制模块的H桥路近地端加入一一个检流电阻来测量励磁电流,所以，这样的采集方法就导致电流方向始终保持同向。，可以看到,在励磁电
流的瞬态_上升过程中，励磁电流还未进入稳态时系统就已经停止励磁,此时励磁电流达到最大，约为190mA,。

　　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。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0~22.5m3/h。其中,图2中信号电压与图1中前2个半周期的励磁电流相对应,为正负两个半周期。可以看出，在非稳态上升过程中，信号电压的幅值与管道内流量大小仍是相关的。当流量为零时,信号电压主要为微分干扰。

　　由式(4)分析可知，电压电流的比值与流量有关。为了进一步验证电压电流比值与各流量之间的关系,将经过滤波处理的信号电压除以对应的励磁电流,再对每个半周期电压电流比值进行幅值解调，最后对解调后的比值取5点求均值作为每半周期的输出结果。
　　对各半周期的输出结果求均值,再利用最小二乘法拟合,拟合出的关系曲线如图3所示。图3中，电压电流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。可见，电压电流比值与流量有良好的线性关系;而流量为零时对应的值即为电压与电流比值后的干扰部分，可作为零点处理。

4实时测量
　　为了进一步验证其精度,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，进行水流量标定实验.和功耗测试。
4.1软件编程
　　软件设计采用模块化设计方案,主要功能模块有:初始化模块、驱动模块、数据处理模块、人机接口模块等,程序流程图如图4所示。系统上电后先进行初始化，然后配置两片ADC同步采样,开启励磁中断，励磁开始工作。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,刷新液晶显示。在算法模块中,先是对采集到的信号电压进行梳状带通滤波处理，再将滤波后的电压除以对应励磁电流,然后对电压电流比值进行半周期幅值解调,对解调后的比值取5点求均值作为输出结果参与到流速的计算。
4.2水流量标定
　　将电磁流量变送器与国内某大型企业研制的40mm口径的夹持式传感器相配合，在实验室的水流量标定装置.上，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，验证电磁流量计的精度。实验数据如表1所示

　　如表1中数据所示，共检定了5个流量点,其中,最大流速为5m/s,最小流速为0.3m/s。实验结果表明,在励磁频率为37.5Hz,励磁时间为8ms的瞬态测量中,流量计测量精度达到0.5级。实验验证表明，利用励磁电流的瞬态过程进行测量的系统，采用电压电流比值的处理方法能达到普通电磁流量计的精度要求。
4.3功耗测试
　　功耗测试实验DN40一次仪表的线圈电阻为56Ω,电感为127mH,将其分别与励磁频率为12.5Hz.的普通电磁流量变送器和37.5Hz、8ms.励磁的瞬态测量系统相配合进行了励磁系统的功耗测试。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。
　　普通电磁流量变送器的励磁系统采用了高低压电源切换的控制方式,其中,励磁电源的高压为80V,输入电流为12mA,低压为24V,输入电流为176.8mA,即励磁电源的输入功率为5.20W。文中瞬态测量系统的励磁电源输入电压为24V,励磁频率为37.5Hz时输入电流为65.4mA,即励磁电源的输入功率为1.57W.结果表明，瞬态测量的励磁功耗约为普通电磁流量计的30%。

5结束语
　　针对电磁流量计瞬态测量中由于信号电压同时受到流量和时间影响而导致电压与流量关系不明确的问题，通过分析瞬态过程中动态变化的励磁电流和信号电压，提出了电压电流比值的瞬态测量方法，确定了电压电流比值与流量之间的关系。基于DSP的硬件系统，采集瞬态时的励磁电流和信号电压,利用文中方法在Matlab中对采集的数据做了相应处理。结果表明，数据的处理结果与流量有良好的线性关系。编写了DSP软件,在基于DSP的系统上实时实现了瞬态测量方法，进行了水流量标定实验。实验结果表明，系统的测量精度能达到0.5%，与普通电磁流量计相同。测试了普通电磁流.量计和瞬态测量系统的励磁系统的功耗,结果表明，瞬态测量时励磁系统的功耗约为普通电磁流量计的30%，瞬态测量方法在实现高频励磁的同时能够极大地减小功耗。

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