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基于ARM的智能电磁流量计转换器的研制
电磁流量计是基于法拉第感应定律的应用,因其在使用中无压力损失而被广泛应用于众多的工业场合。电磁流量计转换器是其重要组成部分,直接决定了电磁流量计的转换精度。转换器功能包括数据采集、显示、计算、输出、报警、故障诊断、自检定及多段非线性补偿、数据通讯功能等。现行的转换器大多使用8位的单片机,较为复杂的算法就难以实现或响应时问过慢。本文设计的智能电磁流量计采用的是32位的ARM处理器,数据处理能力的提高使得采用复杂算法提高精度成为可能,低流速测量性能亦获得较大改善,较传统的转换器设计有较为明显的改进。
 
1、电磁流量计工作原理
电磁流量计的原理是利用法拉第电磁感应定律,推得流体的体积流量为:
Q=Ue/BD*πD²/4B=πD/4B*Ue
式中Ue一感应电压,V;B一磁感应强度,T;Dー管道内径,m;Q一流体体积流量,m³/s。
 
2、系统硬件设计
电磁流量计的转换器是一个典型的数据采集处理系统,硬件上大致包含以下几个部分:多路电源模块、ARM处理器、励磁模块、信号采集与处理模块、输人输出接口、通讯模块等。硬件电路结构示意图,如图1所示。
2.1励磁模块
转换器的励磁模块本质上是由恒流源驱动一个H桥路。为了缩小体积、降低功耗并提高可靠性,本文利用1117ADJ电源芯片设计了一个恒流源,用来驱动集成桥路芯片D6202,从而避免了采用分立原件来设计励磁电路,大大降低了设计难度。
1117ADJ是一个可调输出电平的电源芯片,输出的电流是由OUT管脚和ADJ管脚之间外接的电阻大小决定的,通过外接精密电阻,可以得到一个输出恒定电流的恒流源。16202是一个H桥芯片,通常用于产生大电流高频PWM信号。它能产生平整方波,完全符合低频矩形波励磁波形的要求。CPU控制16202的输入逻辑电平,从而改变输出波形,控制励磁线圈的电流方向。励磁信号频率可由CPU输出的控制信号频率决定,可以很容易地通过软件绵程加以修改,可适合各种实际应用的需要。
2.2信号采集与处理模块
信号采集与处理模块包括模拟信号前端处理与A/D转换。模拟信号处理是高精度电磁流量计转换器的基础,也是获得理想精度的关键。电磁流量计通过励磁线圈对导电流体施加一个低频交变磁场,导电流体在磁场中流动切割磁力线,从而产生感应电动势。通过电极采集到的感应电动势是一个微弱的交变信号,通常只有几十微伏至几毫伏,且信号内阻高,噪声信号频率与50Hz工频相近,幅值远远大于待测信号,放大电路的设计难度很大!,需要设计高质量的信号处理电路将干扰滤除,才能达到仪表的设计精度。本文设计的信号处理电路,如图3所示。
感应电动势信号进行放大处理之前需首先经过滤波预处理单元消除高频干扰。接下来的*级放大电路选用的是高精度增益可调仪表放大器AD620,其输入阻抗高,外接元件只需一个增益电阻。由于*级放大电路的输人端直接与测量电极相联,而电极在导电液体处于静止状态时两电极间就有电动势存在,必须首先避免此电动势影响仪表放大器工作。研究此信号可知,该电动势是由液体中的各种带电离子和外界电磁场对液体及管壁的干扰引起的,由于其变化无常时大时小,为了不让仪表放大器以及二级信号放大中的运放进入饱和区,须使放大倍数稍小一些,然后再通过隔直电容将直流信号隔离,余下的有用交流信号送入放大倍数高的后级放大器,使信号达到A/D转换器的工作范围要求。在这里选用精密电阻,将放大倍数定为10.88倍。
经过前面的处理,感应电动势信号仍然有可能存在一定的高频尖峰噪声,这对后续的二级信号放大以及电平提升电路会产生不利影响。因此这里进一步设计了单位增益的二阶巴特沃斯低通滤波器,低通截止频率∫为33.9Hz。此频率为励磁频率的7倍。经过前面各级电路的预处理之后,再将信号放大20倍,并提升为单极性信号,ZUI终送入增益可调的16位Σ-△型A/D转换器AD7715完成模数转换。
2.3智能处理单元
本系统采用了 Philips公司的LPC2106作为主CPU,附加LCD显示模块、键盘输人模块、输入输出和通讯模块等共同构成智能处理单元。
LPC2106是一款支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S微处理器,自带128KB高速 Flash存储器,采用3级流水线技术,取指、译码和执行同时进行,能够并行处理指令,提高CPU运行速度。由于内含多个32位定时器、PWM输出和32个GPIO,且无需外扩RAM,具有很小的尺寸和极低的功耗,非常适用于本系统的小型化要求。CPU通过SPI总线和A/D、D/A以及LCD控制芯片相互通讯,只需3根数据线和控制线即可扩展所有外围器件,大大提高了系统的可靠性,减少了尺寸,降低了成本。此外,LPC2106还自带PWM输出,可直接用于输出频率信号和脉冲当量。
系统的通讯模块包含RS-232接口和RS-485接口,用户可以根据需要选择相应的通讯方式,方便地与上位机进行通讯,并可组成多机总线,实现数据远距离传输。4~20mA的输出模块选用了AD421芯片,可直接将数字信号转换成电流信号输出,并预留HART协议通讯接口。
 
3、系统软件设计
系统软件采用结构化、模块化设计方法,由主程序、时基中断程序、菜单处理程序、励磁信号产生、A/D、D/A、通讯、显示、脉冲频率输出等部分组成。主程序对系统进行初始化,通过对各模块的应答响应,判断各模块是否正常运行。通过设定用户级别,可实现对仪表参数设定的分级控制,分属不同级别的生产厂家、售后服务和用户均只能访问相应级别允许访问和修改的仪表参数。在工况测量状态下,仪表将实时显示瞬时流量、累积流量、流速和报警信息等。在参数设定状态,可对各种参数进行设置,比如传感器系数、转换器系数、仪表系数、测量管口径等。系统将把改变的系数和累计流量等相关信息在线保存,并可记录多次上电和复位时间信息,以备现场工作人员査阅。
 
4、流量试验结果
使用研制的智能电磁流量计转换器配合厂家传感器进行标定试验,采用标准表比较法来标定所设计的转换器。这种方法是用精度较高等级的标准流量计与被校验流量仪表串连,让流体同时流过二者,比较二者示值,确定被检表的误差,达到校准目的。
此处与标准值比较的方法为总量法,是比较样机累积体积流量值和标准装置测得的标准体积,以确定仪表表示值或误差。虽然校准是在指定的流量下进行,但由于比较的是总量,所以对流量稳定性的要求稍低。实验所用传感器的内径为25mm,标准表为0.5级,被测表为设计的样机,采用两组试验数据拟合出直线,用剩下的多组数据来验证线性校正后样机的误差。第1、2组试验数据拟合出的直线与方程,如图4所示。
经实验验证,在0.4-1m流速段用一条直线拟合,使用剩下多组数据作验证,结论为0.4m/s及以上流速的ZUI大误差为0.64%,精度达到1%的设计目标。
 
5、结论
智能电磁流量计采用软硬件协同设计方法,具有较高的智能性和多场合适应能力,集成化程度高,功能多,操作方便,体积小,功耗较低,具备一定的自诊断能力和多机通讯功能,可测量正反向流量和脉动流量,抗电磁干扰和温度性能较好,适合现场应用或远程测量,测量范围大,准确度高,达到了预期的性能指标。