基于dsp的漿液型電磁流量計(jì)的研制基于dsp的漿液型電磁流量計(jì)的研制
摘要:設(shè)計(jì)高頻方波勵(lì)磁方案，提出漿液信號(hào)處理方法，以 dsp芯片 tms320f2812為核心研制漿液型電磁流量計(jì)，以解決漿液測(cè)量問(wèn)題。勵(lì)磁控制部分采用線性電源搭建恒流源并以高壓供電，實(shí)現(xiàn)高頻方波勵(lì)磁，并保證信號(hào)零點(diǎn)的穩(wěn)定。信號(hào)調(diào)理部分采用差分放大、偏置調(diào)整以克服共模干擾和極化漂移。信號(hào)處理部分采用基于統(tǒng)計(jì)分析與信號(hào)重構(gòu)的漿液信號(hào)處理方法去除漿液干擾，獲得穩(wěn)定的流量輸出。水流量標(biāo)定和紙漿漿液測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該漿液型電磁流量計(jì)水流量測(cè)量精度優(yōu)于
0． 5%，漿液測(cè)量的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率小于 4%，動(dòng)態(tài)跟隨響應(yīng)時(shí)間小于 4s，滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)漿液測(cè)量的要求。
關(guān)鍵詞 :電磁流量計(jì) ;漿液測(cè)量 ;
導(dǎo)電液體體積流量的儀表［1］。由于其測(cè)量管道內(nèi)無(wú)阻擋1引言體、耐腐蝕性強(qiáng)、可靠性高，且不受流體密度、黏度、溫度、壓力變化的影響，所以，在石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)電磁流量計(jì)是一種依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量得到較為廣泛的應(yīng)用。在這些行業(yè)中，常常需要測(cè)量漿液(固-液兩相流，如紙漿等 )流量。特別是隨著節(jié)能減排要求的提高，工業(yè)生產(chǎn)中不斷出現(xiàn)新的漿液流量測(cè)量需求，如用于替代工業(yè)鍋爐中傳統(tǒng)油煤燃料的水煤漿流量的測(cè)量。但是，當(dāng)前用國(guó)產(chǎn)的電磁流量計(jì)去測(cè)量漿液流量時(shí)，輸出波動(dòng)很大，測(cè)量結(jié)果無(wú)法反映實(shí)際的流量情況。究其原因，是因?yàn)閲?guó)產(chǎn)儀表基本上采用的是低頻的方波勵(lì)磁，沒(méi)有有效的信號(hào)處理方法，僅用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁的控制和信號(hào)處理［2-5］。而國(guó)外采用高頻方波勵(lì)磁技術(shù)或雙頻勵(lì)磁技術(shù)及相應(yīng)的信號(hào)處理方法，如日本東芝的高頻電磁流量計(jì)［6-9］和橫河的雙頻電磁流量計(jì)［10-12］，但未披露關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)。為此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的漿液型電磁流量計(jì)，解決漿液流量的快速和穩(wěn)定測(cè)量具有重要意義。
漿液測(cè)量的關(guān)鍵在于有效克服漿液噪聲的影響。而根據(jù)漿液噪聲的 1 /f特性及國(guó)外研究結(jié)論，可以采用高頻勵(lì)磁或雙頻勵(lì)磁來(lái)有效降低漿液噪聲的影響，進(jìn)而從信號(hào)處理上進(jìn)一步削弱漿液噪聲，提高測(cè)量精度。為此，電磁流量計(jì)的勵(lì)磁控制和信號(hào)處理至關(guān)重要。本文在現(xiàn)有的信號(hào)處理方法［13-14］和勵(lì)磁控制研究［15-16］的基礎(chǔ)上，提出有效的漿液信號(hào)處理方法，并以 ti公司 dsp芯片 tms320f2812 (以下簡(jiǎn)稱 f2812)為核心，研制漿液型電磁流量計(jì)。
系統(tǒng)硬件研制
2．
1硬件方案
本系統(tǒng)主要包括勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)調(diào)理采集模塊、信號(hào)處理控制模塊、人機(jī)接口模塊、通訊模塊及電源管理模塊，其硬件框圖如圖 1所示。
圖 1系統(tǒng)硬件fig．1 system hardware block diagram
由 f2812產(chǎn)生特定時(shí)序的勵(lì)磁控制信號(hào)控制勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊工作。勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊向電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈提供特定時(shí)序的勵(lì)磁電流，建立特定形式的交變磁場(chǎng)。勵(lì)磁電流同時(shí)由檢流電路檢測(cè)并由 a/d轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換以送給信號(hào)處理控制模塊。電磁流量計(jì)感應(yīng)輸出信號(hào) ( sig)由信號(hào)調(diào)理采集模塊調(diào)理并進(jìn)行 a/d轉(zhuǎn)換。a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果再送給信號(hào)處理控制模塊，由 dsp進(jìn)行信號(hào)處理以獲取流量信號(hào)。人機(jī)接口模塊用于人機(jī)交互操作。通訊模塊用于上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2． 2勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊
由于漿液噪聲幅值與頻率之間成 1 /f特性，因此，本系統(tǒng)采用高頻方波勵(lì)磁控制方案，以提高傳感器輸出信號(hào)的基頻，從而在漿液測(cè)量時(shí)有效降低漿液噪聲影響，提高信噪比。勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊主要由恒流源電路、勵(lì)磁控制電路、檢流電路和 a/d轉(zhuǎn)換電路組成，具體采用文獻(xiàn)
［15］中的技術(shù)方案。恒流源電路向勵(lì)磁線圈提供恒定的穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流，勵(lì)磁控制電路用于切換勵(lì)磁電流的方向以實(shí)現(xiàn)方波勵(lì)磁。由于隨工作環(huán)境的變化和時(shí)間的推移，勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊參數(shù)及電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈參數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致勵(lì)磁電流變化，使得測(cè)量結(jié)果發(fā)生偏差。為此，勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)置了檢流電路以檢測(cè)勵(lì)磁電流，并由 a/d轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行 a/d轉(zhuǎn)換以傳送給 dsp進(jìn)行處理結(jié)果的電流修正。由于電磁流量計(jì)工作時(shí)，勵(lì)磁電流高達(dá)數(shù)百毫安，而勵(lì)磁線圈又為感性負(fù)載，采用 dc /dc器件或類似 pwm控制原理反饋控制構(gòu)建的恒流源電路會(huì)使勵(lì)磁電流響應(yīng)速度較慢，從而在高頻勵(lì)磁時(shí)勵(lì)磁電流在勵(lì)磁半周期內(nèi)無(wú)法達(dá)到穩(wěn)態(tài)，引起較大的測(cè)量誤差。因此，采用高功率線性電源搭建恒流源電路并采用高壓源供電，以使勵(lì)磁電流在方向切換時(shí)能很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而保證高頻勵(lì)磁時(shí)信號(hào)穩(wěn)定性。恒流源電路原理圖如圖 2所示。r1采用精密電阻，通過(guò)調(diào)整該電阻值即可獲得期望的穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流。供電電壓 vcc為 36 v。
圖 2恒流源電路原理fig． 2 schematic diagram of the constant current source circuit
由于采用方波勵(lì)磁方案，因而系統(tǒng)的勵(lì)磁控制電路主要由h橋及其驅(qū)動(dòng)控制電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁線圈中電流的方波切換。h橋接恒流源，低端通過(guò)低阻值的
檢流電阻接地，中間接勵(lì)磁線圈。由于勵(lì)磁切換時(shí)感性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致 h橋電壓的大幅波動(dòng)。因而，h橋橋臂采用 pnp達(dá)林頓管以方便通過(guò)電流來(lái)進(jìn)行控制。h橋低端橋臂采用 nmos管，由于其柵極電流可以忽略不計(jì)，進(jìn)而可保證 h橋低端與地之間的檢流電阻能準(zhǔn)確檢測(cè)勵(lì)磁電流。h橋各橋臂均反接保護(hù)二極管，且采用對(duì)臂聯(lián)動(dòng)控制方式以實(shí)現(xiàn)高頻或雙頻方波勵(lì)磁時(shí)勵(lì)磁線圈中電流*流過(guò)檢流電阻。h橋?qū)Φ夭⒔酉薹Ｗo(hù)二極管。勵(lì)磁控制時(shí)，由 f2812發(fā)出勵(lì)磁控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)方波勵(lì)磁。
檢流電路主要由 h橋低端與地之間的檢流電阻、儀用運(yùn)放及低通濾波電路組成，用于檢測(cè)勵(lì)磁電流。檢流電阻選用 1 ω精密電阻。儀用運(yùn)放與濾波電路主要用于對(duì)檢流電阻上的電壓進(jìn)行放大濾波供 adc進(jìn)行 a/d轉(zhuǎn)換。
由于勵(lì)磁電流用于信號(hào)處理中的流量修正，而流量測(cè)量精度要求較高，因此，a/d轉(zhuǎn)換電路中選用 24位高精度 σ-△型串口 a/d轉(zhuǎn)換器，采樣率定為 4 800 hz。
2． 3信號(hào)調(diào)理采集模塊
信號(hào)調(diào)理采集模塊主要由前置差分放大電路、偏置調(diào)整電路、低通濾波電路及 a/d轉(zhuǎn)換電路組成。前置差分放大電路用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、信號(hào)放大并消除信號(hào)中的共模干擾。由于電磁流量計(jì)輸出阻抗高達(dá)幾百千歐，信號(hào)微弱且易受外界干擾，因此，采用低偏置電流高輸入阻抗的運(yùn)放 tl074搭建前置差分放大電路，放大倍數(shù)設(shè)為 11倍。
偏置調(diào)整電路用于輸出偏置調(diào)整量，提供給前置差分放大電路以將信號(hào)調(diào)整到線性測(cè)量范圍，避免極化噪聲導(dǎo)致信號(hào)放大飽和。偏置調(diào)整電路由一個(gè) d/a轉(zhuǎn)換電路和一個(gè)減法電路組成。 dac選用 10位串口型 tlc5615，輸出范圍為0～ 5 v。減法電路將 dac輸出電壓與2．5 v基準(zhǔn)電壓相減，并進(jìn)行放大從而實(shí)現(xiàn)正負(fù)雙極性偏置調(diào)整。
低通濾波放大電路用于對(duì)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波消噪，提高信噪比。采用兩個(gè)二階低通濾波電路級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)建四階低通濾波器，濾波截止頻率設(shè)為 2 khz，每級(jí)放大倍數(shù)為 2倍，從而將經(jīng)過(guò)偏置調(diào)整后的輸出信號(hào)再放大 4倍。
由于對(duì)信號(hào)精度要求較高，此處 a/d轉(zhuǎn)換電路同樣選用 24位高精度 adc。
2． 4信號(hào)處理控制模塊
由于漿液測(cè)量的關(guān)鍵在于漿液噪聲的去除，其信號(hào)處理算法相對(duì)于純水等單相介質(zhì)的測(cè)量算法往往較大。因此，系統(tǒng)中采用 ti公司 dsp芯片 tms320f2812作為
，并外擴(kuò)一片64kwsram作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力。系統(tǒng)信號(hào)處理控制模塊功能框圖如圖 3所示。
圖 3信號(hào)處理控制模塊功能fig． 3 block diagram of the signalprocessing＆ control module
tms320f2812內(nèi)核是一片 32位定點(diǎn) cpu，工作時(shí)鐘可達(dá) 150 mhz，從而為系統(tǒng)中信號(hào)的高速處理和算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)提供了充分的條件。另外 f2812還擁有豐富的片上外設(shè)。本系統(tǒng)中采用事件管理器模塊的 pwm輸出功能控制勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊工作 ;利用事件管理器捕獲功能判斷 adc是否轉(zhuǎn)換完成并以 gpio口模擬 spi與 adc通訊以讀取 adc的轉(zhuǎn)換結(jié)果 ;采用硬件 spi模塊向信號(hào)采集模塊 dac輸出偏置量 ;采用 scia與上位機(jī)通訊; pie模塊管理全部中斷操作 ;采用 gpio及中斷模塊處理鍵盤操作 ;并口液晶映射至 f2812的 xintf0區(qū)，通過(guò)總線進(jìn)行操作;外擴(kuò) sram用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并映射至 f2812的 xintf6區(qū);采用看門狗模塊監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行，防止死機(jī)。f2812的時(shí)鐘由 30 mhz有源晶振提供以使 cpu工作在速率;另外，采用阻容式復(fù)位電路以方便調(diào)試時(shí)手動(dòng)復(fù)位，程序則通過(guò) jtag口進(jìn)行下載和調(diào)試。
2．
5人機(jī)接口模塊
由鍵盤及液晶顯示電路組成，方便工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表參數(shù)和其它參數(shù)的輸入設(shè)置和流速的現(xiàn)場(chǎng)顯示。系統(tǒng)中采用 4個(gè)按鍵組合的方式，通過(guò)菜單進(jìn)行儀表參數(shù)設(shè)定 ;采用帶背光的點(diǎn)陣式 lcd以將有關(guān)系統(tǒng)測(cè)量的參數(shù)、單位、提示符、診斷信息等顯示出來(lái)。
2． 6通訊模塊
采用 f2812片上 scia作為通訊端口，采用電平轉(zhuǎn)換芯片 max3221實(shí)現(xiàn)3．3 v cmos邏輯電平與標(biāo)準(zhǔn) rs232電平之間的轉(zhuǎn)換，通訊速度能達(dá)到 250 ×103 bit/s，從而為采集的傳感器輸出數(shù)據(jù)、勵(lì)磁電流數(shù)據(jù)及其他測(cè)量數(shù)據(jù)和診斷信息的實(shí)時(shí)傳送提供條件，并方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2．7電源管理模塊
為方便使用，系統(tǒng)采用220v市電供電，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源電路將其變換為系統(tǒng)中所需的直流勵(lì)磁電源36v和系統(tǒng)其他部分工作電源±15v。模擬調(diào)理部分的±12v電源采用線性電源從±15v直接變換;模擬5v電源由線性電源從+12v變換;dsp系統(tǒng)所需的數(shù)字3．3v和1．8v電源先由dc/dc從+15v變至+5v，再由低壓差雙路輸出線性電源tps767d301將其變換成3．3v和1．8v。設(shè)計(jì)中，模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中同時(shí)將tps767d301的兩個(gè)開(kāi)漏輸出復(fù)位引腳與手動(dòng)復(fù)位電路的輸出直接連接并通過(guò)電阻上拉，接入至f2812復(fù)位輸入引腳，以實(shí)現(xiàn)f2812在系統(tǒng)上電和斷電及手動(dòng)復(fù)位時(shí)能夠得到有效的復(fù)位。
3系統(tǒng)軟件研制
3．1信號(hào)處理方法
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及主要噪聲產(chǎn)生機(jī)制，電磁流量計(jì)輸出信號(hào)形式如式(1)所示。其中，項(xiàng)bdv為由流體流速v引起的輸出分量，第二項(xiàng)為由于電極回路與磁力線不平行造成的正交分量，第三項(xiàng)為由于渦流效應(yīng)導(dǎo)致的同相干擾分量，第四項(xiàng)為工頻干擾，第五項(xiàng)為由于電化學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的極化噪聲、流動(dòng)噪聲及漿液噪聲等。另外，信號(hào)中還存在白噪聲。e=bdv+k1dbdt+k2d2bdt2+ec+ed(1)式中:只有bdv為反映流體流速的有用信號(hào)，而其他分量均為干擾分量。其中，正交干擾和同相干擾可以通過(guò)采用方波勵(lì)磁的方式并在勵(lì)磁穩(wěn)態(tài)進(jìn)行采樣加以消除。共模工頻干擾項(xiàng)由前置差分放大電路消除。所以，信號(hào)處理時(shí)主要在于去除差模工頻干擾及電化學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的噪聲。漿液測(cè)量時(shí)，電化學(xué)效應(yīng)主要引起極化噪聲及固體顆粒劃過(guò)電極時(shí)的漿液噪聲。極化噪聲引起傳感器輸出信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)漂移、頻率很低，漿液噪聲則表現(xiàn)為電極極化狀態(tài)突然被打破并重新建立極化平衡狀態(tài)而造成信號(hào)較大跳變的過(guò)程，其與頻率之間呈1/f特性。漿液測(cè)量時(shí)，如何去除此類噪聲為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。針對(duì)差模工頻干擾、極化噪聲及白噪聲，由于系統(tǒng)采用方波勵(lì)磁，傳感器輸出信號(hào)的理想特性也應(yīng)為方波，所以，系統(tǒng)中采用梳狀帶通濾波器，只讓特定頻率的方波信號(hào)通過(guò)，從而去除其他頻率分量的噪聲干擾。設(shè)系統(tǒng)勵(lì)磁頻率為fe(一般不為工頻頻率)，則梳狀帶通濾波器的帶通中心頻率設(shè)置為fe、3fe、5fe、7fe等。梳狀帶通濾波器z域傳遞函數(shù)如式(2)所示。其中，n為濾波器階數(shù)，其值為。h(z)=b×1－z－n1+az－n(2)由于漿液噪聲頻帶范圍較寬，覆蓋整個(gè)方波信號(hào)的頻帶范圍，且其頻率呈1/f特性，因而，上述梳狀帶通濾波器不能有效克服漿液噪聲的干擾。由式(1)可知，方波勵(lì)磁時(shí)，流體的流速與傳感器感應(yīng)輸出方波信號(hào)的正負(fù)半周幅值差成正比。在信號(hào)處理時(shí)，需對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào)，求取其正負(fù)半周幅值之差。漿液干擾發(fā)生在不同的勵(lì)磁半周期有可能造成對(duì)應(yīng)半周期內(nèi)的幅值解調(diào)結(jié)果偏大或偏小，從而引起測(cè)量誤差。為此，通過(guò)對(duì)一段時(shí)間長(zhǎng)度的漿液流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各勵(lì)磁半周期的幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，解調(diào)幅值與勵(lì)磁半周期數(shù)成近似高斯模型，近似高斯分布示意圖如圖4所示。圖4中，t為無(wú)漿液干擾影響的勵(lì)磁半周期幅值解調(diào)結(jié)果，［ab］為誤差帶。超過(guò)［ab］誤差帶的幅值解調(diào)結(jié)果即為漿液干擾引起的幅值偏大或幅值偏小的結(jié)果。圖4漿液測(cè)量勵(lì)磁半周期數(shù)與解調(diào)幅值之間近似高斯分布示意fig．4approximategaussiandistributiondiagramoftherelationshipbetweenthehalf-cycleexcitationnumberanddemodulationamplitudeforslurrymeasurement可見(jiàn)，漿液測(cè)量時(shí)，解調(diào)幅值正常的勵(lì)磁半周期數(shù)仍然是占大多數(shù)，而漿液干擾引起的幅值偏大和幅值偏小的勵(lì)磁半周期數(shù)則近似相等且比較少。因此，幅值解調(diào)后，可先對(duì)幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，即對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行排序，并取排序結(jié)果中幅值居中的一段數(shù)據(jù)的平均值作為反映實(shí)際流量大小的幅值結(jié)果t。統(tǒng)計(jì)分析后再進(jìn)行信號(hào)的遞推重構(gòu)，以獲取不受漿液干擾影響的每個(gè)半勵(lì)磁周期的信號(hào)。信號(hào)重構(gòu)計(jì)算式為:r(k)=2［t(k)+t(k－1)］·(－1)i－3［r(k－2)－r(k－1)］+r(k－3)(3)式中:t為統(tǒng)計(jì)排序得到的幅值結(jié)果，r為信號(hào)重構(gòu)的結(jié)果，r(k)位于勵(lì)磁正半周期時(shí)，取i=0;r(k)位于勵(lì)磁負(fù)半周期時(shí)，取i=1。信號(hào)重構(gòu)結(jié)果序列r中的每點(diǎn)對(duì)應(yīng)半勵(lì)磁周期平穩(wěn)態(tài)的信號(hào)大小。信號(hào)重構(gòu)后即可再通過(guò)梳狀帶通濾波器濾除其他噪聲。t+k2d2bdt2+ec+ed(1)式中:只有bdv為反映流體流速的有用信號(hào)，而其他分量均為干擾分量。其中，正交干擾和同相干擾可以通過(guò)采用方波勵(lì)磁的方式并在勵(lì)磁穩(wěn)態(tài)進(jìn)行采樣加以消除。共模工頻干擾項(xiàng)由前置差分放大電路消除。所以，信號(hào)處理時(shí)主要在于去除差模工頻干擾及電化學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的噪聲。漿液測(cè)量時(shí)，電化學(xué)效應(yīng)主要引起極化噪聲及固體顆粒劃過(guò)電極時(shí)的漿液噪聲。極化噪聲引起傳感器輸出信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)漂移、頻率很低，漿液噪聲則表現(xiàn)為電極極化狀態(tài)突然被打破并重新建立極化平衡狀態(tài)而造成信號(hào)較大跳變的過(guò)程，其與頻率之間呈1/f特性。漿液測(cè)量時(shí)，如何去除此類噪聲為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。針對(duì)差模工頻干擾、極化噪聲及白噪聲，由于系統(tǒng)采用方波勵(lì)磁，傳感器輸出信號(hào)的理想特性也應(yīng)為方波，所以，系統(tǒng)中采用梳狀帶通濾波器，只讓特定頻率的方波信號(hào)通過(guò)，從而去除其他頻率分量的噪聲干擾。設(shè)系統(tǒng)勵(lì)磁頻率為fe(一般不為工頻頻率)，則梳狀帶通濾波器的帶通中心頻率設(shè)置為fe、3fe、5fe、7fe等。梳狀帶通濾波器z域傳遞函數(shù)如式(2)所示。其中，n為濾波器階數(shù)，其值為。h(z)=b×1－z－n1+az－n(2)由于漿液噪聲頻帶范圍較寬，覆蓋整個(gè)方波信號(hào)的頻帶范圍，且其頻率呈1/f特性，因而，上述梳狀帶通濾波器不能有效克服漿液噪聲的干擾。由式(1)可知，方波勵(lì)磁時(shí)，流體的流速與傳感器感應(yīng)輸出方波信號(hào)的正負(fù)半周幅值差成正比。在信號(hào)處理時(shí)，需對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào)，求取其正負(fù)半周幅值之差。漿液干擾發(fā)生在不同的勵(lì)磁半周期有可能造成對(duì)應(yīng)半周期內(nèi)的幅值解調(diào)結(jié)果偏大或偏小，從而引起測(cè)量誤差。為此，通過(guò)對(duì)一段時(shí)間長(zhǎng)度的漿液流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各勵(lì)磁半周期的幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，解調(diào)幅值與勵(lì)磁半周期數(shù)成近似高斯模型，近似高斯分布示意圖如圖4所示。圖4中，t為無(wú)漿液干擾影響的勵(lì)磁半周期幅值解調(diào)結(jié)果，［ab］為誤差帶。超過(guò)［ab］誤差帶的幅值解調(diào)結(jié)果即為漿液干擾引起的幅值偏大或幅值偏小的結(jié)果。圖4漿液測(cè)量勵(lì)磁半周期數(shù)與解調(diào)幅值之間近似高斯分布示意fig．4approximategaussiandistributiondiagramoftherelationshipbetweenthehalf-cycleexcitationnumberanddemodulationamplitudeforslurrymeasurement可見(jiàn)，漿液測(cè)量時(shí)，解調(diào)幅值正常的勵(lì)磁半周期數(shù)仍然是占大多數(shù)，而漿液干擾引起的幅值偏大和幅值偏小的勵(lì)磁半周期數(shù)則近似相等且比較少。因此，幅值解調(diào)后，可先對(duì)幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，即對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行排序，并取排序結(jié)果中幅值居中的一段數(shù)據(jù)的平均值作為反映實(shí)際流量大小的幅值結(jié)果t。統(tǒng)計(jì)分析后再進(jìn)行信號(hào)的遞推重構(gòu)，以獲取不受漿液干擾影響的每個(gè)半勵(lì)磁周期的信號(hào)。信號(hào)重構(gòu)計(jì)算式為:r(k)=2［t(k)+t(k－1)］·(－1)i－3［r(k－2)－r(k－1)］+r(k－3)(3)式中:t為統(tǒng)計(jì)排序得到的幅值結(jié)果，r為信號(hào)重構(gòu)的結(jié)果，r(k)位于勵(lì)磁正半周期時(shí)，取i=0;r(k)位于勵(lì)磁負(fù)半周期時(shí)，取i=1。信號(hào)重構(gòu)結(jié)果序列r中的每點(diǎn)對(duì)應(yīng)半勵(lì)磁周期平穩(wěn)態(tài)的信號(hào)大小。信號(hào)重構(gòu)后即可再通過(guò)梳狀帶通濾波器濾除其他噪聲。綜上所述，基于統(tǒng)計(jì)分析與信號(hào)重構(gòu)的漿液信號(hào)處理流程為 :幅值解調(diào) ⅰ→統(tǒng)計(jì)分析 →信號(hào)重構(gòu) →梳狀帶通濾波 →幅值解調(diào) ⅱ→電流修正 →滑動(dòng)均值濾波 →流量轉(zhuǎn)換。其中，幅值解調(diào) i是直接計(jì)算系統(tǒng)采集進(jìn)來(lái)的傳感器信號(hào)的每勵(lì)磁半周期的信號(hào)幅值 ;幅值解調(diào) ⅱ是求取信號(hào)重構(gòu)與梳狀帶通濾波后信號(hào)每勵(lì)磁半周期的信號(hào)幅值 ;然后，將其與勵(lì)磁電流相除得到電流修正結(jié)果，并進(jìn)行滑動(dòng)均值濾波和流量轉(zhuǎn)換得到測(cè)量輸出的流量值。
3． 2軟件實(shí)現(xiàn)
軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，將完成特定功能或類似功能的子程序組合成功能模塊，主要功能模塊有 :初始化模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通訊模塊、人機(jī)接口模塊、看門狗模塊等，由主程序統(tǒng)一調(diào)用和協(xié)調(diào)各模塊正常有序工作。
初始化模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi) f2812、過(guò)程參數(shù)變量及各外設(shè)初始工作狀態(tài)的初始化。系統(tǒng)將軟件程序下載至內(nèi)部 flash中，并在系統(tǒng)初始化時(shí)將調(diào)用頻繁的子程序從 flash中拷貝到內(nèi)部 ram中運(yùn)行以提高程序執(zhí)行效率。外設(shè)初始化主要包括系統(tǒng)中各模塊的工作狀態(tài)的初始化，如采集模塊 adc的同步啟動(dòng)、偏置調(diào)整的初始輸出及驅(qū)動(dòng)、通訊的初始化等。
驅(qū)動(dòng)模塊主要為勵(lì)磁控制，由 f2812結(jié)合時(shí)序邏輯電路實(shí)現(xiàn)。單頻勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁控制僅由 gp timer4控制 ;雙頻勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁控制由定時(shí)器 gp timer3和 gp timer4控制。系統(tǒng)初始化后，插入相應(yīng)定時(shí)器啟動(dòng)程序即可進(jìn)行勵(lì)磁控制，而無(wú)需 cpu干預(yù)。
數(shù)據(jù)處理模塊主要包括數(shù)據(jù)采集、流量計(jì)算和偏置調(diào)整三個(gè)子模塊。數(shù)據(jù)采集通過(guò)捕獲中斷 ( cap1)通知 cpu讀取數(shù)據(jù)，由 gpioa8 /9模擬 spi功能來(lái)同步讀取傳感器信號(hào)和勵(lì)磁電流的轉(zhuǎn)換結(jié)果。偏置調(diào)整則通過(guò)設(shè)置上下門限，當(dāng)信號(hào)幅值超過(guò)上門限或其最小幅值低于下門*，則計(jì)算偏置調(diào)整量并由 spi控制偏置調(diào)整電路 dac輸出將其基準(zhǔn)拉回至 0。流量計(jì)算則采用
3． 1節(jié)所述基于統(tǒng)計(jì)分析與信號(hào)重構(gòu)的漿液信號(hào)處理流程。通訊模塊采用 sci接收中斷方式上位機(jī)控制指令，在與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互中采用 fifo模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信息批量處理，并根據(jù)上位機(jī)指令動(dòng)態(tài)調(diào)整 fifo級(jí)數(shù)以提高系統(tǒng)自身通訊效率。sci通訊波特率由上位機(jī)設(shè)定，系統(tǒng)中 f2812采用自動(dòng)偵測(cè)的方式設(shè)置波特率。
人機(jī)接口模塊用于液晶刷新、顯示切換及參數(shù)修改等;看門狗模塊為防止系統(tǒng) “死機(jī) ”，系統(tǒng)啟用 f2812內(nèi)部自帶的看門狗模塊。
主監(jiān)控程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)的總調(diào)度程序，控制著程序的有序運(yùn)行。系統(tǒng)上電或復(fù)位后，主程序先調(diào)用各模塊初始化子程序，進(jìn)而啟動(dòng)勵(lì)磁控制，繼而同步 adc
工作，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理循環(huán)操作。主監(jiān)控程序流程圖如圖 5所示。
圖 5主監(jiān)控程序流程圖fig． 5 flow chart of the main program
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了考核研制的漿液型智能電磁流量計(jì)的測(cè)量精度和漿液測(cè)量性能，在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司流量?jī)x表分公司分別進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和漿液測(cè)量實(shí)驗(yàn)。
1)水流量標(biāo)定結(jié)果
水流量標(biāo)定采用標(biāo)準(zhǔn)表法，標(biāo)準(zhǔn)表精度為0． 2級(jí)，標(biāo)定線口徑分別為 100 mm、50 mm、25 mm。系統(tǒng)勵(lì)磁方式為 25 hz方波勵(lì)磁，信號(hào)采樣率為 4 800 hz。水流量標(biāo)定中，由上位機(jī)發(fā)送指令同步控制被校表與標(biāo)準(zhǔn)表累計(jì)流量的啟停并計(jì)時(shí)，由串口通訊方式讀取兩表的測(cè)量結(jié)果。上述各口徑水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該漿液型電磁流量計(jì)的測(cè)量精度優(yōu)于0． 5級(jí)。由于電磁流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果只與流體的流速有關(guān)，而與流體的介質(zhì)無(wú)關(guān)，因此，上述水流量標(biāo)定結(jié)果可保證該電磁流量計(jì)的漿液測(cè)量精度。
2)漿液測(cè)量結(jié)果
系統(tǒng)的漿液測(cè)量實(shí)驗(yàn)在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司自制的 25 mm口徑的漿液流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行，同時(shí)在該裝置上與當(dāng)前技術(shù)先進(jìn)的日本東芝漿液型電磁
流量計(jì)進(jìn)行了測(cè)量比照實(shí)驗(yàn)。漿液流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置主要由水槽、泵、管道、兩臺(tái)電磁流量計(jì)一次儀表、分流閥等組成。其中，兩臺(tái)一次儀表串接于主管路中，上游一次儀表接本系統(tǒng)，下游一次儀表接?xùn)|芝漿液型電磁流量計(jì)二次儀表 ;分流閥位于兩臺(tái)一次儀表的上游，以通過(guò)控制支管路分流流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主管路流量的控制 ;流過(guò)主管路與支管路的漿液流體均直接返回水槽。實(shí)驗(yàn)中，紙漿質(zhì)量濃度配為實(shí)驗(yàn)裝置所允許的濃度 (約為 5% )。為方便比照，實(shí)驗(yàn)時(shí)先將流量調(diào)至，然后調(diào)整本系統(tǒng)儀表修正系數(shù)以使兩表測(cè)量結(jié)果示值一致。由于工業(yè)應(yīng)用中，漿液測(cè)量要求主要為穩(wěn)定測(cè)量和快速跟隨，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)一般要求不超過(guò) ±5%，跟隨時(shí)間在 4s以內(nèi)。因此，本實(shí)驗(yàn)主要考察系統(tǒng)漿液測(cè)量的波動(dòng)率和跟隨響應(yīng)速度，并與東芝漿液型電磁流量計(jì)進(jìn)行比照。波動(dòng)率定義為一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量結(jié)果的值與最小值之差除以值與最小值之和。實(shí)驗(yàn)時(shí)依次取 5種紙漿濃度 (依次加水稀釋)，每種濃度下取兩個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)記錄 200 s的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算波動(dòng)率。漿液測(cè)量跟隨響應(yīng)速度實(shí)驗(yàn)則是在濃度、流速下采用啟 /停泵的控制方法，記錄系統(tǒng)的跟隨響應(yīng)時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)漿液測(cè)量時(shí)穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率在 4%以內(nèi)，跟隨響應(yīng)時(shí)間在 4s以內(nèi)，從而具有較好的漿液噪聲抑制能力和較快的動(dòng)態(tài)跟隨響應(yīng)速度，滿足實(shí)際應(yīng)用要求，且測(cè)量性能與東芝漿液型電磁流量計(jì)接近。圖 6和圖 7分別為在紙漿濃度、滿流量情況下，系統(tǒng)漿液穩(wěn)態(tài)測(cè)量曲線圖和紙漿泵啟-停-啟時(shí)系統(tǒng)漿液測(cè)量曲線圖。
5結(jié)論
1)采用基于線性電源的高頻方波勵(lì)磁控制技術(shù)，以 tms320f2812為核心，研制了漿液型電磁流量計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)算能力強(qiáng)且能保證高頻方波勵(lì)磁時(shí)信號(hào)零點(diǎn)穩(wěn)定。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效用于漿液測(cè)量。 2)采用基于統(tǒng)計(jì)分析與信號(hào)重構(gòu)的漿液信號(hào)處理方法，能夠很好地克服信號(hào)中的漿液干擾，并有效抑制工頻干擾、極化漂移等噪聲的影響，實(shí)現(xiàn)漿液流量的準(zhǔn)確測(cè)量。 3)水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該漿液型電磁流量計(jì)的測(cè)量精度優(yōu)于0． 5級(jí)，從而保證了其漿液測(cè)量精度。紙漿測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該漿液型電磁流量計(jì)漿液測(cè)量穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率小于 4%，動(dòng)態(tài)跟隨響應(yīng)時(shí)間均在 4s以內(nèi)，滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的要求。--擴(kuò)展閱讀：開(kāi)封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)開(kāi)封中儀網(wǎng)站：