（微电子学与固体电子学专业论文）智能电磁流量计系统的设计与优化.pdf

摘要 电磁流量计是基于电磁感应定律的速度式流量计。本文在分析国内外电磁流 量计发展现状和趋势的基础上，提出了基于i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 的智能电磁流量计的 设计思路，并在此基础上研制了智能电磁流量计的软、硬件系统。 在智能电磁流量计系统的硬件开发中，采用了单片机控制方式可选的励磁技 术，并设计出键盘控制、刖d 转换、液晶显示等接口电路。为增强系统开放性和 通讯功能，选用r s 4 8 5 标准总线来实现仪表和外部系统的通信。在系统数字部 分的设计中，采用c p l d 来实现单片机外部的逻辑电路，大大缩小了整个系统的 体积提高了系统的可靠性。 在智能电磁流量计系统的软件开发中，以c 1 9 6 语言作为软件开发的工具， 采用模块化程序设计方式，充分利用了i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 单片机所具有的良好性能。 设计出了励磁方式控制子程序、a d 采样控制子程序、输入数据处理与流量计算 予程序、键盘管理及l c d 的汉字液晶显示等模块化程序。不仅使程序结构清晰， 而且也提高了系统的实时性，可靠性和精度。设计完成的电磁流量计系统具有励 磁方式可灵活选择，工作稳定可靠，使用方便，数据显示清晰明了及抗干扰性强 的特点。 关键词：智能电磁流量计单片机i n t e l 8 0 c 1 9 6 k cc 1 9 6 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , w h i c hi sb a s e do nf a r a d a y si n d u c t i o nl a w , i sa v e l o c i t y - t y p ef l o w m e t e r o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n do f t h e e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e rt e c h n o l o g y , t h e d e s i g n i d e ao ft h e i n t e l l i g e n t e l e c t r o m a g n e t i cf l o w r a e t e rb a s e do nt h ei n t e l8 0 c 1 9 6 k ca r ep u tf o r w a r d ，o nt h i sb a s i s ， t h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e mo fm i c r o p r o c e s s o rb a s e dt h ei n t e l l i g e n t e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ra g ed e v e l o p e d o nt h ed e s i g no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w r n e t e rh a r d w a r es y s t e m , w ea d o p tt h e l o wf r e q u e n c yr e c t a n g l ew a v ee x c i t a t i o nt e c h n o l o g yw h o s ef r e q u e n c yi sa l t e r a b l e ，a n d s c h e m eo u tt h ek e y b o a r dm a n a g e m e n tc i r c u i t ，t h ea n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t ，t h e l c dd i s p l a yc i r c u i t i no r d e rt oe n h a n c es y s t e m so p e n i n ga n dc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n , r s 4 8 5s t a n d a r db u si sa p p l i e dt of l o wm c a s u r e & s y s t e m i ns y s t e md i g i t a l p a r td e s i g n ，a l lo u t e rl o g i cc i r c u i t so fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra r ei m p l e m e n t e di n c p l d t h a tm a k e st h ev o l u m eo ft h es y s t e ms m a l l e ra n di m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f s y s t e m o nt h ed e s i g no ft h ee l e e l r o m a g n e t i cf l o w m e t e rs o r w a r es y s t e m , w ea d o p tt h e c 1 9 6l a n g u a g ea st h ep r o g r a mt 0 0 1 w ea d o p tt h em o d u l a rd e s i g n i n gm e t h o d ，a n d m a k ef u l lu s eo ft h ef u n c t i o n sw h a tt h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ro f f e r s a sar e s u l t , t h ef o l l o w i n gs u b r o u t i n e sa r ep r o g r a m m e d ：t h eo p t i o n a le x c i t a t i o nm o d e l s ，a ds a m p l e ， t h ef l u xp r o c e s s i n ga n dc o m p u t e ，t h ek e y b o a r dm a n a g e m e n t ，a n dt h el c dd i s p l a y t h e s ed e s i g n sn o to n l ys i m p l i f i e dt h ep r o g r a ms t r u c t u r e ，b ma l s oi m p r o v e dr e a l t i m e p e r f o r m a n c e ，s e c u r i t y , a n dp r e c i s i o no f t h es y s t e m m o r e o v e r , t h et i m eo fd e b u gt h e s y s t e m ss o f t w a r ei ss a v e d 。a f t e rf i n i s h i n gt h ep r o g r a m , i ti ss h o w e dt h a tt h eo p t i o n a l e x c i t a t i o nm o d e li sc o n v e n i e n t , d a m sc o n f i d e n t i a l i t y , t h ef l o w m e t e ri sr u n n i n gw e l la n d w a se a s yt ob eo p e r a t e d , a n dt h es y s t e m sa n t i i n t e r f e r e n c ef u n c t i o n si sv e r ys t r o n g k e y w o r d ：e m fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ( s c m ) i n t e l s o c l 9 6 k cc 1 9 6 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名日期 关于使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名： 刷稚名逾巡即 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 流量与温度、压力、物位等的测量同为热工量测量，是工农业生产过程控制 中的重要测定参数之一。流量测量与人们的日常生活有着密不可分的关系。因此， 作为流量测量的流量计应用范围很广。 在工业自动化中，过程变量的自动检测仪表是主宰自动化系统命运的关键， 任何控制系统都是从生产过程运行的信息测量开始的。工业过程自动检测技术与 仪表在经历了几个重要的历史时期的发展后，它作为自动化科学的一个重要分支， 己经成为了- - f - 具有实用性和综合性的新兴学科。随着科学技术的发展和工业生 产力水平的提高，各方面对自动检测仪表提出了越来越高的要求。特别是作为获 取信息的传感器的应用领域不断拓宽，它要测量各种物理量、热工量、力学量、 化学量、生物量，同时还要测量状态量。近十多年来，在各种高新技术的推动下， 仪器仪表行业取得了很大的发展b 甜“。 在工业生产过程中，精确地计算出在某一时刻流体的瞬时流量和在一段时间 间隔内的累积流量，既可以指导生产，同时也是规范工艺操作的需要和进行经济 核算的依据。然而，就流体流动量的检测而言，要比温度、压力等其他参量检测 困难的多。其原因在于：流量这个参数受输送流体的工作条件如压力、温度、流 动状态、流体的种类、形状等参数的影响。这就是说，流量计的种类和品种是十 分繁多的。其流量检测的方法也非常多，以应用于各种不同的场合和各种不同的 测量目的。通常，流量检测依据以下四种测量原理： 1 ) 利用伯努力方程，通过测量流体差压来测量流量； 2 ) 通过测量流速来测流量； 3 ) 利用标准小容积来连续测量流体流量； 4 ) 直接测量流体质量的质量流量测量方法。 电磁流量计是一种测量流体流速的速度式流量计，在推向市场后，性能不断 完善，已经成为一种技术成熟而又应用广泛的新一代流量仪表。但在新技术层出 不穷和工业过程要求日益提高的情况下，电磁流量计的性能必将进一步得到提升。 2 智能电磁流量计系统的设计与优化 1 2 电磁流量计的基本测量原理 1 2 1 法拉第电磁感应定律 法拉第最早通过实验发现电磁感应现象i l j 。实验表明，通过导体回路所包围 的面积的磁通量发生变化时，在回路中就会产生感应电动势及感应电流。此感应 电动势u 与通过闭合回路面积的磁感应通量。的变化率成正比- 7 】： u ：一d o b ( 1 - 1 1 留 在国际单位制中，u 的单位为v ，。的单位为讪，的单位为s 。 如果只考虑u 的大小，就可以略去上式中望堕的负号，即： m u - - 盟：占l v n 2 ) 廊 、。 式中，b 为磁感应强度( g s ) ，l 为磁场中作切割磁力线运动的导体在垂直磁 场方向的长度( r n ) ，v 为导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度( m s ) 。感应 电动势的方向就是v x b 矢量积的方向，可用右手定则来确定。 由( 1 2 ) 式可知，当磁感应强度占恒定不变以及导体长度三为定长时，感应电 动势的大小仅与导体运动速度成正比。 1 2 2 电磁流量传感器的基本原理 电磁流量传感器就是利用法拉第电磁感应定律制成的1 2 8 】，只是其中切割磁力 线的导体不是一般的金属导体，而是具有一定电导率的液体流柱，切割磁力线的 长度是两电极之间的距离，近似等于液体流柱的直径( 如图1 1 ) 。 根据( 1 - 2 ) 式可知，电极两端感应电动势的大小近似等于： u = b d v ( 1 3 ) 式( 1 3 ) 与式( 1 2 ) 不同的是用电极两端的距离来代替三，而电极间的距离近似 等于测量管内径d ，故可用d 代替。此外，还用被测液体的平均流速矿( m s ) 代替了导体的运动速率矿。 根据( 1 3 ) 式可知，当磁感应强度口和两电极间的距离固定不变时，电极两端 产生的感应电动势只与被测液体的平均流速成正比。 对于圆形测量管，穿过测量管横截面的液体瞬时流量为： q = 竺d 2 v( 1 - 4 ) 。4 将( 1 - 3 ) 式中的y 代入( 1 - 4 ) 式中，得 第一章绪论 公 图1 1 电磁流量计传感器工作原理 q = 等d 告( 研3 厶) ( 1 - 5 ) 叶d 即 d 口 u = 罢gm ( 1 - 6 ) 月u 由( 1 6 ) 式可以看出，当磁感应强度口和测量管内径d 一定时，感应电动势u 与瞬时体积流量q 是线性关系，而与其它物理参数无关，这也是电磁流量计的最 大优点之一。在此需要说明，( 1 6 ) 式的成立是建立于以下条件假设成立的基础上： ( 1 ) 假设磁场恒定不变，而且是均匀分布的。此假设成立，可以忽略导电液体 在磁场中运动所产生的另外两种效应的影响，即液体中感生电流对磁场分布的影 响以及这一感生电流与电磁力相互作用对液体流动速度的影响。这两种效应在测 量液体金属时是不可忽略的。 ( 2 ) 假设被测液体的流速为轴对称分布，而且液体中的感生电流与电场对称， 且平行于液体的轴向。 ( 3 ) 假设液体的导电率是均匀和各向同性的，且不受电场或液体流动的影响。 这样我们就可排除“霍尔效应”带来的影响。 ( 4 ) 假设被测液体是非磁性的，并且它的磁导率与真空磁导率一致，这样 可忽略液体磁性与工作磁场间相互作用对流量测量的影响。 可见，在上述条件假设成立下测定流体流量时，可以认为感应电动势【，与瞬 时体积流量q 成正比，且完全是线性关系。 1 3 电磁流量计的发展 电磁流量计是随着电子技术的发展而迅速发展起来的基于法拉第电磁感应定 理的用来测量导电性液体体积流量的仪表 ，6 ，f 1 7 l 。 一、技术发展动向 在科学技术飞速发展的今天，世界各国的流量计生产厂商都努力将最新科技 3 4 智能电磁流量计系统的设计与优化 应用到产品的设计中，以提高产品的性能，扩大产品的使用范围。具体表现在如 下几个方面： 1 、提高仪表智能性p 1 3 j 4 ，1 5 , 2 0 , 2 2 , 2 6 】。仪表的智能性主要是功能上的智能性，特 别是近年来新型微处理器的出现和应用，使仪表通过软件控制和管理整个测量的 工作过程得以实现，充分发挥出微机的功能和灵活性。另外，流量仪表的智能性 还体现在空管检测、正反向流量测量、小信号处理、非线性补偿、数字滤波、零 点自校准等新功能的增加上。 2 、提高励磁技术水平，改善测量性能啪9 , 2 6 , 2 7 , 6 4 , 6 8 】。测量精度和稳定性是电 磁流量计的重要技术指标，并与所采用的励磁技术密切相关。随着电磁流量计和 电子技术的发展，励磁技术也从直流励磁、交流励磁、低频矩形励磁发展到三值 低频矩形励磁及双频励磁技术阶段，其目的就是为了减少干扰、提高检测精度和 仪表零点稳定性。目前低频矩形励磁和三值低频矩形励磁已成为国外电磁流量励 磁方式的主流。另外，国外还出现了可由微机控制励磁电压，可按被测流体性质 选用所需励磁方式，并能根据各种励磁方式进行信号运算处理，准确地找出被各 种噪声埋没的流量信号的智能电磁流量计。 3 、增强信号处理能力，减小测量误差1 1 4 ，1 即1 2 3 2 2 9 地“。智能化电磁流量计经 降低励磁电流、改进传感器结构及其磁通分布密度，使其小型、轻量一体化的目 标得以实现，但其单位流速电感也变得更小，而对于不同的测量介质，流量传导 内阻变化很大，增加了信号处理的难度。随着微电子技术和计算机技术的进步， 用高性能集成芯片和微处理器来提高信号放大处理精度、拓宽仪表检测量程、补 偿检测误差及零点校准己成为当今仪表的发展方向之一。同时，在软件上采取非 线性补偿和数字滤波等高级处理能力也是增强仪表信号处理能力、减少测量误差 的一个重要举措。 4 、提高系统的开放性 1 3 , 1 4 , 1 5 , 2 0 , 2 5 , 2 6 】。系统的开放性包括硬件电路开放性、软件 结构开放性、通讯接口开放性以及人机界面开放性。增强系统开放性有利于系统 功能扩展、仪表问的互联以及系统组网，更有利于操作和维护。随着e d a 工具 及可编程器件技术的发展和日趋成熟，流量仪表工业进入了新的发展时期。目前， 国外各大公司纷纷推出新一代各具特色的智能化流量仪表，其中，应用p l d 实现 系统数字逻辑接口电路及逻辑运算的智能化电磁流量计的开发尤其引人注目。 二、应用现状 电磁流量计是一种测量导电介质体积流量的计量仪表，具有无节流阻流部件， 不易堵塞，耐腐蚀性好，适用介质范围广，测量精度不受被测介质温度、粘度、 密度、压力、比重等物理参数的影响，其示值与被标定的液体种类在一定的导电 率范围内无关等特点。除可测量一般液体的流量外，还可测量液固两相流、高枯 度液流及盐类、强酸、强碱液体的体积流量。可广泛应用于水泥、化工、轻纺、 第一章绪论 冶金、矿山、造纸、医药、给排水、食品饮料、制糖、酿造等工业技术部门，特 别是在环保领域，电磁流量仪表己成为定量管理企业污水排放的有力手段。 当前国外著名电磁流量计专业生产厂有5 0 家以上，而我国电磁流量计在工业 上应用始于6 0 年代初，其中上海光华仪表厂是国内首家提供产品的企业。目前国 内仪表行业己可提供较为完整的系列仪表，其中最大口径已可做到3 m 。近年国 内电磁流量计全国销售台数估计在8 5 0 0 1 0 0 0 0 台之间，并且每年以3 5 的比例增 加。迄今为止我国至少有2 l 家电磁流量计制造厂，产量排在前4 位的是：上海光 华爱而美特仪器有限公司、开封仪表厂、上海横河电机有限公司和上海光华仪 表厂，它们占有电磁流量计中国市场8 0 左右的份额4 5 ，8 j ”7 ”。 1 4 本课题研究的意义 流量检测仪表与系统测量的目的就是在生产过程中给管理者或控制系统提供 流量参量的准确数值，以便做出合理的判断与调节，达到优良的控制，提高产品 的质量与产量。可以说，应用流量仪表测量流量值是提高企业科学管理水平、极 大的发挥经济效益和社会效益的有力措施。 电磁流量检测仪表是利用法拉弟电磁感应原理制成的测量导电流体体积的仪 表，与现有各种非电磁流量检测仪表相比，性能好，适用范围广，是目前应用最 广泛的流量仪表之一。 我国经过多年的技术探索和产品开发，虽然己在电磁流量检测仪表开发方面 取得了一定的成绩，但由于起步迟、起点低，还处于比较落后的状况。主要表现 在7 , 6 7 , 6 8 , 7 0 l ： l 、功能弱。目前国产的流量检测仪表一般只有信号放大、转换、积算、记忆 保存及显示等基本功能，而缺少正反向流量检测、空管检测等高级功能。 2 、检测精度低。国产流量仪表多数缺乏量程自动切换、零点自校准、小信号 切除、非线性补偿以及数字滤波等高级信号处理能力，影响了流量检测精度。 3 、可靠性不高。系统设计存在不足，信息转换环节多，增加了信号处理的中 间环节和信号之间的连线，易引入干扰信号，影响系统的检测精度和抗干扰能力。 另外，没有很好地采用有效的软硬件容错、隔离等抗干扰措施。 4 、开放性差。目前的电磁流量计在硬件结构上多由分离式模拟器件构成，未 采用新型集成芯片，使仪表的结构、功能扩充性和使用维护都较困难：软件设计采 用过程化软件设计思想，其可读性和可扩展性较差；网络通讯接口一般只配置 r s 2 3 2 类串行接口，只有物理联接上的规定，缺乏数据通讯和校验等链路层协议 标准，因此，难以满足用户开放性、易组态的要求。 在本课题的研究中，我们设计了基于1 6 位的i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 单片机微处理 6 智能电磁流量计系统的设计与优化 器，采用c p l d 来处理数字逻辑电路的新型智能电磁流量计，软件设计中，我们 采用了c 1 9 6 作为编程开发语言，充分利用了单片机系统良好的软硬件资源，达 到了增强仪表功能、提高测量精度、可靠性及开放性的目的。因此，本项目的开 展，不仅能增强我国电磁流量仪表产品的性能质量、更广泛地满足用户需求，而 且对促进我国流量检测技术的发展和开发水平提高等方面有着重大的意义。 1 5 本论文的任务与安排 我们采用新型微处理器、高性能集成电路及成熟的通信技术，研究开发出具 有组网通信功能的智能化电磁流量检测仪表。开发出的电磁流量计符合国外电磁 流量计智能化、网络化、一体化等发展趋势，因此有助于改变国内电磁流量计产 品的落后现状。本论文主要在智能电磁流量计的软件设计及相关方面做了重点设 计，主要完成的任务为： 1 、以h n e l8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心器件构筑出功能强大的智能单元，增强 电磁流量计系统的智能性和运算控制能力； 2 、采用单片机控制的，可灵活选择的励磁方式，适应了于对不同流体采用最 好的励磁方式，提高了测量准确性； 3 、采用高精度仪器放大器和高性能a d 转换器来实现信号转换，提高系统 抗干扰能力和检测精度，减少测量误差； 4 、采用c 1 9 6 作为单片机的软件开发语言，提高系统软件的质量和开发效率； 5 、采用非线性补偿、数字滤波等多种技术措施提高系统的可靠性。 基于以上任务，我们对本文各章内容做出如下安排： 第一章：简要介绍了电磁流量计的测量原理、发展历史及现状，探讨了研究 和开发电磁流量计的意义，给出全文的研究内容及其安排； 第二章：通过对电磁流量计系统的关键技术分析，提出了智能电磁流量计系 统的总体结构设计； 第三章：简单分析了i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 单片机的基本结构，并对系统进行了模 块化的划分。然后对智能流量计的励磁电路，模数转换电路，键盘接口，l c d 显 示接口等功能模块的设计实现做了详细的介绍； 第四章：用c 1 9 6 语言实现智能电磁流量计的系统软件设计； 第五章：对全文所作工作进行了总结与展望。 第二章智能电磁流量计系统分析与总体设计 ! 第二章智能电磁流量计系统分析与总体设计 2 1 系统总体设计原则 本项目研究的是智能化的电磁流量计，是为了满足用户对电磁流量计功能不 断增加的要求而设计的。因此，本项目所要达到的预期目标不但要具备传统电磁 流量计一些基本功能，而且还要在智能化、集成化、开放性、可靠性以及运算处 理能力等方面有较大进步和提高。基于以上任务要求的分析，我们对电磁流量计 所要实现的功能做出如下要求，并为此制定了相应的设计原则，以保证设计工作 的顺利实施。 一、系统功能要求 1 、采用单片机可控的励磁方式； 2 、能完成正、反向流量测量和累积g 3 、瞬时流量和累积流量实时显示： 4 、可进行滤波运算； 5 、可根据需要选择输出信号类型： 6 、可根据用户需要设置恰当的工作量程； 7 、用看门狗等措施实现软件抗干扰技术； 8 、能够抗电源等方面的干扰，实现数据的掉电保护； 9 、具有开放性的r s - 4 8 5 标准总线通讯接口。 二、系统设计原则 l 、提高系统检测精度。检测精度高低是衡量仪表系统研发成功与否的一个重 要指标。在提高检测精度时应从硬件电路设计优化、软件处理( 数字滤波、非线性 补偿等) 、提高励磁技术水平以及抗干扰等方面入手，综合考虑各方面因素，将对 流量检测有影响的干扰因素作必要的技术处理。 2 、提高系统智能性。仪表的智能性包括控制智能性和数据处理智能性在开 发本系统时应充分利用微处理器强大的控制能力，用软件控制和管理仪表测量过 程，避免使用常规仪器仪表中大量的数字电路，即尽可能实现“硬件软件化”。另 外，系统应有量程选择、测量方式选择、自动调零等功能，其软件应具备数字滤 波、非线性修正等数学处理能力 3 、提高系统开放性。开放性包括硬件电路开放性、软件设计开放性以及系统 通讯接口开放性三部分。硬件功能模块划分要明确，电路功能单元要相互独立， 以做到即插即用。同时，组成电路单元的元器件应通用性强，替代性好；软件设计 智能电磁流量计系统的设计与优化 时应考虑可读性和可扩充性，易于其他人二次开发；要充分利用r s - 4 8 5 标准总线 的优点，严格按照通信协议进行通信模块开发，方便用户联网组态。 4 、提高系统可靠性。由于本仪表系统工作环境恶劣，为保证仪表系统有非常 高的可靠性，在器件选取上应考虑成熟的产品；在硬件设计上应使其具备电源监 视、掉电保护、自动诊断等功能，模拟和数字电路间必须全方位光电隔离；软件设 计上必须采取容错、滤波、软件陷阱等抗干扰措施。 5 、降低系统成本。在能满足系统任务要求的情况下，为了获得较高的性价比， 应尽可能采用简单、实用的方案，同时尽量选择性价比较高、功能强大的元器件。 这样做不仅可以降低系统成本，而且还可以简化系统结构，缩小系统体积，增加 系统可靠性。另外，降低成本除了要考虑硬件成本，还应考虑研制成本和使用维 护成本。因此，在系统开发时应尽量选用成熟的理论和方法，提高系统开发一次 性成功的概率，缩短研制开发周期，降低研制成本。 6 、提高系统易操作和易维护性。系统应具有友好的操作界面，以降低对操作 人员的要求，使操作人员可根据操作说明书就能顺利操作；同时，系统应具有易维 护性，以便在系统出现故障时能够及时排除故障。 2 。2 系统分析 2 2 1 励磁系统 在电磁流量计中，传感器的工作磁场是由励磁系统产生的。励磁方式决定了 电磁流量计的抗干扰能力大小和零点稳定性的好坏。励磁技术也经历了直流励磁、 工频正弦波励磁、低频矩形波励磁、低频三值矩形波励磁、双频矩形波励磁五个 阶段1 1 9 , 1 0 t 1 7 ，1 9 t 2 1 ，2 2 ，2 6 ，2 7 ，6 8 ，2 1 。 ( 1 ) 直流励磁 图2 1 直流励磁示意图 直流励磁技术是利用永磁体或者直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供电， 以形成恒定的励磁磁场，这种流量计感应的流量信号是直流电压信号，如图2 1 所示。具有方法简单可靠、受工频干扰影响小以及流体中的自感现象可以忽略不 计等特点。但是，直流励磁技术的最大问题是直流感应电动势在两电极表面上形 第二章智能电磁流量计系统分析与总体设计! 成固定的正负极性，引起被测流体介质电解，导致电极表面极化现象，使感生的 流量信号电势减弱，电极间等效电阻增大，同时出现电极极化电势漂移，严重影 响信号处理部分的工作。即使电极采用极化电势很小的铂、金等贵金属及其合金 材料，常常也存在微弱的极化电势，同时仪表的制造成本较高。另外，直流励磁 在电极间产生不均衡的电化学干扰电势，叠加在直流流量信号中无法消除，并随 着时间的变化、流体介质特性以及流体流动状态而变化。第三，直流放大器的零 点漂移、噪声和稳定性问题难以获得很好的解决。特别是在小流量测量时，信号 放大器的直流稳定度必须在几分之一微伏之内，这样就限制了直流励磁技术的应 用范围。目前直流励磁技术仅在原子能工业中用于导电率极高，而又不产生极化 效应的液态金属流量测量中。 ( 2 ) 工频正弦波励磁 工频正弦波励磁技术是利用工频5 0 h z 正弦波电源给电磁流量传感器励磁绕 组供电。其主要特点是能够基本消除电极表面的极化现象，降低电极电化学电势 的影响和传感器的内阻。另外采用工频正弦波励磁技术，其传感器输出流量信号 仍然是工频正弦波信号，易于信号放大处理，而且能够避免直流放大器存在的实 际困难，励磁电源简单方便。 门 。 vv 云 图2 2 工频正弦波励磁示意图 但是，工频正弦波励磁技术的采用会带来一系列电磁感应干扰和噪声。首先， 电磁感应产生的正交干扰( 又称为变压器效应) ，其干扰幅值与频率成正比，相位 比流量信号滞后9 0 。，而且实际中一般又远远大于流量信号，因此如何克服正交干 扰电势的影响是正弦波励磁技术的主要难题。其次，工频正弦波供电电源存在电 源电压幅值和频率波动的影响，产生供电电源性干扰。第三，存在电磁感应的涡 流效应、静电感应的分布电容、杂散电流产生同相干扰，且此干扰电势的频率和 工频完全一致，并叠加在流量信号之中难以消除，以致电磁流量计零点不稳定。 虽然采用相敏整流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、电源补偿、自动正交抑制系统 等技术措施以消除与流量信号频率一致的工频干扰电压，但由于正交电势的幅值 比流星信号电势幅值大几个数量级，正交抑制系统等抗干扰技术措施的任何不完 善，都可能引起一部分正交电势转化为同相干扰电势，导致电磁流量计零点不稳 定，精度难以提高。 1 0 智能电磁流量计系统的设计与优化 ( 3 ) 低频矩形波励磁 厂 厂 厂、 r 嚆 厂 r r uuu 毒 ( - ) 举援性艋璇矩形渡伯裂投往低城矩形竣 图2 3 低频矩形波励磁示意图 矩形波励磁技术既具有直流励磁技术不产生涡流效应、变压器效应( 正交干扰) 和同相干扰等优点，又具有工频正弦波励磁基本不产生极化效应，便于信号放大 处理，而能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的优点，具有较好的 抗干扰性能，得以在电磁流量计中广泛应用。 ( 4 ) 低频三值矩形波励磁 厂 uu 面 图2 4 低频三值矩形波励磁示惹图 低频三值矩形波励磁技术采用工频频率的八分之一为周期，采用正一零一负 一零一正的规律变化的励磁波形，如图2 4 所示。此项励磁技术的最大特点是能 够通过零值励磁时进行动态零点校正，进一步提高了零点稳定性。另外，通过一 个周期内的四次采样值，近似认为极化电势恒定，利用微处理器数值运算得以消 除极化电势的影响。 ( 5 ) 双频矩形波励磁 j ) 1 8 in嗍门。 uuuul juuu 图2 5 双频矩形波励磁示意图 低频三值矩形波励磁虽然具有优良的零点稳定性，但在测量泥浆、纸浆等含 纤维和固体颗粒的液固两相导电性流体流量时，固体颗粒擦过电极表面导致电极 第二章智能电磁流量计系统分析与总体设计旦 的接触电势突然变化，电磁流量传感器输出信号出现尖峰状脉冲；在测量低导电 率流体流量时，电极的电化学电势定期变动，产生幅值随频率成反比的噪声( 即 l f 噪声) ，导致低频矩形波励磁电磁流量计输出摇摆，前者称为泥浆干扰，后者 称为流动噪声。提高励磁频率有助于降低泥浆干扰和流动噪声，提高传感器输出 信号的信噪比。 由上面分析可知，传统正弦波励磁最大的难题是无法彻底解决工频干扰问 题，同时其正交干扰与励磁频率成正比，经常会淹没流量信号；低频方波励磁很 大程度解决了工频干扰和正交干扰，但又存在微分干扰的问题，同时仍然存在涡 电流的影响；在低频励磁方式上改进的三值低频矩形波励磁改善了微分干扰状况， 但不能解决其它一些干扰问题。基于上述情况，充分考虑到各个励磁方式的优缺 点，利用单片机对励磁方式可调的原理，我们设计了对电磁流量计励磁方式可选 的方案，根据不同的测量介质，可以选择不同的励磁方式，最大可能的减少各种 干扰对系统的影响。在这里，我们选择低频三值矩形波励磁作为本项目的默认励 磁方式，并对此励磁方式进行了单片机编程。 2 2 2 数字运算系统分析 理论与实践表明，模拟量测量容易受到外界的干扰影响，其测量精度不商， 稳定性差。反之，数字量直接参与运算和测量，不会受外界干扰，测量的灵敏度 及精度较高，性能稳定可靠。这是当今流量计进入以单片计算机为主体的数字智 能化时代的主要原因。 2 2 2 1 智能电磁流量计转换器的总体认识 基于8 0 c 1 9 6 k c 单片机的智能电磁流量计转换器，其基本的原理是 1 1 , 6 , 7 , 1 1 , 1 s , 2 4 3 2 , 3 3 , 3 6 , 3 7 ，4 8 , 5 1 ：把流量信号先经过前置放大电路进行高阻抗转换，抑制 各种共模干扰、隔离流体直流极化噪声，把微弱的流量信号放大，将差动的双端 流量信号变换为单端的流量信号等模拟电路处理后，再进入信号的数字转换处理 过程，即用t 仍转换电路把模拟的直流信号变换为数字最，然后再进入c p u 做 数字运算，就可以测得一定公称通径传感器内的流速值，并可得到流量值。利用 单片机的运算和储存功能，除了直接得到流量、积算量等读数显示外，还可以依 据不同的数字模型进行运算，实现数字滤波和尖状干扰处理，使得测量输出更加 稳定、可靠，测量精度更高。通过计算也可以得到不同量程下的百分比流量值， 并进行测量的上、下限比较，输出上下限报警信号。可以与预定的总量值比较， 实现定值发讯等功能。其基本框图如2 6 ： 1 2 智能电磁流量计系统的设计与优化 8 5 2 6 0 v o 耶6 ，h 矿 & 一2 0 m a 或0 1 0 m a 1 5 0 0 0 h z i 甄辜 或脉冲辅出 电压输出 g s 4 s 5 蝴总境 1 6 位c p o 图2 6 智能化转换器原理框图 2 2 2 2 智能电磁流量计的基本测量运算 了解了智能化转换器的原理以后，就可以对其基本测量运算需要做一个比较 详尽的认识，当传感器口径一定并使用恒流源励磁时，流过传感器的平均流速可 以表示为1 ，= q e d v 。，量为传感器常数，它表示平均流速为l m s 时感应电动势 的大小；v n 为传感器的零点，即实际流速为零时，感应信号输出反映的流速。k l 和v n 由实际流量标定得到，作为传感器输出一次方程函数关系的斜率和截距，赋 予被检定的传感器。由单片机把采样的感应电动势乘以k l 并减去零点值v 0 即为实 测流速值。智能转换器的基本测量是流速测量，在很大范围内有很高的流速测量 线性度 4 6 - 4 9 5 1 , s 2 l 。见下图2 7 ，一方面测量的流速可以用来送显流速值，同时可供 单片机按公式q ，= 等d 2 v 计算测量流量，并且依据不同的时间单位，计算得到不 同的流量单位。计算出的流量分两路，一路由单片机依据选定的基本流量单位， 在一段时间内对测量的基本流量单位进行积分，按式g = 兰专誓运算，得到一段 时间内的累计流量值，送显累计总量。为稳定流量显示和信号输出，通常要对采 样的信号进行低通滤波，滤去变动的高频分量，获得稳定的平均输出。另一路流 量值通过单片机进行数字滤波。智能转换器很方便地使用数字滤波，不仅能够有 低通滤波的功能，并能进行信号的粗大误差的处理，更可靠地进行测量。电磁流 量计具有输出电流信号和频率信号的上限值可以连续可调的优点。测量的流量值 第二章智能电磁流量计系统分析与总体设计 坚 信号上、下限报警阀值比较，判断测量是否超限，是否提供报警信息。 厂，白5 地，d + 知_ + = 吼锄一白) 一仉2 ；胁一石2 志吼叶 i i心。一詈以o o 一毛= 删一 - o l i- 弦一 缸 - 0 一 l 叫j ；! 磐，显示累计流置耸 其中：为流量传感信号；七传感器常数；，为流体流速；d 公称通径； 8 0 为传感器零点电位；q ，为流体流量；“一阶数定滤波输出流量；s 为信号周期； 为阻尼时间；q 为流量量程值；厶为电流输出上限值；岛频率输出上限值； m 。输出上限报警值；肘。为输出下限报警值。 2 2 3 量程自动转换及标尺变换技术 智能仪表常需对外界各种信号进行测量。其方法一般为：先由传感器把外界 信号转换成相应的模拟电信号，然后用模数转换器把其转变为数字信号，再由单 片机进行处理。此时应对数据进行一定的转换处理，如基本的标度变换和漂移、 增益误差的自动校准及量程切换( 当测量范围较大) 等3 1 ，4 6 ，4 7 4 8 】。智能化转换器的 噪声处理能力强，在很大范围内测量线性度好。因此，量程转换无须使用硬件电 路。 一、量程自动转换 如果传感器和显示器的分辨率一定，而仪表的测量范围很宽时，为了提高测 量的精度，智能化测量控制仪表应能有自动转换量程的功能。因为实际被铡信号 需经放大器放大后再进行模数转换，如果用同一增益的放大器去放大，则必然使 低电平信号测量精度降低。设如用l o m v 及1 v 两种量程测量小于1 0 m v 的同一 被测信号，且其放大器的放大倍数都为l o 倍，此时若放大器输出误差为0 5 i n v ， 那么对l o m v 档的输入误差为5 ，而对1 v 档的误差仅0 0 5 。因此，为了保证 信号测量精度，要求放大器能自动转换增益，当小信号时，增益自动变大，而大 1 4 智能电磁流量计系统的设计与优化 信号时，增益自动减少。量程自动转换还能防止数据溢出、电路过载，保证系统 工作在最佳电平区域。以前的模拟仪表多采用机械开关人工自动选择量程，这样 使用很不方便，也容易出错。目前的数字仪表多采用量程自动转换。在测量时， 先把量程开关置于最大处，测量结果如太小，则自动把量程开关降低一档，再测 量，直到测出值适中或量程开关处于最小为止。在进行量程转换时，并不要求十 分精确的读数，只要测量出输入量的大致范围。量程转换倍率一般为1 0 的倍数， 但为了便于同微机接口，提高仪器的精度，自动量程转换可采用2 的倍数，其中 常用的为4 的倍数。因为仪器中常用二进制浮点数运算，使用倍率1 ，在改变阶 码时，只需将阶码加2 或减2 ，即可完成所需乘4 或除4 的运算。同时，如倍率 取得太大，在同一量程内，小信号的有效数字将太小，会降低仪表的分辨率和精 度。 二、标尺变换技术 智能化测量控制仪表在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往要转换成 操作人员所熟悉的工作量。这是因为被测对象的各种数据的量纲与a d 转换的输 入值是不一样的。例如，温度的单位是o c ，压力的单位为只，流量的单位为所3 i , 等，而经系统前置处理后所得的信号值仅对应于被测值的大小，故必须把其转换 成带有量纲的数值后才能进行运算、显示和打印输出等处理，为此需对被测值进 行标度变换。 l 、线性变换 线性变换是最常用的标度变换方法，其前提要求参数值与模数转换结果之间 关系是线性的。变换公式为： y = ( 1 意一】幺) ( x 一曲) ( 。一m ) + j 麓 ( 2 - 1 ) 其中，y 表示被测量变换后的值，】，雠表示被测档量程最大值，l 么表示被 测档量程最小值，一表示j 幺对应的模数转换后的输入值，。表示对应 的模数转换后的输入值，x 表示测量值y 对应的模数转换值。 对一个实际系统，r 眦、，幺、一、 r 曲一般都为己知的，故上式可以变 换成如下形式： y = s c l x + s c o( 2 - 2 ) 式中$ c l 和s c o 为多项式系数，$ c o 取决于零点值，s c l 为扩大因子。 2 、公式转换法 当传感器测出的数据与实际参数不是线性关系，而是由传感器和测量方法决 定的某一解析函数关系，此时标度变换可由公式变换法获得。 例如当用差压变送器测流量信号时，由于压差与流量的平方成正比，即其流 量】，与经过模数转换后的测量输入值x 成平方根关系。这时可采用如下公式计 算： 第二章智能电磁流量计系统分析与总体设计 旦 k ( k 一) 1 嚣+ ( 2 3 ) 式中的各项含义同上，在实际使用时，与前面一样，可以变换为如下计算式： y = s c 2 。r s c j + s c o ( 2 - 4 ) 3 、多项式变换 当传感器测得的数据与实际参数成非线性，且无法用一简单的式子来表示， 或其解析式复杂而难以满足实时处理要求时，应采用多项式法进行非线性标度变 换。此时应先确定多项式的阶数n ，然后选取n + 1 个测量点，并测出其实际参数 值】= 与传感器输出值x j ( i = 班n ) ，再使用插值多项式计算求出变换值。这种标度 变换是最简单、最实用的一种非线性变换方法，适用于许多应用场合。在实际使 用时，还可根据需要采用二次变换，即第一次采用线性变换，其系数s c , 、s c o 可 任意修改，以改进传感器或其电路的偏差，因为即使对两个同型号的传感器来说， 它们的转换特性也可能不完全一样，故需先修改s c l 、s c o 来补偿传感器的差异， 然后再进行非线性标度变换。 由以上分析可知，各种标度变换方法都有其特定的适应条件，在满足精度的 条件下应选择简单的变换方法。在本项目中，流量计采样得到的数据与实际数据 具有近似的线性关系，并且我们还通过非线性补偿来满足线性变换的条件，因此 可以采用线性变换来实现标度的变换。 2 3 系统总体结构设计 通过对电磁流量检测仪表关键技术的分析、研究和比较，并综合国内外电磁 流量检测仪表产品智能化、继承化、开放化的发展趋势，我们提出了集转换器、 计算仪、r s 4 8 5 标准总线于一体的智能电磁流量计。其总体结构如图2 8 ： 电 = = 爿兰曼兰至l 篇幅磊翮 i _ j 磁 器辟 m c u 仁回 流 量 传 感 器 仁阿磊冲= 一 。d4 8 5 总线接口 图2 8 系统总体结构 1 6 智能电磁流量计系统的设计与优化 系统主要由电磁流量传感器和转换器组成，转换器又包括流量转换单元和流 量积算、控制单元。其中流量转换单元包括信号转换模块、a d 转换模块、励磁 电流发生模块；流量积算、控制单元包括r s - 4 8 5 通信接口、键盘控制模块、液晶 显示模块和数据存储模块。各单元功能如下： i 、电磁流量传感器：依据线性关系将导管内被测流体的流量信号转换成相应 的电压信