研制電磁流量計勵磁控制系統(tǒng) , 提出基于線性電源設計恒流源電路 , 并采用高壓源激勵使系統(tǒng)具有快速響應性能, 基于 H橋設計勵磁線圈驅動電路以進行方波激勵 , 設計檢流電路以實現(xiàn)勵磁電流的準確檢測 , 基于 DSP設計勵磁時序產(chǎn)生電路實現(xiàn)單頻或雙頻勵磁。經(jīng)實驗驗證 , 該勵磁控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的高頻或雙頻勵磁并保證電磁流量計輸出信號具有穩(wěn)定零點, 從而為提高其測量速度和測量精度奠定基礎。

   目前 , 國內的電磁流量計基本上采用低頻方波勵磁方式, 以獲得穩(wěn)定的零點 [2-6]。但是, 低頻方波依據(jù)法拉第電磁感應定律 , 電磁流量計通過勵勵磁無法實現(xiàn)快速測量和保證漿液測量的精度。為磁線圈將磁場施加給被測流體 , 從而通過檢測磁場此, 國外提出高頻勵磁和雙頻勵磁方式 , 例如, 日本中運動流體的感應電動勢來測量導電液體體積橫河的雙頻電磁流量計 [7]和東芝的高頻電磁流量計。

   然而, 在高頻勵磁 (雙頻勵磁中也存在高頻勵磁 )時, 由于勵磁線圈的感性負載特性 , 勵磁電流在勵磁半周期內很難達到穩(wěn)態(tài) , 從而使信號很難獲得穩(wěn)定的零點。因而 , 恒流控制的快速響應特性是高頻勵磁控制系統(tǒng)的設計重點。同時 , 勵磁電流的準確檢測及勵磁頻率的控制是獲得高精度信號處理結果的前提。但是 , 國外公司沒有披露這些關鍵技術的具體細節(jié)[8-9]。針對恒流控制的快速性、勵磁電流檢測的準確性及勵磁頻率控制的性的目的 , 基于線性電源設計了恒流控制電路、并采用高壓源激勵 , 使其具有快速響應性能 , 基于 H橋設計實現(xiàn)方波勵磁驅動電路, 在 H橋低端與地之間接入檢流電路 , 并通過控制 H橋工作方式實現(xiàn)準確檢流 , 基于 DSP結合外圍器件設計勵磁時序產(chǎn)生電路實現(xiàn)單頻或雙頻勵磁。 

   2系統(tǒng)硬件 

   2.1設計方案

   該電磁流量計勵磁控制系統(tǒng)主要包括恒流源電路、勵磁線圈驅動電路、勵磁時序產(chǎn)生電路及檢流電路, 其框圖如圖 1所示。圖 1 電磁流量計勵磁控制系統(tǒng)框圖 Fig. 1 Diagram of excitation control system for electromagnetic flowmeter 系統(tǒng)由恒流源電路向勵磁線圈驅動電路供電 , 勵磁線圈驅動電路根據(jù)勵磁時序產(chǎn)生電路發(fā)出的勵磁時序控制信號 CT1和 CT2, 對勵磁線圈進行方波勵磁。檢流電路置于勵磁線圈驅動電路中 , 將流過勵磁線圈的電流轉換為電壓信號輸出。勵磁時序產(chǎn)生電路基于 DSP設計, DSP同時進行電磁流量計的信號處理。 

   2.2恒流源電路

   由于采用高頻勵磁 , 勵磁電流高達數(shù)百毫安 , 勵磁線圈為感性負載, 而采用 DC/DC器件或類似 PWM控制原理反饋控制構建的恒流源電路會使勵磁電流響應速度慢 , 因而采用高功率線性電源搭建恒流控制電路 , 以獲得較高的響應速度。恒流源電路原理圖如圖 2所示。R1采用精密電阻 , 通過調整該電阻值即可獲得期望電流。輸入電壓 VCC為 36 V, D1為保護二極管 , D2防止電流反向。由于電流進入穩(wěn)態(tài)后負載端電壓較低 , 因而線性電源上固定散熱片以降低芯片工作溫度。圖 2 恒流源電路原理圖 Fig. 2 Schematic circuit diagram of constant-current source 

   2.3勵磁線圈驅動電路及檢流電路

   勵磁線圈驅動電路主要由 H橋及其開關驅動電路組成, 其電路框圖如圖 3所示。H橋采用 PNP達林頓晶體管 , 以方便其開關驅動電路通過電流控制信號 CON1和 CON2控制其通斷 , 從而避免因感性負載造成電壓不穩(wěn)而較難控制的問題 ; 低端采用 N溝道 MOS管, 以方便直接通過電壓控制信號 CON3和 CON4控制其通斷; 由于 MOS管柵極電流很小, 從而可以在 H橋低端與地之間接入檢流電路以準確檢測勵磁電流。 H橋橋臂 PNP管和 MOS管均選用內部反并肖特基二極管。檢流電路設計為低阻值, 以保證 H橋低端電壓波動幅值較小。 H橋接上限幅電路, 以保證 H橋正常工作 , 并且為勵磁線圈在電流方向切換時釋放能量提供回路。 H橋控制采用對臂聯(lián)動控制 , 以保證單雙頻勵磁時續(xù)流回路均具有高阻抗 , 進而保證零點穩(wěn)定性。CON1、CON2、 CON3、CON4由 H橋開關驅動電路根據(jù)接收的勵磁時序 CT1和 CT2產(chǎn)生。其中, CON1與 CON4由 CT1控制, CON2與 CON3由 CT2控制, 以實現(xiàn)單頻勵磁或雙頻勵磁時勵磁線圈中電流*流過檢流電路。 CD1 和 CD2直接接勵磁線圈, 以提供勵磁電流。圖 

   3 勵磁線圈驅動電路及檢流電路框圖 Fig. 3 Block diagram of excitation coil’s drive circuit and current measuring circuit 

   2.4勵磁時序產(chǎn)生電路勵磁時序產(chǎn)生電路主要由 DSP芯片 TMS320F 2812(以下簡稱 F2812)結合多路開關及電平匹配電路組成, 以產(chǎn)生勵磁時序控制信號 CT1和 CT2, 其硬件原理框圖如圖 4所示。圖中 , 多路開關的輸出使能信號 OEn由 DSP的 GPIO控制, 通道選擇信號 SLE和輸入信號 SIG由 DSP的 EV模塊及其中的 GP Timer根據(jù)勵磁方式的不同通過 PWM輸出產(chǎn)生 , 從而減輕 CPU負擔。電平匹配電路用于將 DSP的 3.3V CMOS邏輯電平轉換為 5 V邏輯電平以控制勵磁線圈驅動電路。由于系統(tǒng)上電復位時 , DSP各引腳輸出高電平 , 因而多路開關各通道輸出呈高阻狀態(tài) , 故系統(tǒng)在電平匹配電路前通過下拉電路將控制信號 CES2和 CES2下拉, 以使 CT1和 CT2為低電平 , 從而使勵磁線圈驅動電路中的 H橋各橋臂均關斷。系統(tǒng)啟動后 , OEn置低, 多路開關被使能。 SLE為低電平時 , CES1與 SIG相通, 從而使 CT1跟隨 SIG變化, CT2為低電平; SLE為高電平時 , CES2與 SIG相通, 從而使 CT2跟隨 SIG變化, CT1為低電平。據(jù)此 , 通過產(chǎn)生不同的 SIG與 SLE信號波形即可進行不同方式的勵磁控制。圖 4 勵磁時序產(chǎn)生電路硬件原理框圖 Fig. 4 Block diagram of exciting scheduling generating circuit