基于DSP的浆液型电磁流量计的研制

　　1 引 言

　　电磁流量计是一种依据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表[1]。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。在这些行业中，常常需要测量浆液( 固-液两相流，如纸浆等) 流量。特别是随着节能减排要求的提高，工业生产中不断出现新的浆液流量测量需求，如用于替代工业锅炉中传统油煤燃料的水煤浆流量的测量。但是，当前用国产的电磁流量计去测量浆液流量时，输出波动很大，测量结果无法反映实际的流量情况。究其原因，是因为国产仪表基本上采用的是低频的方波励磁，没有有效的信号处理方法，仅用单片机来实现励磁的控制和信号处理[2-5]。而国外采用高频方波励磁技术或双频励磁技术及相应的信号处理方法，如日本东芝的高频电磁流量计[6-9]和横河的双频电磁流量计[10-12]，但未披露关键技术细节。为此，研制具有自主知识产权的浆液型电磁流量计，解决浆液流量的快速和稳定测量具有重要意义。

　　浆液测量的关键在于有效克服浆液噪声的影响。而根据浆液噪声的 1/f 特性及国外研究结论，可以采用高频励磁或双频励磁来有效降低浆液噪声的影响，进而从信号处理上进一步削弱浆液噪声，提高测量精度。为此，电磁流量计的励磁控制和信号处理至关重要。本文在现有的信号处理方法[13-14]和励磁控制研究[15-16]的基础上，提出有效的浆液信号处理方法，并以 TI 公司 DSP 芯片TMS320F2812 ( 以下简称 F2812) 为核心，研制浆液型电磁流量计。

　　2 系统硬件研制

　　2. 1 硬件方案

　　本系统主要包括励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模块、人机接口模块、通讯模块及电源管理模块，其硬件框图如图 1 所示。

　　由 F2812 产生特定时序的励磁控制信号控制励磁驱动模块工作。励磁驱动模块向电磁流量计励磁线圈提供特定时序的励磁电流，建立特定形式的交变磁场。励磁电流同时由检流电路检测并由 A/D 转换电路转换以送给信号处理控制模块。电磁流量计感应输出信号( SIG)由信号调理采集模块调理并进行 A/D 转换。A/D 转换结果再送给信号处理控制模块，由 DSP 进行信号处理以获取流量信号。人机接口模块用于人机交互操作。通讯模块用于上位机远程监控。

　　2. 2 励磁驱动模块

　　由于浆液噪声幅值与频率之间成 1/f 特性，因此，本系统采用高频方波励磁控制方案，以提高传感器输出信号的基频，从而在浆液测量时有效降低浆液噪声影响，提高信噪比。励磁驱动模块主要由恒流源电路、励磁控制电路、检流电路和 A/D 转换电路组成，具体采用文献[15]中的技术方案。恒流源电路向励磁线圈提供恒定的稳态励磁电流，励磁控制电路用于切换励磁电流的方向以实现方波励磁。由于随工作环境的变化和时间的推移，励磁驱动模块参数及电磁流量计励磁线圈参数可能会发生变化，进而导致励磁电流变化，使得测量结果发生偏差。为此，励磁驱动模块设置了检流电路以检测励磁电流，并由 A/D 转换电路进行 A/D 转换以传送给 DSP进行处理结果的电流修正。