电磁流量计测量原理及励磁方式

电磁流量计测量原理及励磁方式

1 引言

    1.1 励磁方式

    依据法拉第电磁感应定律开发的电磁流量计要工作，首先关键的一步是要对其进行励磁。常用的励磁技术有交流励磁、二值励磁、三值励磁和双频励磁技术，但目前，电磁流量计的励磁技术基本上以三值低频励磁技术和双频励磁技术为主流。鉴于本文电磁流量计的特点，为了既保证其优良的零点稳定性.又能较好地降低被测介质干扰和流动噪声的数量级.获得仪表的快速响应，进一步降低单位流速电势信号，降低励磁功耗，实现传感器小型化、轻量化、一体化，故本文中研究的电磁流量计采用双频矩形波励磁技术.即采用在低频矩形波上叠加高频矩形波的励磁技术。其波形如图l所示。Lh表示低频高电平周期，L1表示低频低电平周期，Hh表示高频高电平周期，H1表示高频低电平周期。

1.2 双频率励磁原理

    采用的双频率励磁在电磁流量计测量管内形成两个频率分量的电磁场，高频励磁不受流体噪声干扰影响，低频励磁有着极好的零点稳定性，电磁流量计把从高低频率定时检测到的各分量信号进行计算，便可产生一个流量信号。

2 IBM-PC机与单片机串行通信硬件结构和通信协议

    利用PC机配置的串行口.可以很方便地完成IBM-PC系列机与PICl6F877A单片机的数据通信。由于PIC16F877A单片机的输入、输出皆为TTL电平.而IBM-PC系列机配置的是RS-232C标准串行接口，二者电气规范不一致：因此要完成PC机与单片机的数据通信.必须进行电平转换。

    图2为IBM-PC系列机与PIC16F877A单片机的连接示意图。图中专用芯片MAX485将PIC16F877A单片机TX输出的TTL电平信号转换为RS-232C电平，输入到IBM-PC机，并将IBM-PC机输出的RS-232C电平转换为TTL电平信号.输入到PIC16F877A单片机的RX引脚。本文采用的上位机PC机以WINDOWS2000作为软硬件环境，下位机由PIC16F877A单片机控制，上下位机均可发送和接收数据.由上位机决定是发送或接收。要实现单片机与PC机之间的通信，必须使单片机采用相同的数据传输格式。通信协议如下：波特率为9600bps，8位数据位，1位停止位，1位起始位，无奇偶校验位。PC机发命令给单片机，“0”表示接收数据识别码；“1”表示发送高频高电平识别码；“2”表示高频低电平识别码；“3”表示低频高电平识别码；“4”表示低频低电平识别码。

   3 PC机串行通信

    PC机Windows环境下的通信程序采用Visual Basic 6.0编写。利用其ActiveX控件，即MSComm控件（Microsoft Communication Contro1）实现串行通信。ActiveX是一种在WINDOWS下进行应用程序开发的技术，它的核心内容是组件对象模型COM（Component Object Mode1）。其中包括一系列属性、方法和事件。最常用的属性有Commport Settings、PortOpen、Input、Output、Input-Mode，Threshold、Sthreshold InBufferCount、InBufferSize，OutBufferCount、OutBufferSize、CommEvent等。MSComm控件提供两种处理通信的方式：事件驱动方式和查询方式。事件驱动方式使程序响应及时。可靠性高，所以本文采用事件驱动方式。在编写发送和接收程序时要重点注意几个属性的用法。比如Rthreshold和threshold属性对同发送和接收激发的Oncomm事件起着决定性的作用。

    在本文中，所有发送与接收皆采用ASCII码格式进行上下位机的通信联系。如图3所示，输入框中输入4.2ms的周期时间，当按“高频高电平周期”按钮时。上位机程序进行运算后生成下位机需要维持高电平的时间整数、余数。然后，上位机先向下位机发送一个ASCII码格式的“31”识别码。下位机的RX引脚收到信号中断并对其进行判断。判断后如果是合法码。再执行后续的程序调用以处理上位机跟着发送的时间整数、余数，最后将其送至单片机RC0及RC1引脚上形成PWM励磁控制波形；若判断后为非法码，单片机拒不处理，直接返回主程序维持以前的PWM励磁控制波形。同理，其它的电平周期按钮按照同样的处理方式执行，只是识别码不一样（各自识别码如第二段所述）。数据处理完后，按接收数据按钮将相应数据显示在数据接收区域里。上位机程序可以实现将原始数据进行保存以及打开。以便日后查阅核对。上位机主程序界面及运行结果如图3所示。

4 励磁电路

    4.1 励磁电路原理图

    在电磁流量计的研制中，需要进行功率的变换。根据实际需要，本文采用的励磁装置的主电路如图4所示，其为用两片IR2110驱动的全桥变换器电路。

4.2 控制电路（MCU部分）与主电路的隔离

    其功率开关器件采用隔离驱动方式，将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离。这样进行设计主要是为避免引起灾难性的后果。虽然隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。由于本文所需产生的励磁频率低频在4Hz、高频在100Hz左右.对于光电隔离共模抑制能力差.传输速度慢的缺点不重要；同时由于光电隔离具有体积小，结构简单等优点，而且可以减少干扰，所以本装置采用光电隔离方式。隔离元件选用TLP521光电耦（见图2）。单片机的RC0和RC1两引脚的PWM波形通过两个470欧姆的电阻分别与两个光电耦连接。当RC0高电平到来时（RCl为底电平），与RC0相连的光电耦导通（与RC1相连的光电耦不导通）。从而通过主电路使励磁线圈得电；同理当RC1高电平到来时（RC0为底电平），与RC1相连的光电耦导通（与RC0相连的光电耦不导通）。从而通过主电路使励磁线圈反向得电，这样。周而复始。在励磁线圈上产生与单片机相应引脚上相同频率的波形。只是幅值不一样而已。同时.在IR2110硬件保证死区电压时间的基础上。在低频的高电平下降沿以及低电平上升沿两处。下位机程序中专设了延时0.01ms的死区电压时间的程序段进行软件延时。目的是为了更进一步保证功率管在工作时不会发生重叠导通以造成损坏。增加可靠性。死区时间示例如图1所示。

    5 单片机串行通信

    PIC16F877A单片机有USART功能用于串行通信。此处利用其异步发送和接收功能。在异步串行通信方式下，USART模块在单片机的RX引脚上接收.在TX引脚上进行发送：串行信息的编码方式采用的是1位起始位、8位数据和1位停止位，可以利用来自时基振荡器的系统时钟信号，产生标准的波特率时钟。当上位机发送来的数据经US-ART模块采样接收后恢复对端数据的本来面目，然后在波特率发生器提供的移位时钟脉冲控制下，把恢复后的数据以及起始位和停止位，一步一步地移人RSR寄存器。数据移完后，再将其装入RCREG（如果其为空的话），同时也就完成了“串行一并行”的转换；接着将中断标志位RCIF置1。产生中断通知CPU来读取RCREG寄存器中的数据。在本文的程序中，就是在这样的中断下进行数据的接收后将数据通过PWM程序段经PIC16F877A单片机的RC0和RC1引脚分别送入两个光电耦。再送入励磁电路进行励磁。串行通信主程序及中断服务程序的流程图如图5所示。

    6 结论有很大的实用性

    本文详细论述了电磁流量计测量系统研究中在进行励磁实验时采用上位机（PC机）和下位机（PIC16F877A单片机）串行通信来确定励磁频率的原理和方法，并给出了上位机和下位机程序运行的结果。经实验证明，这种方式取得了很好的效果。当然，这只限于电磁流量计测量系统的励磁。实际应用中还可以用于远程电磁流量计测量系统.并作适当改进可用于其它控制装置，具有很大的实用性。