電磁流量計測量原理及勵磁方式

1 引言

    1.1 勵磁方式

    依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律開發(fā)的電磁流量計要工作，首先關(guān)鍵的一步是要對其進(jìn)行勵磁。常用的勵磁技術(shù)有交流勵磁、二值勵磁、三值勵磁和雙頻勵磁技術(shù)，但目前，電磁流量計的勵磁技術(shù)基本上以三值低頻勵磁技術(shù)和雙頻勵磁技術(shù)為主流。鑒于本文電磁流量計的特點(diǎn)，為了既保證其優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性.又能較好地降低被測介質(zhì)干擾和流動噪聲的數(shù)量級.獲得儀表的快速響應(yīng)，進(jìn)一步降低單位流速電勢信號，降低勵磁功耗，實(shí)現(xiàn)傳感器小型化、輕量化、一體化，故本文中研究的電磁流量計采用雙頻矩形波勵磁技術(shù).即采用在低頻矩形波上疊加高頻矩形波的勵磁技術(shù)。其波形如圖l所示。Lh表示低頻高電平周期，L1表示低頻低電平周期，Hh表示高頻高電平周期，H1表示高頻低電平周期。

1.2 雙頻率勵磁原理

    采用的雙頻率勵磁在電磁流量計測量管內(nèi)形成兩個頻率分量的電磁場，高頻勵磁不受流體噪聲干擾影響，低頻勵磁有著極好的零點(diǎn)穩(wěn)定性，電磁流量計把從高低頻率定時檢測到的各分量信號進(jìn)行計算，便可產(chǎn)生一個流量信號。

2 IBM-PC機(jī)與單片機(jī)串行通信硬件結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議

    利用PC機(jī)配置的串行口.可以很方便地完成IBM-PC系列機(jī)與PICl6F877A單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信。由于PIC16F877A單片機(jī)的輸入、輸出皆為TTL電平.而IBM-PC系列機(jī)配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者電氣規(guī)范不一致：因此要完成PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信.必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

    圖2為IBM-PC系列機(jī)與PIC16F877A單片機(jī)的連接示意圖。圖中專用芯片MAX485將PIC16F877A單片機(jī)TX輸出的TTL電平信號轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，輸入到IBM-PC機(jī)，并將IBM-PC機(jī)輸出的RS-232C電平轉(zhuǎn)換為TTL電平信號.輸入到PIC16F877A單片機(jī)的RX引腳。本文采用的上位機(jī)PC機(jī)以WINDOWS2000作為軟硬件環(huán)境，下位機(jī)由PIC16F877A單片機(jī)控制，上下位機(jī)均可發(fā)送和接收數(shù)據(jù).由上位機(jī)決定是發(fā)送或接收。要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，必須使單片機(jī)采用相同的數(shù)據(jù)傳輸格式。通信協(xié)議如下：波特率為9600bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，1位起始位，無奇偶校驗(yàn)位。PC機(jī)發(fā)命令給單片機(jī)，“0”表示接收數(shù)據(jù)識別碼；“1”表示發(fā)送高頻高電平識別碼；“2”表示高頻低電平識別碼；“3”表示低頻高電平識別碼；“4”表示低頻低電平識別碼。

   3 PC機(jī)串行通信

    PC機(jī)Windows環(huán)境下的通信程序采用Visual Basic 6.0編寫。利用其ActiveX控件，即MSComm控件（Microsoft Communication Contro1）實(shí)現(xiàn)串行通信。ActiveX是一種在WINDOWS下進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)的技術(shù)，它的核心內(nèi)容是組件對象模型COM（Component Object Mode1）。其中包括一系列屬性、方法和事件。最常用的屬性有Commport Settings、PortOpen、Input、Output、Input-Mode，Threshold、Sthreshold InBufferCount、InBufferSize，OutBufferCount、OutBufferSize、CommEvent等。MSComm控件提供兩種處理通信的方式：事件驅(qū)動方式和查詢方式。事件驅(qū)動方式使程序響應(yīng)及時?？煽啃愿?，所以本文采用事件驅(qū)動方式。在編寫發(fā)送和接收程序時要重點(diǎn)注意幾個屬性的用法。比如Rthreshold和threshold屬性對同發(fā)送和接收激發(fā)的Oncomm事件起著決定性的作用。

    在本文中，所有發(fā)送與接收皆采用ASCII碼格式進(jìn)行上下位機(jī)的通信聯(lián)系。如圖3所示，輸入框中輸入4.2ms的周期時間，當(dāng)按“高頻高電平周期”按鈕時。上位機(jī)程序進(jìn)行運(yùn)算后生成下位機(jī)需要維持高電平的時間整數(shù)、余數(shù)。然后，上位機(jī)先向下位機(jī)發(fā)送一個ASCII碼格式的“31”識別碼。下位機(jī)的RX引腳收到信號中斷并對其進(jìn)行判斷。判斷后如果是合法碼。再執(zhí)行后續(xù)的程序調(diào)用以處理上位機(jī)跟著發(fā)送的時間整數(shù)、余數(shù)，最后將其送至單片機(jī)RC0及RC1引腳上形成PWM勵磁控制波形；若判斷后為非法碼，單片機(jī)拒不處理，直接返回主程序維持以前的PWM勵磁控制波形。同理，其它的電平周期按鈕按照同樣的處理方式執(zhí)行，只是識別碼不一樣（各自識別碼如第二段所述）。數(shù)據(jù)處理完后，按接收數(shù)據(jù)按鈕將相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示在數(shù)據(jù)接收區(qū)域里。上位機(jī)程序可以實(shí)現(xiàn)將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以及打開。以便日后查閱核對。上位機(jī)主程序界面及運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

4 勵磁電路

    4.1 勵磁電路原理圖

    在電磁流量計的研制中，需要進(jìn)行功率的變換。根據(jù)實(shí)際需要，本文采用的勵磁裝置的主電路如圖4所示，其為用兩片IR2110驅(qū)動的全橋變換器電路。

4.2 控制電路（MCU部分）與主電路的隔離

    其功率開關(guān)器件采用隔離驅(qū)動方式，將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路互相隔離。這樣進(jìn)行設(shè)計主要是為避免引起災(zāi)難性的后果。雖然隔離驅(qū)動可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。由于本文所需產(chǎn)生的勵磁頻率低頻在4Hz、高頻在100Hz左右.對于光電隔離共模抑制能力差.傳輸速度慢的缺點(diǎn)不重要；同時由于光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，而且可以減少干擾，所以本裝置采用光電隔離方式。隔離元件選用TLP521光電耦（見圖2）。單片機(jī)的RC0和RC1兩引腳的PWM波形通過兩個470歐姆的電阻分別與兩個光電耦連接。當(dāng)RC0高電平到來時（RCl為底電平），與RC0相連的光電耦導(dǎo)通（與RC1相連的光電耦不導(dǎo)通）。從而通過主電路使勵磁線圈得電；同理當(dāng)RC1高電平到來時（RC0為底電平），與RC1相連的光電耦導(dǎo)通（與RC0相連的光電耦不導(dǎo)通）。從而通過主電路使勵磁線圈反向得電，這樣。周而復(fù)始。在勵磁線圈上產(chǎn)生與單片機(jī)相應(yīng)引腳上相同頻率的波形。只是幅值不一樣而已。同時.在IR2110硬件保證死區(qū)電壓時間的基礎(chǔ)上。在低頻的高電平下降沿以及低電平上升沿兩處。下位機(jī)程序中專設(shè)了延時0.01ms的死區(qū)電壓時間的程序段進(jìn)行軟件延時。目的是為了更進(jìn)一步保證功率管在工作時不會發(fā)生重疊導(dǎo)通以造成損壞。增加可靠性。死區(qū)時間示例如圖1所示。

    5 單片機(jī)串行通信

    PIC16F877A單片機(jī)有USART功能用于串行通信。此處利用其異步發(fā)送和接收功能。在異步串行通信方式下，USART模塊在單片機(jī)的RX引腳上接收.在TX引腳上進(jìn)行發(fā)送：串行信息的編碼方式采用的是1位起始位、8位數(shù)據(jù)和1位停止位，可以利用來自時基振蕩器的系統(tǒng)時鐘信號，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波特率時鐘。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)經(jīng)US-ART模塊采樣接收后恢復(fù)對端數(shù)據(jù)的本來面目，然后在波特率發(fā)生器提供的移位時鐘脈沖控制下，把恢復(fù)后的數(shù)據(jù)以及起始位和停止位，一步一步地移人RSR寄存器。數(shù)據(jù)移完后，再將其裝入RCREG（如果其為空的話），同時也就完成了“串行一并行”的轉(zhuǎn)換；接著將中斷標(biāo)志位RCIF置1。產(chǎn)生中斷通知CPU來讀取RCREG寄存器中的數(shù)據(jù)。在本文的程序中，就是在這樣的中斷下進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收后將數(shù)據(jù)通過PWM程序段經(jīng)PIC16F877A單片機(jī)的RC0和RC1引腳分別送入兩個光電耦。再送入勵磁電路進(jìn)行勵磁。串行通信主程序及中斷服務(wù)程序的流程圖如圖5所示。

    6 結(jié)論有很大的實(shí)用性

    本文詳細(xì)論述了電磁流量計測量系統(tǒng)研究中在進(jìn)行勵磁實(shí)驗(yàn)時采用上位機(jī)（PC機(jī)）和下位機(jī)（PIC16F877A單片機(jī)）串行通信來確定勵磁頻率的原理和方法，并給出了上位機(jī)和下位機(jī)程序運(yùn)行的結(jié)果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這種方式取得了很好的效果。當(dāng)然，這只限于電磁流量計測量系統(tǒng)的勵磁。實(shí)際應(yīng)用中還可以用于遠(yuǎn)程電磁流量計測量系統(tǒng).并作適當(dāng)改進(jìn)可用于其它控制裝置，具有很大的實(shí)用性。