前言

      電磁流量計的勵磁方式很多，也各有各的優缺點。目前，在正弦波勵磁方式下，電磁感應產生的微分干擾，其干擾幅值與頻率成正比，相位比流量信號滯后，而且實際中一般又遠遠大于流量信號，所以如何克眼微分干擾電勢的影響是正弦波勵磁技術的主要難題。

      在低頻正弦波勵磁方式下，采用新的信號處理方法，即把線圈內的勵磁電流信號與兩電極輸出的流量信號相乘，所得乘積的直流成分和流量成正比。采用這樣的處理手段，在任何流速下（包括零點），微分干擾與勵磁電流信號相乘后都會被作為交流量濾去，不會影響測量結果，這就減小了微分干擾的影響，提高了流量計零點穩定性和測量準確度。

      筆者采用MSP430信號處理器構建了整套測量系統，此芯片將大量的外圍模塊整合到片內，非常有利于單片系統的設計和開發，而且軟件開發工具功能強大，使用方便，利于軟件的開發、升級與維護。

      1 硬件系統

      基于低頻正弦波勵磁的電磁流量計的硬件部分主要由：傳感器、電源系統、單片機系統、勵磁電路。信號處理電路構成。它的總體結構圖，如圖1所示。

      1.1 傳感器及電源系統

      傳感器直接由廠家制作，這里就不詳細介紹了。本系統所用電源電壓種類較多，包括±24V、±18V、±12V、±5V和+3.3V。電源系統采用兩個輸出+24V和+12V的開關電源串連的方式組成基礎電源，輸出±24V、±12V和公共地。其它電源電壓則通過三端穩壓芯片LM7818，LM7918，LM7805，LM7905等產生。

      1.2 勵磁電路

      本系統勵磁電路由勵磁信號產生電路和勵磁信號功率放大電路兩部分組成。勵磁信號產生部分筆者選用信號發生芯片ICL8038。ICL8038波形產生芯片是一塊能夠產生高精度的方波、正弦波、三角波和鋸齒波的集成電路，需要的外部電路很少。通過調節外部匹配的電阻電容，輸出的波形頻率可從0.001Hz到300kHZ變化。ICL8038由高級的單塊集成電路技術制成，它的輸出電壓可在很寬的溫度變化范圍和供電電壓變化范圍內保持穩定。勵磁信號功率放大部分，筆者采用運算放大器LF356執行電壓放大與功率放大管TIP41、TIP42組成的互補對稱推挽電流放大相結合完成。功率放大后的勵磁信號幅值為±8V、160mA。

      1.3 信號處理電路

      信號處理電路中采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835AN來實現線圈內的勵磁電流信號與兩電極輸出流量信號相乘，AD835具有很高的差分輸入阻抗，不需外接阻抗變換電路。乘法器輸出信號經過放大與電平的提升以后進入A/D采樣。

      1.4 單片機系統

      本測量系統采用TI公司的MSP430F149單片機作為MCU，與晶振輸入模塊、復位電路、LCD顯示模塊和鍵盤模塊共同構成單片機系統。MSP430F149超低功耗微處理器是TI公司推出的一種新型單片機。它具有16位精簡指令結構，內含12位快速A/D，60K字節FLASH ROM，2K字節RAM，片內資源豐富，有ADC、PWM、若干TIMER、串行口、WATCHDOG、比較器等。單片機系統的復位電路使用的是將RST/NMI引腳電壓拉低到GND，然后釋放，從而引起系統復位的方法。系統的鍵盤模塊采用獨立按鍵式鍵盤。由3個獨立按鍵分別與3只上拉電阻共同和MSP430的P1.1、P1.2和P1.3相連，并將這三個端口設置為上升沿中斷使能的方式，利用中斷處理程序來判斷鍵盤輸入。

      2 軟件系統

      本測量系統軟件采用TI公司的430單片機軟件開發工具，IAR Embedded Workbench作為終端軟件的開發平臺，編程語言采用C430。TI公司的430單片機軟件開發工具專門用于430單片機以實現嵌人式應用開發。包含以下實用工具：具有語法表現能力的文本編輯器、編譯器、匯編器、連接器、函數庫管理器、實現操作自動化的Make工具和內嵌C語言級與匯編級的調試器C-SPY。

      本系統軟件由主程序、鍵盤菜單處理、定時器中斷、A/D采樣、LCD顯示等部分組成。系統程序流程圖，如圖2所示。

      3 結束語

      在系統集成和調試的基礎上，本研究對所研發的電磁流量計系統作了技術性能測試。試驗所用傳感器的內徑為45mm，在室溫下測量此口徑管道中水的流速，并采用標準計量罐進行標定。對0.156m/s至3.763m/s的流速范圍做了測試，測量結果的相對誤差在-3.84%以內。

      實驗結果表明，基于乘法原理的這種信號處理手段具有良好的測量精度，在小流速下也具有較準確的測量結果。特別是它采用了MSP430完成了整套測量系統，使外圍所要添加的器件更少，使整個系統結構更加簡潔可靠，也更方便了軟件的升級與更新。筆者的工作不僅為電磁流量計的設計提供了又一種有效的信號處理方法，也為開發更高性能、更智能化的電磁流量計提供了新的思路。

      參考文獻：

      [1]蔡武昌，馬中元, 瞿國芳，等．電磁流量計[M]．北京：中國石化出版社，2004．
      [2]魏小龍．MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002．