便攜式電磁流速儀設(shè)計(jì)初探.docx

1、便攜式電磁流速儀設(shè)計(jì)初探寧麗娟1,吳桂才】，宋啟明2,于瑩2（1.牡丹江電子儀器有限責(zé)任公司I2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)）摘要:本文介紹了基于法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計(jì)的便攜式電磁流速儀。該儀器凸顯低功耗、輕便靈活的特點(diǎn)，專門(mén)針對(duì)農(nóng)田灌區(qū)、污水監(jiān)測(cè)、汛期洪水、山洪急流、淺灘岸邊、小溪川流、舟橋部隊(duì)等水文非常態(tài)測(cè)試環(huán)境而設(shè)計(jì)的，不怕磕碰及水草纏繞，是旋翼式轉(zhuǎn)子流速儀的一種升級(jí)替代選擇。關(guān)鍵字：自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)輕便靈活水文非常態(tài)測(cè)試I升級(jí)替代中圖分類號(hào):TH764文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-7241（2012）05-0068-04TheDesignofPortableElectromagneticFlowMe

2、terNINGLi-juan1,WUGui-cai1,SONGQi-ming2,YUJun-ying2(l.MudanjiangElectronicInstrumentCo.,Ltd.2.NortheastAgriculturalUniversity)Abstract:ThispaperdescribesthedesignofportableelectromagneticflowmeterbasedontheFaradaylawofelectromagneticinduction.Theinstrumenthighlightsthelow-power,lightweight,flexiblef

3、eatures,designedspecificallyforfarmlandirrigationdistrict,wastewatermonitoring,flood,torrentialrapids,shoalsshore,layinthecreek,pontoonforcesetchydrologicalabnormaltestenvironment.Themeterisightandflexiblenotafraidofacollision,plantswinding.Itisanupgradealternativeflowmeter.Keywords:self-ownedinteHe

4、ctualproperty;lightandflexible;hydrologicalabnormaltest;upgradealternative1 引言在水文測(cè)驗(yàn)諸多項(xiàng)目中，河流測(cè)試是最主要項(xiàng)目之一，至今國(guó)內(nèi)仍以轉(zhuǎn)子流速儀作為常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)的基本手段。流速剖面儀（ADCP）的引進(jìn)，在全國(guó)各地很多水文站作了許多有益的應(yīng)用研究試驗(yàn)，取得了許多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和成果，目前應(yīng)用范圍仍局限于工程測(cè)量方面，未能作為水文的基本測(cè)驗(yàn)手段。便攜式電磁流速儀有著體積小、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量時(shí)間短、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，投入人員少（一人便可測(cè)流）等優(yōu)點(diǎn)，所以市場(chǎng)前景很好。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及功能法拉第（英國(guó)）1831年首先發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定

5、律，次年曾構(gòu)想利用地球磁場(chǎng)來(lái)測(cè)速，以確定英國(guó)泰晤士河的流量，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。這一創(chuàng)舉拉開(kāi)了電磁測(cè)速的序幕。但凡電磁測(cè)速都是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。收稿日期：2012-04-20本文設(shè)計(jì)的便攜式電磁流速儀（簡(jiǎn)稱BX流速儀），工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。在其探頭產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，流動(dòng)著的速度為V的液體（電導(dǎo)率5MS/cm）切割磁力線,探頭兩側(cè)的電極檢測(cè)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小為：E=kBDV式中：E感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；k一一儀表系數(shù)，B-磁感應(yīng)強(qiáng)度；D探頭外徑；V-垂直于磁力線方向的液體速度，可見(jiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與流體速度V成正比。經(jīng)取樣放大、運(yùn)算處理，再經(jīng)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換成與速度信號(hào)成正比的數(shù)字量信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)

6、流速的測(cè)量。電磁流速儀的組成：電磁流速儀由流速傳感探頭、激磁電路、三值波電路、流速信號(hào)處理電路、單片機(jī)、通訊接口、觸摸顯示屏、電源模塊等組成，流速儀組成框圖如圖1所示：圖1流速儀系統(tǒng)框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3.1設(shè)計(jì)信號(hào)獲取流速傳感器探頭為臥式，呈流線型，內(nèi)有激磁線圈，具有磁場(chǎng)強(qiáng)度大，靈敏度高，抗干擾性好等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，輕便靈活，不怕磕碰及水草纏繞。流速傳感器探頭為牡丹江電子儀器有限責(zé)任公司的專利技術(shù)，實(shí)用新型專利號(hào)：002477300.3.2先進(jìn)的三值波激磁技術(shù)由單片機(jī)時(shí)序程序控制產(chǎn)生的方波，周期為200ms,波形寬度為50ms,經(jīng)恒流源驅(qū)動(dòng)電路輸出給傳感器激磁線組，以+A,0,-A三值進(jìn)行激磁，

7、通過(guò)多次試驗(yàn)采用三值方波激磁技術(shù)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，三值波激磁波形如圖2所示。號(hào)處理，送至單片機(jī)的A/D端。前置放大電路如圖3所示3.4系統(tǒng)核心處理器本文設(shè)計(jì)采用了低電源電壓范圍J.8-3.6V,超低功耗16位混合信號(hào)處理器MSP430F149,（60KBFLASH,2048字節(jié)RAM,8通道12位A/D轉(zhuǎn)換，超強(qiáng)大的處理能力，自帶硬件乘法器，高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊，高穩(wěn)定性工業(yè)級(jí)產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境溫度為-40+85C），完成建立系統(tǒng)工作節(jié)拍、A/D變換、信號(hào)采樣、流速及誤差修正運(yùn)算處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢調(diào)用的實(shí)現(xiàn)，操作界面及顯示界面、串行通訊、欠壓報(bào)警等軟件的實(shí)現(xiàn)，電路原理圖如圖4所示，

8、n圖2激磁波形圖3.3速度信號(hào)處理以高阻、高共模抑制比、低噪和低線性誤差特性的儀表放大器構(gòu)成前置放大級(jí)通過(guò)對(duì)獲取隨流速變化的正-零-負(fù)-零-正規(guī)律的三種狀態(tài)的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行節(jié)拍極性采樣和處理測(cè)量精度進(jìn)一步提高，提取信號(hào)之后由，再經(jīng)濾波、電平平衡、調(diào)整零點(diǎn)和增益，完成信圖4單片機(jī)及外圍電路原理圖3.5485通訊及RS232串行接口實(shí)現(xiàn)主從結(jié)構(gòu)串InstrumentationandMeasurment行半雙工通訊。與上位機(jī)（主機(jī)）可以構(gòu)建主從結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。3.6鍵盤(pán)操作、數(shù)據(jù)顯示采用了3.5英寸觸摸屏，人性化的操作界面，操作簡(jiǎn)便，同時(shí)顯示瞬時(shí)流速和平均流速。3.7 為適合多種應(yīng)用場(chǎng)合的需要，本文設(shè)計(jì)了

9、多種測(cè)桿結(jié)構(gòu)選擇。3.8 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種電源組塊模式：聚合物鋰電池，太陽(yáng)能電池，220V。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)運(yùn)用IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)MSP430F149編程，完成軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)各功能實(shí)現(xiàn)。主程序流程圖如圖5所示：圖5主程序流程圖系統(tǒng)主程序/*主程序/#include<msp430xl4x.h>intdianya,y,yly2«voidmain(void)charm=0»WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD,TIMERST(O),PlDIR=OxfF；P10UT=OxfB,P2DIR=OxfO,PlDIR=OxfF,P4DIR=0XFf：P5DIR-Ox

10、ff,P6DlR=0x00,P6SEL=0x4b,BCSCTL1=OX7,BCSCTL2=0X06,UOTCTL=SSELO,UOCTL=CHAR,UOCTL&=SWRST；UOBRO=3,U0BR1=0x00,U0MCTL=0x4a,MEI|=UTXEO+URXEO,IE1|=URXIE0»P3SEL|=0x30,P3DIR|=OxdfiP3OUT=0xdhADC12CTL0=MSC+SHTO_O+ADC12ON+REF2.5V+REFON,ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_1；ADC12MCTL0=INCH_O+SREF_1；ADC12MCTL1=INCH_1+S

11、REF_1,ADC12MCTL2=INCH_3+SREF_1,ADC12MCTL3=INCH_6+SREF_1+EOS；ADC12IE=0x02,A/D轉(zhuǎn)換子程序voidA/D(void)P1OUT|=0x10,ADC12CTL0|=ENC+ADC12SC,while(ADC12CTL1&ADC12BUSY)-=1)；y=ADC12MEM0；dianya=ADC12MEMl,yl=ADC12MEM2,y2=ADC12MEM3,5試驗(yàn)標(biāo)定及現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試1)通過(guò)POTOK靜水槽(精度0.1%)如圖6所示，標(biāo)定和檢定，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(未修正)如表1所示，標(biāo)定曲線圖7所示。表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)碗曲&

12、藤適蕓商藪礦V隆陷50.10.09330.07640.20.19790.17830.30.29060.27280.40.39750.380.50,48730.47220.60.58440.57440.70.68670.67990.80.78980.78S60.90.88620.886610.98670.99221.11.08591.09391.21.18991.2011.31.2931.30491.41.38791.40951.51.48811.51611.61.59S41.63041.71.69181.73021.81.79121.83251.91.89251-935121.99082.04

13、592.12.08722.13442.22.32.29782.36272.42.52.492.49882.6參考文獻(xiàn)：1胡大可.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京航空航天大學(xué)出版社,2000.2沈建華,楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用M.清華大學(xué)出版.2004.3范玉久.主編.化工測(cè)量及儀表M.化學(xué)工業(yè)出版社.1981.14）梁國(guó)偉，蔡武昌.流量測(cè)量技術(shù)及儀表M.機(jī)械工業(yè)出版社.2005,5尹建國(guó)，蔣佑華，陳含華.走航式多普勒剖面流速儀測(cè)流應(yīng)用與分析UJ.水文水利自動(dòng)化,2004,（3）:40-42,50.6J中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SJ.SL.195-97.水文巡測(cè)規(guī)范.中國(guó)水利水電出版社.1997.5.蘇n.B.諾維茨基主編.非電量的電測(cè)量M.機(jī)械工業(yè)出版社.1983.2）與水文常規(guī)轉(zhuǎn)子流速儀LS-251比測(cè)，系統(tǒng)誤差均小于2%,比測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示：比測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)1表2比測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表1測(cè)點(diǎn)數(shù)偏差±3%測(cè)點(diǎn)數(shù)匝差±5%測(cè)點(diǎn)敗平均偏差%系統(tǒng)偏差%402434-0.15-0.15比測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)2表3比測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表