便攜式電磁流速儀設(shè)計初探.docx

1、便攜式電磁流速儀設(shè)計初探寧麗娟1,吳桂才】，宋啟明2,于瑩2（1.牡丹江電子儀器有限責任公司I2.東北農(nóng)業(yè)大學）摘要:本文介紹了基于法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計的便攜式電磁流速儀。該儀器凸顯低功耗、輕便靈活的特點，專門針對農(nóng)田灌區(qū)、污水監(jiān)測、汛期洪水、山洪急流、淺灘岸邊、小溪川流、舟橋部隊等水文非常態(tài)測試環(huán)境而設(shè)計的，不怕磕碰及水草纏繞，是旋翼式轉(zhuǎn)子流速儀的一種升級替代選擇。關(guān)鍵字：自有知識產(chǎn)權(quán)輕便靈活水文非常態(tài)測試I升級替代中圖分類號:TH764文獻標識碼:A文章編號: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 引言在水文測驗諸多項目中，河流測試是最主要項目之一，至今國內(nèi)仍以轉(zhuǎn)子流速儀作為常規(guī)流量測驗的基本手段。流速剖面儀（ADCP）的引進，在全國各地很多水文站作了許多有益的應(yīng)用研究試驗，取得了許多應(yīng)用經(jīng)驗和成果，目前應(yīng)用范圍仍局限于工程測量方面，未能作為水文的基本測驗手段。便攜式電磁流速儀有著體積小、操作簡單、測量時間短、數(shù)據(jù)存儲量大，投入人員少（一人便可測流）等優(yōu)點，所以市場前景很好。2 系統(tǒng)設(shè)計原理及功能法拉第（英國）1831年首先發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定

5、律，次年曾構(gòu)想利用地球磁場來測速，以確定英國泰晤士河的流量，并進行現(xiàn)場試驗。這一創(chuàng)舉拉開了電磁測速的序幕。但凡電磁測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)計的便攜式電磁流速儀（簡稱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，流動著的速度為V的液體（電導率5MS/cm）切割磁力線,探頭兩側(cè)的電極檢測出感應(yīng)電動勢，其大小為：E=kBDV式中：E感應(yīng)電動勢；k一一儀表系數(shù)，B-磁感應(yīng)強度；D探頭外徑；V-垂直于磁力線方向的液體速度，可見感應(yīng)電動勢E與流體速度V成正比。經(jīng)取樣放大、運算處理，再經(jīng)單片機處理轉(zhuǎn)換成與速度信號成正比的數(shù)字量信號，從而實現(xiàn)

6、流速的測量。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、流速信號處理電路、單片機、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)計實現(xiàn)3.1設(shè)計信號獲取流速傳感器探頭為臥式，呈流線型，內(nèi)有激磁線圈，具有磁場強度大，靈敏度高，抗干擾性好等技術(shù)優(yōu)勢，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任公司的專利技術(shù)，實用新型專利號：002477300.3.2先進的三值波激磁技術(shù)由單片機時序程序控制產(chǎn)生的方波，周期為200ms,波形寬度為50ms,經(jīng)恒流源驅(qū)動電路輸出給傳感器激磁線組，以+A,0,-A三值進行激磁，

7、通過多次試驗采用三值方波激磁技術(shù)，系統(tǒng)抗干擾能力強，三值波激磁波形如圖2所示。號處理，送至單片機的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)計采用了低電源電壓范圍J.8-3.6V,超低功耗16位混合信號處理器MSP430F149,（60KBFLASH,2048字節(jié)RAM,8通道12位A/D轉(zhuǎn)換，超強大的處理能力，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)級產(chǎn)品運行環(huán)境溫度為-40+85C），完成建立系統(tǒng)工作節(jié)拍、A/D變換、信號采樣、流速及誤差修正運算處理、數(shù)據(jù)存儲與查詢調(diào)用的實現(xiàn)，操作界面及顯示界面、串行通訊、欠壓報警等軟件的實現(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)成前置放大級通過對獲取隨流速變化的正-零-負-零-正規(guī)律的三種狀態(tài)的感應(yīng)信號進行節(jié)拍極性采樣和處理測量精度進一步提高，提取信號之后由，再經(jīng)濾波、電平平衡、調(diào)整零點和增益，完成信圖4單片機及外圍電路原理圖3.5485通訊及RS232串行接口實現(xiàn)主從結(jié)構(gòu)串InstrumentationandMeasurment行半雙工通訊。與上位機（主機）可以構(gòu)建主從結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。3.6鍵盤操作、數(shù)據(jù)顯示采用了3.5英寸觸摸屏，人性化的操作界面，操作簡便，同時顯示瞬時流速和平均流速。3.7 為適合多種應(yīng)用場合的需要，本文設(shè)計了

9、多種測桿結(jié)構(gòu)選擇。3.8 供電系統(tǒng)設(shè)計了三種電源組塊模式：聚合物鋰電池，太陽能電池，220V。4系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計運用IAR集成開發(fā)環(huán)境，對MSP430F149編程，完成軟件系統(tǒng)設(shè)計各功能實現(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試驗標定及現(xiàn)場比對測試1)通過POTOK靜水槽(精度0.1%)如圖6所示，標定和檢定，實測數(shù)據(jù)(未修正)如表1所示，標定曲線圖7所示。表1實測數(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：1胡大可.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用M.北京航空航天大學出版社,2000.2沈建華,楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用M.清華大學出版.2004.3范玉久.主編.化工測量及儀表M.化學工業(yè)出版社.1981.14）梁國偉，蔡武昌.流量測量技術(shù)及儀表M.機械工業(yè)出版社.2005,5尹建國，蔣佑華，陳含華.走航式多普勒剖面流速儀測流應(yīng)用與分析UJ.水文水利自動化,2004,（3）:40-42,50.6J中華人民共和國行業(yè)標準（SJ.SL.195-97.水文巡測規(guī)范.中國水利水電出版社.1997.5.蘇n.B.諾維茨基主編.非電量的電測量M.機械工業(yè)出版社.1983.2）與水文常規(guī)轉(zhuǎn)子流速儀LS-251比測，系統(tǒng)誤差均小于2%,比測數(shù)據(jù)如表2所示：比測結(jié)果統(tǒng)計1表2比測結(jié)果數(shù)據(jù)表1測點數(shù)偏差±3%測點數(shù)匝差±5%測點敗平均偏差%系統(tǒng)偏差%402434-0.15-0.15比測結(jié)果統(tǒng)計2表3比測結(jié)果數(shù)據(jù)表