電磁流量計(jì)電池供電

在流量測量領(lǐng)域.電磁流量計(jì)作為無能量損耗的流量測量儀表，已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)過程中的各種導(dǎo)電液體的流量測量，形成了*的應(yīng)用領(lǐng)域目前國內(nèi)的電磁流量計(jì)，普遍為工頻交流供電或24V直流供電方式，功耗較大，在儀表便攜式和低功耗的要求上沒有得到實(shí)現(xiàn)。本文中采用電池供電電磁流量計(jì)，從勵(lì)磁方式和測量電路及單片機(jī)微處理器方面進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足測量的精度要求.使得電磁流量計(jì)可以更好地適應(yīng)野外現(xiàn)場作業(yè)等環(huán)境，滿足儀表便攜式、低功耗的要求。 2電磁流量計(jì)工作原理 電磁流量計(jì)的工作原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，推得流體的體積流量為： (1) 式中： Uc為感應(yīng)電壓，單位V; B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T; D為管道內(nèi)徑，即測量電極之間的距離，單位m; Q為流體體積流量，單位m3/s 3硬件電路組成 本設(shè)計(jì)是電池供電的小口徑電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)。由于采用電池供電，必須進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。通過選用低功耗的集成芯片，采用低頻三值矩形方波勵(lì)磁(如圖1所示1)以及對單片機(jī)的輸入輸出口進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電與休眠，從而達(dá)到低功耗設(shè)計(jì)的要求。 由于從前端傳感器檢測到的信號(hào)內(nèi)阻一般為幾MΩ要保證儀表的較高精度，則對整個(gè)放大電路的精度要求更高。測量電路如圖2所示，主要由前置放大電路、二階低通濾波器、電壓高增益放大級(jí)和A/D轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)組成。 3.1前置放大電路 電磁流量傳感器采用三值低頻矩形方波的勵(lì)磁方式，從而產(chǎn)生感應(yīng)強(qiáng)度B。勵(lì)磁信號(hào)的周期為160ms，即勵(lì)磁頻率為6.25Hz，為工頻的8分頻，可對工頻干擾起到正負(fù)抵消的作用。且三值矩形方波可以較好地消除測量電極兩端產(chǎn)生的極化效應(yīng)。 由于勵(lì)磁產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)為6.25Hz，則感應(yīng)電動(dòng)勢也為同頻率的交流信號(hào)，即被測信號(hào)。由于被測流體的內(nèi)阻很大(與流體的電導(dǎo)率直接相關(guān))，高達(dá)幾MΩ，故測量電路的*級(jí)A1。采用美國MAXIM公司的高精度增益可調(diào)的儀表放大器MAX4194，輸入阻抗為1000MΩ，±2.5雙電源供電，外接元件少，功耗低，符合儀表小型化的要求，并可通過外接精密電阻Rg1。來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。該放大增益的計(jì)算公式為： A=1+50(kΩ)/Rg1 考慮到被測信號(hào)中強(qiáng)噪聲的存在，減少噪聲進(jìn)入后續(xù)電路以及使得精密儀用放大器處于線性工作區(qū)，選*級(jí)放大倍數(shù)約為10，即Rg1為4.7kΩ或5.1kΩ。 3.2二階低通濾波器 第二級(jí)采用典型的二階低通濾波器。 圖2中R1、R2、C1、C2、A2構(gòu)成了二階壓控電壓源有源低通濾波器。A2為美國MAXIM公司低溫漂的運(yùn)算放大器MAX4477。由電路可知，傳遞函數(shù)為： (2) 其中特征角頻率ωn=1/(R1R2C1C2)，我們將f=f0時(shí)電壓放大倍數(shù)的模與通帶電壓放大倍數(shù)之比稱為Q值，即等效品質(zhì)因數(shù)： (3) 根據(jù)式(2)求得低通濾波器的幅頻特性： (4) 因此，當(dāng)勵(lì)磁頻率選為6.25Hz時(shí)，取 Q=0.707ωn=2πf=2π×6.25=39.27(5) 綜合式(3)、(4)、(5)，選取適合的數(shù)值： R1=47kΩ，R2=47kΩ，C1=0.75μF，C2=0.39μF，使得低通濾波電路在6.25Hz的特征頻率下有很好的低通濾波效果。 3.3高增益放大級(jí) 第三級(jí)采用可調(diào)高增益放大電路。由MAX4197和MAX4194組成，MAX4194外接精密電阻用來調(diào)節(jié)放大器的增益。在這一級(jí)的輸出端用電容C3，結(jié)合由單片機(jī)控制輸出信號(hào)的模擬開關(guān)，形成反饋將噪聲信號(hào)取回，與待測的流量信號(hào)形成差動(dòng)信號(hào)，有效減少噪聲信號(hào)的干擾。由于是兩個(gè)放大器級(jí)聯(lián)，故可以滿足電路對信號(hào)的放大要求，使得整體放大倍數(shù)達(dá)到5萬倍左右，輸出信號(hào)的幅值達(dá)到0.4~2.4V，進(jìn)入后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換部分。在沒有流量信號(hào)進(jìn)入測量電路時(shí)，令單片機(jī)輸出信號(hào)使得開關(guān)K4閉合，則放大器與電容形成負(fù)反饋閉環(huán)電路，把測量電路的固有噪聲信號(hào)反饋到輸入端;待流量測量信號(hào)進(jìn)入時(shí)，斷開反饋回路，與電容上的噪聲信號(hào)構(gòu)成差動(dòng)信號(hào)，有效抑制了干擾。 3.4雙積分A/D轉(zhuǎn)換器 由于本設(shè)計(jì)采用電池供電，主要的噪聲干擾來自于外部的工頻干擾，為了降低功耗，采用獨(dú)立的外接雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，選擇高精度雙積分轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器與計(jì)數(shù)器，并結(jié)合外部模擬開關(guān)的選通與截止達(dá)到對測量信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換功能。 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器由R6、C4、A5、過零比較器以及單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)時(shí)器組成，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的參考電壓REF選用高精度的穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源LM285，A5為高增益低溫漂的集成運(yùn)放OP_90。過零比較器的輸入端采用了輸入保護(hù)，防止大電流損壞運(yùn)放，輸出端采用限幅措施，用以直接驅(qū)動(dòng)后續(xù)的數(shù)字集成芯片。當(dāng)開關(guān)K1閉合，在正向激磁信號(hào)下產(chǎn)生的正向流量測量信號(hào)被接入，積分電路對被測信號(hào)進(jìn)行積分，經(jīng)過T1的積分時(shí)間后，*次積分結(jié)束，開關(guān)K_P閉合，積分器對參考電壓-REF積分。同時(shí)單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)運(yùn)放A5輸出為零時(shí)，過零比較器的輸出產(chǎn)生跳變，驅(qū)動(dòng)與非門產(chǎn)生外部中斷信號(hào)輸入單片機(jī)，則單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)停止，第二次積分結(jié)束，由此被測的模擬信號(hào)電壓值轉(zhuǎn)變成了由單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘脈沖CP計(jì)數(shù)的時(shí)間量，此計(jì)數(shù)值與被測輸入信號(hào)的大小成比例關(guān)系。同理，當(dāng)對反向激磁信號(hào)產(chǎn)生的正向流量測量信號(hào)進(jìn)行測量時(shí)，即相應(yīng)接通開關(guān)K-N，積分器對+REF進(jìn)行積分，從而將測量信號(hào)的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成時(shí)間量。 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的工作性能穩(wěn)定，兩次積分只要積分常數(shù)τ=R6C4不變，轉(zhuǎn)換結(jié)果與τ=R6C4無關(guān)，若時(shí)鐘脈沖CP周期Tc不變，且在T1=2nTc條件下，轉(zhuǎn)換結(jié)果也與時(shí)鐘脈沖CP周期無關(guān);轉(zhuǎn)換器使用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，對交流噪聲有*的抗*力，選積分時(shí)間為工頻周期的整數(shù)倍，就可有效抑制工頻干擾。由于主要的交流干擾來自工頻，所以使用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器可濾除50Hz的工頻干擾。 3.5單片機(jī)的選擇 一般CPU工作時(shí)要消耗較大的功耗，電池供電電磁流量計(jì)的選型對CPU要求是嚴(yán)格的。我們選擇MICROCHIP公司的PIC系列單片機(jī)PIC16F877，它含有PWM、EEPROM等豐富的接口模塊和FLASH程序存儲(chǔ)器。其低功耗性能，在單片機(jī)時(shí)鐘頻率為2MHz，3V供電的情況下功耗低于1mA。 4軟件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序、中斷服務(wù)程序、計(jì)算模塊和控制模塊組成。主程序?yàn)楸緝x表的檢測程序，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，清各工作寄存器，為計(jì)數(shù)器及特殊寄存器的狀態(tài)標(biāo)志位賦初值，開中斷，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，等待中斷發(fā)生。運(yùn)行后首*行中斷判斷，是按鍵中斷還是定時(shí)器中斷。若是按鍵中斷，則進(jìn)行鍵值分析，用以實(shí)現(xiàn)儀表的外部鍵盤操作功能?？梢允箖x表分別進(jìn)入工況顯示狀態(tài)或是參數(shù)設(shè)定狀態(tài)。工況狀態(tài)下，可以顯示瞬間流量、累計(jì)流量、流速等。在參數(shù)設(shè)定狀態(tài)下，可對儀表的一些內(nèi)部參數(shù)諸如上下限報(bào)警等進(jìn)行瀏覽和設(shè)置。待這些相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置輸入后，將其保存在EEPROM中。若是定時(shí)計(jì)數(shù)中斷，則調(diào)用計(jì)算模塊進(jìn)行頻率、流量等的計(jì)算，并計(jì)算流量增量以更新累計(jì)流量，隨后回到休眠狀態(tài)，等待下一次中斷的到來。 5結(jié)束語 本設(shè)計(jì)中由電池供電的電磁流量計(jì)，主要在放大電路上采用了高性能的集成電路和*的設(shè)計(jì)思想，對強(qiáng)干擾背景下微弱信號(hào)的放大與A/D轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行了研究。勵(lì)磁方式采用三值低頻矩形方波，周期間歇工作，大大降低了勵(lì)磁功耗。單片機(jī)采用省電模式工作，每次輸入、累計(jì)、顯示處理后等待喚醒，這樣工作功耗非常小。利用單片機(jī)輸入輸出口的脈沖信號(hào)對模擬開關(guān)進(jìn)行控制，分時(shí)接通電源以及雙積分轉(zhuǎn)換電路的積分切換，使得測量電路功耗降至zui低。輸入輸出接口采用液晶顯示，并可以輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，既可就地顯示也可以遠(yuǎn)傳實(shí)現(xiàn)HART通信。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，上述電磁流量計(jì)能夠滿足對前端傳感器輸出信號(hào)的測量，當(dāng)流速v在0.4~8m/s范圍時(shí)，體積流量測量精度可以達(dá)±1%，同時(shí)顯示瞬時(shí)流量和累積流量，正反向流量。