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便携式低功耗电磁流量计励磁方式和测量电路的设计

  对低功耗电磁流量计的测量电路进行了研究,给出了测量电路的基本组成。根据被测信号的特点,即微弱信号在强下的测量,阐述了测量电路的工作原理。本测量电路主要用于电池供电的电磁流量计中,可以实现便携式低功耗的工作要求。 

        随着微电子技术的快速发展,特别是一些性能稳定可靠的模块化、高集成度芯片及器件的问世,使得设计低功耗、便携式的现场检测仪表成为可能,也成为今后检测仪表及装置的发展趋势。而在流量测量应用中,电磁流量计作为无能量损耗的流量测量仪表, 以其独特的性能特征,已广泛地应用于工业过程中的各种导电液体的流量测量,形成了独特的应用领域,成为应用越来越广泛的流量测量仪表。目前国内的电磁流量计,普遍为工频交流供电或24V直流供电方式,功耗较大,在仪表便携式和低功耗的要求上没有得到实现。本文中的测量电路主要是应用于由电池供电的电磁流量计中,从励磁方式和测量电路方面进行了低功耗设计, 同时满足测量的精度要求,使得电磁流量计的电池供电成为可能,可以更好的适应非市电等野外现场作业等环境,满足仪表便携式、低功耗的要求。

1 电磁流量计的工作原理

电磁流量计的测量原理是利用法拉第电磁感应定律,即导体在磁场中切割磁力线运动时,会在其两端产生感应电动势。表达式为:

Ue=BLv (1)

式(1)中,B为磁感应强度,单位是特斯拉(T);L为测量电极之间的距离,单位是米(m);v为被测流体在磁场中运动的平均速度,单位是米每秒(m /s);Ue为感应电动势,单位是伏特(V)。

电磁流量计是依照该定律进行工作的。根据此定律,容易推得流体的体积流量为:

式(2)中Ue为感应电压,单位为V;B为磁感应强度,单位为T,由电磁流量计的励磁系统提供;D为管道内径,即测量电极之间的距离,单位为m;Q为流体体积流量,单位为m3/s。由式(2)可知,只要获得电极感应电压就可推得流体的体积流量。

2 励磁方式的低功耗设计

电磁流量传感器采用三值低频矩形方波的励磁方式[1],三值低频矩形方波励磁的作用是产生感应强度B,励磁波形如图1所示。

励磁信号的周期选为160ms,即励磁频率为6.25Hz,为工频的八分频,可对工频起到正负抵消的作用。且三值矩形方波可以较好地消除测量电极两端产生的极化效应。励磁部分的功耗约占整机功耗的多半部分,通过单片机对模拟开关进行控制,每三秒钟输出一次励磁信号,即三秒钟内正负电池分别提供时长为30ms且幅值等于50mA 的励磁电流,如图1所示。当采用正负两组电池供电时,正电池提供正向励磁电流,负电源提供反向励磁电流,估算得正负电池用于励磁部分每年的耗能均为(单位为Ah):

W=(30×103/3)×365×24×50×10-3=4.38Ah

采用一次性锂电池供电,可以满足电池供电的低功耗要求。

3 测量电路的设计

本文中的测量电路是用于由电池供电的小口径电磁流量计中,采用了低功耗设计,不同于交流供电的电磁流量计[2],它通过对单片机的输入输出口进行控制,实现了分时供电与休眠,选择三值低频矩形方波励磁,降低励磁部分的耗能,从而达到低功耗设计的要求。由于从前端传感器检测到的信号的内阻一般为几MΩ,要保证仪表的较高精度,故对整个放大电路的精度要求更高。设计测量电路图如图2所示。

测量电路主要由前置放大电路、二阶低通滤波器、电压高增益放大级和A/D转换电路以及单片机组成。

3.1 前置放大电路

由于励磁产生的磁感应强度信号为6.25Hz,则感应电动势也为同频率的交流信号,它即是被测信号。由于被测流体的内阻很大(与流体的电导率直接相关),高达几MΩ,故测量电路的级A1采用美国MAXIM企业的高精度增益可调的仪表放大器MAX4194,输入阻抗为1000MΩ,±2.5双电源供电,外接元件少,功耗低,符合仪表小型化的要求,并可通过外接精密电阻Rg1(图2)来调节放大倍数。该放大增益的计算公式为:

      考虑到被测信号中强噪声的存在,减少噪声进入后续电路以及使得精密仪用放大器处于线性工作区,选级放大倍数约为10,即Rg1为4.7kΩ或5.1kΩ 。

3.2 二阶低通滤波器

第二级采用典型的二阶低通滤波器。

图2中R1、R2、C1、C2、A2构成了二阶压控电压源有源低通滤波器[3]。A2为美国MAXIM 企业低温漂的运算放大器MAX4477。由电路可知,通带电压放大倍数为:

传递函数为:

其中特征角频率

大家将 f=f0 时电压放大倍数的模与通带电压放大倍数之比称为Q值,即等效品质因素:

根据式(4)求得低通滤波器的幅频特性:

因此,当励磁频率选为6.25Hz时,取

综合式(5)、(6)、(8)、(9),大家选取适合的数值:

使得低通滤波电路在6.25Hz的特征频率下有很好的低通滤波效果。

3.3 高增益电压放大级

第三级采用可调高增益电压放大电路。由MAX4197和MAX4194组成,MAX4194外接精密电阻用来调节放大器的增益。在这一级的输出端用电容C3,结合由单片机控制输出信号的模拟开关,形成反馈将噪声信号取回,与待测的流量信号形成差动信号,有效减少噪声信号的。由于是两个放大器级联,故可以满足电路对信号的放大要求,使得整体放大倍数达到5万倍左右,输出信号的幅值达到0.4~2.4V,进入后续的A/D转换部分。在没有流量信号进入测量电路时,令单片机输出信号使得开关KA闭合,则放大器与电容形成负反馈闭环电路,把测量电路的固有噪声信号反馈到输入端;待到流量测量信号进入时,断开反馈回路,与电容上的噪声信号构成差动信号,有效抑制了。

3.4 双积分A/D转换器

由于本设计采用电池供电,主要的噪声来自于外部的工频,为了降低功耗并有效滤除工频信号,并不利用单片机的内部逐次逼近式A/D转换,而是采用独立的外接双积分A/D转换器[4]。双积分A/D转换器适用于转换速度要求不高,精度较高,尤其是对交流工频有较强抗的场合。通过选择高精度双积分转换器的基准电压源,利用单片机内部的定时器与计数器,并结合外部模拟开关的选通与截至达到对测量信号的A/D转换功能。

双积分A/D转换器由R6、C4、A5、过零比较器以及单片机的内部计时器组成,双积分A/D转换器输入端的参考电压REF选用高精度的稳压基准电源LM285,A5为高增益低温漂的集成运放OP-90。过零比较器的输入端采用了输入保护,防止大电流损坏运放,输出端采用限幅措施,用以直接驱动后续的数字集成芯片。当开关KI闭合,在正向激磁信号下产生的正向流量测量信号被接入,积分电路对被测信号进行积分,经过T1的积分时间后,次积分结束,开关K-P闭合,积分器对参考电压-REF积分,同时单片机的内部计数器开始计时,当运放A5输出为零时,过零比较器的输出产生跳变,驱动与非门产生外部中断信号输入单片机,则单片机的内部计数器计数停止,第二次积分结束,由此被测的模拟信号电压值转变成了由单片机内部时钟脉冲CP计数的时间量,此计数值与被测输入信号的大小成比例关系。同理,当对反向激磁信号产生的正向流量测量信号进行测量时,即相应接通开关K-N,积分器对+REF进行积分,从而将测量信号的模拟电压值转换成时间量。

双积分型A/D转换器的工作性能稳定,两次积分只要积分常数τ=R6C4不变,转换结果与τ=R6C4无关,若时钟脉冲CP周期Tc不变,且在T1=2nTc 条件下,转换结果也与时钟脉冲CP周期Tc无关:转换器使用双积分型A/D转换器,对交流噪声有极强的抗能力,选积分时间为工频周期的整数倍时,就可以有效抑制工频。由于本设计使用电池供电,故主要的交流来自工频,所以使用双积分A/D转换器很好地滤除了50Hz的工频。

3.5 单片机选择

一般CPU工作时要消耗较大量的功耗,电池供电电磁流量计的选型对CPU要求是严格的。大家选择低功耗单片机MICROCHIP企业的PIC系列单片机[5]。PIC16F877是PIC系列中的中高档产品,含有PWM,EEPROM 等丰富的接口模块和FLASH程序存储器。它的低功耗性能,在单片机时钟频率为2MHz,3V供电的情况下功耗低于1mA,适宜低功耗产品设计。

单片机采用省电模式工作,每次输入,累计,显示处理后等待唤醒,这样工作功耗非常小。利用单片机输入输出口的脉冲信号对模拟开关进行控制,分时接通电源以及双积分转换电路的积分切换,使得测量电路功耗降至低。

本测量电路整体仪表通过实际的标定,与标准表测量结果相比对的数据如下表1所示。

表1 实测流速与标定流速数据的比较

实测流速m/s

相对误差δ%

注:所用传感器内径为50mm

本设计中由电池供电的电磁流量计的放大电路,采用了高性能的集成电路和先进的设计思想,对强背景下微弱信号的放大与A/D转换方式进行了研究。励磁电路的间歇式工作以及测量电路的低功耗设计,经实验验证,该测量电路能够满足对前端传感器输出信号的测量要求,流速V在0.4~8m/s范围内,精度可以达到±1%,与目前工业应用中的交流供电的电磁流量计的精度相差无几。同时可显示瞬时流量和累积流量,进行正反向流量测量。采用两节容量为10Ah的锂电池,可以持续工作两年左右,能够实现电磁流量计电池供电的低功耗要求。


 


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