电池供电在线式流量计

1引言在流量测量领域.电磁流量计作为无能量损耗的流量测量仪表，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。本文中采用电池供电电磁流量计，从励磁方式和测量电路及单片机微处理器方面进行了低功耗设计，同时满足测量的精度要求.使得电磁流量计可以更好地适应野外现场作业等环境，满足仪表便携式、低功耗的要求。2电磁流量计工作原理电磁流量计的工作原理是利用法拉第电磁感应定律，推得流体的体积流量为：http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647641.gif（1）式中：Uc为感应电压，单位V；B为磁感应强度，单位T；D为管道内径，即测量电极之间的距离，单位m；Q为流体体积流量，单位m3/s3硬件电路组成本设计是电池供电的小口径电磁流量计的设计。由于采用电池供电，必须进行低功耗设计。通过选用低功耗的集成芯片，采用低频三值矩形方波励磁（如图1所示1）以及对单片机的输入输出口进行控制实现分时供电与休眠，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内阻一般为几MΩ要保证仪表的较高精度，则对整个放大电路的精度要求更高。测量电路如图2所示，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。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647642.gif3.1前置放大电路电磁流量传感器采用三值低频矩形方波的励磁方式，从而产生感应强度B。励磁信号的周期为160ms，即励磁频率为6.25Hz，为工频的8分频，可对工频干扰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。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，即被测信号。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，故测量电路的第一级A1。采用美国MAXIM公司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。来调节放大倍数。该放大增益的计算公式为：A=1+50（kΩ）/Rg1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，选第一级放大倍数约为10，即Rg1为4.7kΩ或5.1kΩ。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647643.gif3.2二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。A2为美国MAXIM公司低温漂的运算放大器MAX4477。由电路可知，传递函数为：http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647644.gif（2）其中特征角频率ωn=1/（R1R2C1C2），我们将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，即等效品质因数：http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647645.gif（3）根据式（2）求得低通滤波器的幅频特性：http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647646.gif（4）因此，当励磁频率选为6.25Hz时，取Q=0.707ωn=2πf=2π×6.25=39.27（5）综合式（3）、（4）、（5），选取适合的数值：R1=47kΩ，R2=47kΩ，C1=0.75μF，C2=0.39μF，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高增益放大级第三级采用可调高增益放大电路。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干扰。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K4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，有效抑制了干扰。3.4双积分A/D转换器由于本设计采用电池供电，主要的噪声干扰来自于外部的工频干扰，为了降低功耗，采用独立的外接双积分A/D转换器，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止达到对测量信号的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K1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，第一次积分结束，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周期无关；转换器使用双积分A/D转换器，对交流噪声有极强的抗干扰能力，选积分时间为工频周期的整数倍，就可有效抑制工频干扰。由于主要的交流干扰来自工频，所以使用双积分A/D转换器可滤除50Hz的工频干扰。3.5单片机的选择一般CPU工作时要消耗较大的功耗，电池供电电磁流量计的选型对CPU要求是严格的。我们选择MICROCHIP公司的PIC系列单片机PIC16F877，它含有PWM、EEPROM等丰富的接口模块和FLASH程序存储器。其低功耗性能，在单片机时钟频率为2MHz，3V供电的情况下功耗低于1mA。4软件电路设计系统软件采用结构化、模块化设计方法，由主程序、中断服务程序、计算模块和控制模块组成。主程序为本仪表的检测程序，对系统

智能型电磁流量计是依托规范的制造体系而开发的，其先进的设计理念保证了产品的高精度和高可靠性，与老式电磁流量计相比，其拥有测量精度高，可靠性强，稳定性好，功能齐全，使用寿命长等优点。其应用十分广泛。1.电磁流量计采用特殊设计的传感器励磁系统和智能化的系统，并采用了16位嵌入式超微功耗处理器，全数字量信号处理，工作稳定、测量精度高、抗干扰能力强等特点，实现自动双向流量测量，现场瞬时流量，正反向累计总量显示，自诊断故障报警，GSM/GPRS数据无线远传等功能，用户通过强大的GSM/GPRS远程管理软件系统可实现流量数据的无线远传、存储等功能。　　2. 其专为水工业设计，满足城市供水确保准确的水费计算，广泛应用于城市供水（冷水）、城市取暖（热水）、污水处理、水利工程等行业。不受水质干扰，无缠绕、堵塞现象，几乎无压力损失，可长期可靠连续工作。特别适用于大流量供热。 　 3.在精确计量的基础上，仪表和控制部分集为一体，实现管路的自动切断与接通操作。智能电动调节阀门在开启时动作缓慢，避免了液体流速过快，对仪表本身造成损坏，防止危险事故的发生。　　4.电磁流量计是大用水户测量升级的最佳选择　　水是珍贵且不可再生的资源，在提倡节能降耗的今天，它需要被有效的测量和控制。计量的准确和公平，有效的监督和控制，是节约用水、减少浪费的基本手段，供水企业实施准确公正的贸易计量、实现大用户计量和监控，实施区域计量方法减少漏失，是供水企业提高经济效益的最直接方法。电池供电电磁流量计为达到上述目的提供简单和最直接手段。