引言

       電磁流量計(jì)是一種基于法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由于其測(cè)量不受介質(zhì)性能的影響、無(wú)壓力損失和抗腐蝕性等特點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1］。傳統(tǒng)電磁流量計(jì)功率大、耗能高，無(wú)法滿足低功耗的要求，且大多采用低頻兩值矩形波勵(lì)磁，由于矩形波存在電平突變，磁場(chǎng)變化率dB/dt過高，引入微分干擾和同相干擾，同時(shí)兩值勵(lì)磁容易引起零點(diǎn)不穩(wěn)導(dǎo)致電磁流量計(jì)無(wú)法測(cè)量小流量導(dǎo)電液體，測(cè)量范圍受到限制。

 

       本文在對(duì)傳統(tǒng)電磁流量計(jì)大量研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種鋰電池供電的低功耗電磁流量計(jì)，供電電壓為3．6V，勵(lì)磁電流僅有30mA，功耗大大降低，相對(duì)于傳統(tǒng)勵(lì)磁方式，采用三值梯形波勵(lì)磁，減小了微分干擾和同相干擾，同時(shí)提高了零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量精度。

 

1原理

       電磁流量計(jì)的傳感器電極兩端輸出信號(hào)由式(1)表示

       式中:BvD為流量信號(hào);為微分干擾信號(hào);為同相干擾信號(hào);ec為共模干擾信號(hào);ed為串模干擾信號(hào);es為直流干擾信號(hào)。

       由式(1)可知傳感器的輸出信號(hào)除了感生出的有用信號(hào)BvD外，還包含了微分干擾、同相干擾等各種干擾信號(hào)，根據(jù)以往的資料和經(jīng)驗(yàn)，共模干擾ec、串模干擾ed和直流干擾es可以通過電路靜電屏蔽、良好接地等方法得到很好的抑制和降低。傳統(tǒng)低頻矩形波勵(lì)磁時(shí)，電平躍變，磁感應(yīng)強(qiáng)度B躍變，磁感應(yīng)強(qiáng)度的微分和二次微分趨向于無(wú)窮大，即微分干擾和同相干擾趨向于無(wú)窮大，測(cè)量導(dǎo)電液體時(shí)會(huì)覆蓋有用信號(hào)，影響測(cè)量精度。為了減少躍變引起的干擾，采用新型的低頻三值梯形波勵(lì)磁，勵(lì)磁頻率設(shè)定為6．25Hz，為工頻的1/8，可對(duì)工頻干擾起到正負(fù)抵消的作用。如圖1所示，電流不是陡升或陡降，而是有一定的斜度，減小了因電平突變引入的干擾。每隔10s測(cè)量一次信號(hào)，減少功耗，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

       整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要由DC-DC升降壓電路、勵(lì)磁電路、流量信號(hào)調(diào)理電路以及MSP430F4794單片機(jī)等部分構(gòu)成。鋰電池為整個(gè)電路提供電源，選用兩節(jié)一次性鋰電池并聯(lián)使用，型號(hào)EＲ34615H，標(biāo)稱電壓3．6V，標(biāo)稱容量為19AH，儲(chǔ)存壽命超過10年;鋰電池輸出電壓經(jīng)DC-DC升降壓電路轉(zhuǎn)換成3．3V和±5V供勵(lì)磁電路、信號(hào)處理電路、單片機(jī)、液晶等使用;勵(lì)磁電路輸出恒定電流給電磁流量傳感器的勵(lì)磁線圈，線圈感生出恒定磁場(chǎng)，流體流過測(cè)量管道切割磁力線，傳感器的一對(duì)電極感生出電壓;電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波放大后，由單片機(jī)A/D采集;超低功耗的MSP430F4794單片機(jī)為系統(tǒng)電路的控制核心，控制勵(lì)磁電路輸出三值梯形波，完成流量信號(hào)的運(yùn)算以及液晶的顯示和按鍵輸入的反饋等。

2．1DC-DC升降壓電路

       DC-DC升降壓電路分為兩種DC-DC電路，分別產(chǎn)生3．3V和±5V，如圖3所示。TPS65130芯片產(chǎn)生5V，該芯片在低負(fù)載時(shí)有Power-SaveMode，由于±5V主要使用在放大器上，所以電路中使能此種模式，轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%以上，同時(shí)該芯片可通過單片機(jī)的P1．0和P1．1來(lái)使能轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)關(guān)閉轉(zhuǎn)換電路時(shí)，該芯片會(huì)與負(fù)載斷開，進(jìn)一步減少功耗。TPS62736芯片產(chǎn)生3．3V，該芯片是超低功耗的降壓轉(zhuǎn)換器，針對(duì)50mA的輸出電流進(jìn)行了優(yōu)化，靜態(tài)電流只有380nA，轉(zhuǎn)換效率在90%以上，與TPS65130一樣可以通過單片機(jī)的P1．3來(lái)切換芯片的兩種狀態(tài)BuckMode和StandbyMode，BuckMode為正常轉(zhuǎn)換狀態(tài)，StandbyMode則關(guān)閉轉(zhuǎn)換器以減少功耗，同時(shí)該芯片可以檢測(cè)輸入電壓的高低，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí)，可以通過P1．2向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，從而當(dāng)電池沒有電的時(shí)候提醒用戶更換。

2．2梯形波勵(lì)磁電路

       梯形波勵(lì)磁電路如圖4所示。電壓3．3V為DC-DC芯片降壓后得到，傳統(tǒng)電磁流量計(jì)大多采用24V勵(lì)磁，此電路只需要3．3V是由于采用了DMC2004芯片，該芯片內(nèi)部含有1個(gè)NMOS管和1個(gè)PMOS管，開啟電壓小于1V，當(dāng)Vgs大于1．2V時(shí)，NMOS導(dǎo)通電阻小于0．035Ω，PMOS的導(dǎo)通電阻小于0．065Ω，耗能少，符合低功耗的要求。

恒流源電路采用低功耗放大器TLC2252，電流大小為Uz/Ｒ3，該電路取Ｒ3=39Ω，恒流源約為30mA．LM385、Ｒ1和C1是梯形波形成的關(guān)鍵，LM385為低功耗的參考電壓芯片，C1充電到參考電壓1．235V，形成梯形的一邊，放電時(shí)形成另一邊。P2．0、P2．1、P2．2的邏輯曲線如圖5所示。

       t1時(shí)段，P2．1高電平，P2．2低電平，T2、T3導(dǎo)通，T1、T4截止，勵(lì)磁線圈L1上的電流由B到A(假設(shè)從B到A為正)，T2、T3導(dǎo)通的同時(shí)，P2．0由低電平變?yōu)楦唠娖剑娙軨1開始充電，Uz由0近似線性增加，上升速率由Ｒ1，C1參數(shù)決定，當(dāng)電壓增加到1．235V時(shí)，LM385開始導(dǎo)通，穩(wěn)定在1．235V，這個(gè)過程勵(lì)磁線圈電流也由0上升到30mA，并穩(wěn)定在30mA;t2時(shí)段，P2．1、P2．2電平維持不變，P2．0由高電平變成低電平，C1放電，Uz線性降低，電流也從30mA降到0;t3時(shí)段，P2．1、P2．2都為高電平，T1、T2都截止，勵(lì)磁線圈L1上的電流為0;T4時(shí)段，P2．1低電平、P2．2高電平，T1、T4導(dǎo)通，T2、T3截止，勵(lì)磁線圈L1上的電流由A到B，T1、T4導(dǎo)通的同時(shí)，P2．0由低電平變?yōu)楦唠娖剑娙軨1充電，電流從0下降到－30mA，并穩(wěn)定在－30mA;t5時(shí)段，P2．1、P2．2電平維持不變，P2．0由高電平變成低電平，C1放電，Uz線性降低，電流也從－30mA上升到0;t6時(shí)段，P2．1、P2．2都變?yōu)楦唠娖剑琓1、T2截止，勵(lì)磁線圈L1上的電流又變?yōu)?。經(jīng)過t1到t6一個(gè)周期，形成了1—0—－1—0的三值梯形波。

 

2．3流量信號(hào)調(diào)理電路

       電磁流量傳感器電極兩端輸出的感應(yīng)電壓信號(hào)相當(dāng)微弱，屬于微伏級(jí)信號(hào)，測(cè)量難度大，且感應(yīng)信號(hào)中包含了各種各樣的干擾成分，如式(1)中的共模干擾、串模干擾等。本文設(shè)計(jì)了圖6所示的流量信號(hào)調(diào)理電路，把流量信號(hào)從干擾中檢測(cè)出來(lái)，電路包括儀用放大電路、低通濾波電路、二次放大電路以及電位提升電路等。

       信號(hào)在進(jìn)入處理電路前使用對(duì)稱的電容進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)濾波，去除夾雜在信號(hào)中的直流分量。傳感器流量信號(hào)內(nèi)阻可達(dá)MΩ 級(jí)別，所以在選用放大器時(shí)應(yīng)選擇輸入電阻高的放大器，同時(shí)為消除共模干擾，電路中使用低功耗的 INA128 儀用放大器來(lái)進(jìn)行放大，INA128 只需要改變電阻 Ｒ g 的值就可獲得不同的放大倍數(shù)，但在這里，信號(hào)中仍然含有干擾信號(hào)，所以放大器的放大倍數(shù)不宜取得太高，防止信號(hào)放大失真，為此取 Ｒ g 為5 kΩ的精密電阻，設(shè)計(jì)信號(hào)放大倍數(shù)為 11 倍，放大后的信號(hào)中仍含有多種頻率成分的噪聲，在這種情況下就要采用濾波措施，增加系統(tǒng)的信噪比。濾波電路采用單位增益的二階巴特沃斯低通濾波器，在梯形波形勵(lì)磁電路中勵(lì)磁頻率為 6． 25 Hz，所以有用信號(hào)的頻率也應(yīng)該為 6． 25 Hz，在此設(shè)計(jì)的低通濾波器的截止頻率為 33． 9 Hz。二次放大電路采用簡(jiǎn)單的同向放大電路，放大倍數(shù) 100 倍。信號(hào)經(jīng)兩次放大后，仍不滿足 A/D 采樣的要求，所以采用加法電路把電壓提升，在電路中，放大后的信號(hào)與VＲEF(由 LM385 得到)相加，使流量信號(hào)在 0． 6 V 上下波動(dòng)。

 

2． 4 單片機(jī)及外圍電路

       單片機(jī)采用超低功耗的 MSP430F4794，該單片機(jī)有一種活動(dòng)模式和五種低功耗模式，在活動(dòng)模式最大電流僅有 560 μA，在低功耗模式最小電流可達(dá) 0． 1 μA． 在勵(lì)磁時(shí)，每隔 10 s 單片機(jī)進(jìn)入活動(dòng)模式，且只持續(xù) 160 ms，其它時(shí)間則進(jìn)入低功耗模式。芯片內(nèi)部自帶 16 位的 A/D，測(cè)量精度高。內(nèi)部配備了最大可驅(qū)動(dòng) 160 個(gè)段的 LCD 驅(qū)動(dòng)模塊，與低功耗的段式液晶相連，實(shí)現(xiàn)流量的顯示。電路中設(shè)置了 4 個(gè)按鍵，可以在流量和累計(jì)流量之間切換，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置等。

 

3 軟件設(shè)計(jì)

       在軟件設(shè)計(jì)上，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括主程序、初始化子程序、中斷子程序、按鍵子程序、液晶顯示子程序等。圍繞低功耗，程序流程圖如圖 7 所示。程序中每隔 10 s 進(jìn)行一次勵(lì)磁，單片機(jī) A/D 采樣，計(jì)算顯示后單片機(jī)休眠，進(jìn)入低功耗模式。由于傳感器是感性線圈，即使采用三值梯形波勵(lì)磁，在勵(lì)磁電流變化時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，圖 5 中的電壓曲線即為此在程序中 A/D 采樣時(shí)忽略這部分波動(dòng)，只采樣中間的部分，多次采樣取平均值同時(shí)采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄇ蟮米罱K的勵(lì)磁電壓 U = (u 1 － u 2 ) － (u 12 － u 11 )，這種方法可以消除動(dòng)態(tài)的零點(diǎn)漂移，提高了測(cè)量精度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

       實(shí)驗(yàn)中，使用的實(shí)驗(yàn)裝置可以調(diào)節(jié)流速，一段時(shí)間內(nèi)流過的液體質(zhì)量可以稱重，通過計(jì)算來(lái)標(biāo)定流速和累積流量，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量管的直徑為 50 mm，得到以下幾組數(shù)據(jù)，通過 Matlab 軟件生成曲線，如圖 8 所示。從圖中可以看出，在流量較大時(shí)測(cè)量誤差控制在 0． 5% 以內(nèi)，在流量較小時(shí)誤差也控制在 3% 以內(nèi)，該方案在保證測(cè)量精度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了儀表的低功耗。