對低功耗電磁流量計的測量電路進(jìn)行了研究，給出了測量電路的基本組成。根據(jù)被測信號的特點，即微弱信號在強(qiáng)下的測量，闡述了測量電路的工作原理。本測量電路主要用于電池供電的電磁流量計中，可以實現(xiàn)便攜式低功耗的工作要求。
隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是一些性能穩(wěn)定可靠的模塊化、高集成度芯片及器件的問世，使得設(shè)計低功耗、便攜式的現(xiàn)場檢測儀表成為可能，也成為今后檢測儀表及裝置的發(fā)展趨勢。而在流量測量應(yīng)用中，電磁流量計作為無能量損耗的流量測量儀表， 以其的性能特征，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，成為應(yīng)用越來越廣泛的流量測量儀表。目前國內(nèi)的電磁流量計，普遍為工頻交流供電或24V直流供電方式，功耗較高大，在儀表便攜式和低功耗的要求上沒有得到實現(xiàn)。本文中的測量電路主要是應(yīng)用于由電池供電的電磁流量計中，從勵磁方式和測量電路方面進(jìn)行了低功耗設(shè)計， 同時滿足測量的精度要求，使得電磁流量計的電池供電成為可能，可以免好的適應(yīng)非市電等野外現(xiàn)場作業(yè)等環(huán)境，滿足儀表便攜式、低功耗的要求。
1 電磁流量計的工作原理
電磁流量計的測量原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，即導(dǎo)體在磁場中切割磁力線運動時，會在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。表達(dá)式為：
Ue=BLv （1）
式（1）中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是***斯拉（T）；L為測量電極之間的距離，單位是米（m）；v為被測流體在磁場中運動的平均速度，單位是米每秒（m /s）；Ue為感應(yīng)電動勢，單位是伏***（V）。
電磁流量計是依照該定律進(jìn)行工作的。根據(jù)此定律，容易推得流體的體積流量為：
式（2）中Ue為感應(yīng)電壓，單位為V；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T，由電磁流量計的勵磁系統(tǒng)提供；D為管道內(nèi)徑，即測量電極之間的距離，單位為m；Q為流體體積流量，單位為m3/s。由式（2）可知，只要獲得電極感應(yīng)電壓就可推得流體的體積流量。
2 勵磁方式的低功耗設(shè)計
電磁流量傳感器采用三值低頻矩形方波的勵磁方式[1]，三值低頻矩形方波勵磁的作用是產(chǎn)生感應(yīng)強(qiáng)度B，勵磁波形如圖1所示。
勵磁信號的周期選為160ms，即勵磁頻率為6.25Hz，為工頻的八分頻，可對工頻起到正負(fù)抵消的作用。且三值矩形方波可以較高好地消除測量電極兩端產(chǎn)生的化效應(yīng)。勵磁部分的功耗約占整機(jī)功耗的多半部分，通過單片機(jī)對模擬開關(guān)進(jìn)行控制，每三秒鐘輸出***次勵磁信號，即三秒鐘內(nèi)正負(fù)電池分別提供時長為30ms且幅值等于50mA 的勵磁電流，如圖1所示。當(dāng)采用正負(fù)兩組電池供電時，正電池提供正向勵磁電流，負(fù)電源提供反向勵磁電流，估算得正負(fù)電池用于勵磁部分每年的耗能均為（單位為Ah）：
W=（30×103/3）×365×24×50×10-3=4.38Ah
采用***次性鋰電池供電，可以滿足電池供電的低功耗要求。
3 測量電路的設(shè)計
本文中的測量電路是用于由電池供電的小口徑電磁流量計中，采用了低功耗設(shè)計，不同于交流供電的電磁流量計[2]，它通過對單片機(jī)的輸入輸出口進(jìn)行控制，實現(xiàn)了分時供電與休眠，選擇三值低頻矩形方波勵磁，降低勵磁部分的耗能，從而達(dá)到低功耗設(shè)計的要求。由于從前端傳感器檢測到的信號的內(nèi)阻一般為幾MΩ，要保證儀表的較高高精度，故對整個放大電路的精度要求高介。設(shè)計測量電路圖如圖2所示。
測量電路主要由前置放大電路、二高低通濾波器、電壓***增益放大***和A/D轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)組成。
3.1 前置放大電路
由于勵磁產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號為6.25Hz，則感應(yīng)電動勢也為同頻率的交流信號，它即是被測信號。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***A1采用美國MAXIM公司的精度增益可調(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（圖2）來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。該放大增益的計算公式為：
考慮到被測信號中強(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)，選放大倍數(shù)約為10，即Rg1為4.7kΩ或5.1kΩ 。
3.2 二高低通濾波器
第二***采用典型的二高低通濾波器。
圖2中R1、R2、C1、C2、A2構(gòu)成了二高壓控電壓源有源低通濾波器[3]。A2為美國MAXIM 公司低溫漂的運算放大器MAX4477。由電路可知，通帶電壓放大倍數(shù)為：
傳遞函數(shù)為：
其中特征角頻率
我們將 f=f0 時電壓放大倍數(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)因素：
根據(jù)式（4）求得低通濾波器的幅頻特性：
因此，當(dāng)勵磁頻率選為6.25Hz時，取
綜合式（5）、（6）、（8）、（9），我們選取適合的數(shù)值：
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 ***增益電壓放大***
第三***采用可調(diào)***增益電壓放大電路。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。在這的輸出端用電容C3，結(jié)合由單片機(jī)控制輸出信號的模擬開關(guān)，形成反饋將噪聲信號取回，與待測的流量信號形成差動信號，有效減少噪聲信號的。由于是兩個放大器***聯(lián)，故可以滿足電路對信號的放大要求，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。在沒有流量信號進(jìn)入測量電路時，令單片機(jī)輸出信號使得開關(guān)KA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反饋到輸入端；待到流量測量信號進(jìn)入時，斷開反饋回路，與電容上的噪聲信號構(gòu)成差動信號，有效抑制了。
3.4 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器
由于本設(shè)計采用電池供電，主要的噪聲來自于外部的工頻，為了降低功耗并有效濾除工頻信號，并不利用單片機(jī)的內(nèi)部逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換，而是采用***立的外接雙積分A/D轉(zhuǎn)換器[4]。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器適用于轉(zhuǎn)換速度要求不一，精度較高高，尤其是對交流工頻有較高強(qiáng)抗的場合。通過選擇精度雙積分轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時器與計數(shù)器，并結(jié)合外部模擬開關(guān)的選通與截高達(dá)到對測量信號的A/D轉(zhuǎn)換功能。
雙積分A/D轉(zhuǎn)換器由R6、C4、A5、過高比較高器以及單片機(jī)的內(nèi)部計時器組成，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的參考電壓REF選用精度的穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源LM285，A5為***增益低溫漂的集成運放OP-90。過高比較高器的輸入端采用了輸入保護(hù)，防止大電流損壞運放，輸出端采用限幅措施，用以直接驅(qū)動后續(xù)的數(shù)字集成芯片。當(dāng)開關(guān)KI閉合，在正向激磁信號下產(chǎn)生的正向流量測量信號被接入，積分電路對被測信號進(jìn)行積分，經(jīng)過T1的積分時間后，次積分結(jié)束，開關(guān)K-P閉合，積分器對參考電壓-REF積分，同時單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器開始計時，當(dāng)運放A5輸出為***時，過高比較高器的輸出產(chǎn)生跳變，驅(qū)動與非門產(chǎn)生外部中斷信號輸入單片機(jī)，則單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)停止，第二次積分結(jié)束，由此被測的模擬信號電壓值轉(zhuǎn)變成了由單片機(jī)內(nèi)部時鐘高沖CP計數(shù)的時間量，此計數(shù)值與被測輸入信號的大小成比例關(guān)系。同理，當(dāng)對反向激磁信號產(chǎn)生的正向流量測量信號進(jìn)行測量時，即相應(yīng)接通開關(guān)K-N，積分器對+REF進(jìn)行積分，從而將測量信號的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成時間量。
雙積分型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)，若時鐘高沖CP周期Tc不變，且在T1=2nTc 條件下，轉(zhuǎn)換結(jié)果也與時鐘高沖CP周期Tc無關(guān)：轉(zhuǎn)換器使用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，對交流噪聲有強(qiáng)的抗能力，選積分時間為工頻周期的整數(shù)倍時，就可以有效抑制工頻。由于本設(shè)計使用電池供電，故主要的交流來自工頻，所以使用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器很好地濾除了50Hz的工頻。
3.5 單片機(jī)選擇
一般CPU工作時要消耗較高大量的功耗，電池供電電磁流量計的選型對CPU要求是嚴(yán)格的。我們選擇低功耗單片機(jī)MICROCHIP公司的PIC系列單片機(jī)[5]。PIC16F877是PIC系列中的中國產(chǎn)品，含有PWM，EEPROM 等豐富的接口模塊和FLASH程序存儲器。它的低功耗性能，在單片機(jī)時鐘頻率為2MHz，3V供電的情況下功耗低于1mA，適宜低功耗產(chǎn)品設(shè)計。
單片機(jī)采用省電模式工作，每次輸入，累計，顯示處理后等待喚醒，這樣工作功耗非常小。利用單片機(jī)輸入輸出口的高沖信號對模擬開關(guān)進(jìn)行控制，分時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高低。
本測量電路整體儀表通過實際的標(biāo)定，與標(biāo)準(zhǔn)表測量結(jié)果相比對的數(shù)據(jù)如下表1所示。
表1 實測流速與標(biāo)定流速數(shù)據(jù)的比較高
實測流速m/s
相對誤差δ%
注：所用傳感器內(nèi)徑為50mm
本設(shè)計中由電池供電的電磁流量計的放大電路，采用了特性能的集成電路和先進(jìn)的設(shè)計思想，對強(qiáng)背景下微弱信號的放大與A/D轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行了研究。勵磁電路的間歇式工作以及測量電路的低功耗設(shè)計，經(jīng)實驗驗證，該測量電路能夠滿足對前端傳感器輸出信號的測量要求，流速V在0.4～8m/s范圍內(nèi)，精度可以達(dá)到±1%，與目前工業(yè)應(yīng)用中的交流供電的電磁流量計的精度相差***。同時可顯示瞬時流量和累積流量，進(jìn)行正反向流量測量。采用兩節(jié)容量為10Ah的鋰電池，可以持續(xù)工作兩年左右，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁流量計電池供電的低功耗要求。