CN101726334B - 基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统，包括高低压电源、电源切换电路、恒流控制电路、励磁线圈驱动电路、检流电路和励磁时序产生电路。励磁工作电源由高压电源和低压电源通过电源切换电路根据励磁电流响应情况切换分时提供以加快方波励磁电流响应速度和提高电源利用效率；恒流控制电路向励磁线圈驱动电路供电以使励磁电流稳态值恒定；励磁线圈驱动电路由H桥及其控制电路组成以实现方波励磁；检流电路跨接在H桥低端与参考地之间；励磁时序产生电路主要由用于电磁流量计信号处理的处理核心MCU等组成。该励磁控制系统能在保证电磁流量计零点稳定的情况下显著提高励磁频率范围、降低电路能耗、提高电源利用效率，以适用于浆液流体的精确测量。

Description

基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种采用高压电源和低压电源同时供电，由电源切换电路切换励磁工作电源，由恒流控制电路控制励磁线圈电流，实现高效率、高频率励磁的电磁流量计励磁控制系统。

背景技术

电磁流量计通过励磁线圈将磁场施加给被测流体，被测流体在磁场中运动感应出感应电动势，检测并处理该电动势信号即可获得流体流速，从而实现流量测量。当前，励磁方式主要是低频方波励磁，即由恒流源给励磁线圈供电，不断地切换励磁线圈中电流的方向，使得励磁电流在正负恒定值之间周期地变化。在励磁电流恒定期间，电磁流量传感器输出信号能够获得稳定的零点。然而，为了实现对浆液流体的测量以及提高流量计的动态响应性能，必须提高电磁流量计的励磁频率，这样周期变短，励磁电流就不容易进入稳态，从而传感器输出信号就不易获得稳定的零点。

中国发明专利公布了一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统(徐科军，杨双龙，王刚等.一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统，申请号：200910144878.1，申请日：2009.09.08)。这种励磁控制系统由恒流源电路、电流旁路电路、励磁线圈驱动电路、励磁时序产生电路和检流电路组成，采用高电压源供电，恒流源由线性电源搭建向励磁线圈驱动电路供电，电流旁路电路并接于线性电源输入输出端以解决能量耗散问题，励磁线圈驱动电路由H桥及其控制电路组成，检流电路跨接在H桥低端与参考地之间，数字信号处理器DSP控制多路开关及电平匹配器件产生时序，控制励磁线圈驱动电路的动作。其能有效提高励磁频率范围和励磁频率精度，适用于浆液测量的单频高频方波励磁或双频方波励磁，同时能提供准确的励磁电流信号，以修正流量信号处理结果。但这种电磁流量计励磁控制系统还存在以下不足：(1)由于采用高电压源供电，在方波励磁进入半周期稳态后，落在线性电源上的压降很大，从而使其热量耗散很大，电源利用效率低；(2)采用电源旁路电路虽能有效解决散热问题，但电路占板面积较大，且电源利用效率并未改善；(3)线性电源工作时，其输入输出压差存在限制，从而也限制了励磁频率的进一步提高。

发明内容：

本发明要解决已经申请专利中存在的一些关键技术问题，以提供一种在保证零点稳定的条件下励磁频率范围更宽、电源利用效率高、励磁频率精确、励磁电流检测准确且既能进行单频励磁又能进行双频励磁的电磁流量计励磁控制系统。

本发明改进的关键技术在于励磁控制系统的励磁电源部分与恒流控制部分，以提高电源利用效率、拓宽励磁频率范围。本发明所采用的技术方案是：由高压电源和低压电源共同组成励磁电源从而避免单一线性电源输入输出压差的限制，由电源切换电路根据励磁电流响应情况来选通励磁工作电源，励磁电流未达到电源切换设定值时切换高压源作为励磁工作电源以加快电流响应速度进而拓宽励磁频率范围，励磁电流超过设定值时切换低压源作为励磁工作电源以降低系统电路能耗、提高电源利用效率并保证稳态电流，高低压源均采用直流-直流变换(DC/DC)电压源；恒流控制电路由励磁工作电源供电，其由电流反馈部分和电压调节部分组成，电流反馈部分主要将检流电路所检测的励磁电流反馈给电压调节部分，电压调节部分由晶体管、比较器等构成置于励磁线圈驱动电路H桥高端调节励磁电压以稳定励磁电流。励磁线圈驱动电路、检流电路及励磁时序产生电路仍同已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统》中的励磁线圈驱动电路、检流电路及励磁时序产生电路，励磁线圈驱动电路中H桥高端桥臂采用流控器件PNP管作为开关管，低端采用压控器件MOS管作为开关管，励磁过程中实行H桥对角开关器件联动控制，从而保证在励磁的各个阶段中检流电阻检测励磁电流的准确性，H桥的开关控制电路由达林顿阵列管与三极管及电阻实现；检流电路由低阻值检流电阻组成位于H桥低端以准确检测励磁电流，同时保证H桥低端的稳定性；励磁时序产生电路由数字信号处理器(DSP)配合多路开关及电平匹配器件组成，从而提高励磁频率精度。

本发明系统包括：高低压电源1、电源切换电路2、恒流控制电路3、励磁线圈驱动电路4、检流电路5及励磁时序产生电路6，如图1所示。

所述高低压电源1由直流-直流变换(DC/DC)低压电源U1和直流-直流变换(DC/DC)高压电源U2组成，以为励磁控制系统提供高效率的励磁电源。

所述电源切换电路2由二极管D1和D2、PNP三极管T1、NMOS管Q1、运算放大器U3、电阻R1、R2和R3及基准源Vref组成。其中，基准源Vref及分压电阻R2、R3决定励磁工作电源切换时的励磁电流设定值。

所述恒流控制电路3由运算放大器U4、PNP三极管T2、NPN三极管T3、肖特基二极管D3、电阻R4及基准源Vref组成。其中，基准源Vref决定恒流控制中励磁电流的稳态设定值。

所述励磁线圈驱动电路4同已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统》中励磁线圈驱动电路2，由PNP三极管T4和T5、NMOS管Q2和Q3、NPN三极管T6和T7、限幅稳压管Z1、电容C1、达林顿阵列管U5、电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14组成。

所述检流电路5同已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统》中检流电路4，由精密电阻J1组成，接于H桥低端与地之间以准确检测励磁电流。

所述励磁时序产生电路6同已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统》中的励磁时序产生电路3，由数字信号处理器(DSP)配合多路开关及电平匹配器件组成，以实现精确励磁。

本发明的工作过程为：高低压电源1由电源切换电路2根据检流电路5所检测的励磁电流大小切换输出作为励磁工作电源，励磁电流未达到由基准Vref及分压电阻R2、R3设定的值时切换高压源U2输出作为励磁工作电源，励磁电流超过由基准Vref及分压电阻R2、R3设定的值时切换低压源U1作为励磁工作电源；恒流控制电路3由电源切换电路2输出的励磁工作电源供电，根据检流电路5所反馈的励磁电流大小来进行恒流控制使励磁电流稳态值稳定于由基准Vref设定的值，当励磁电流小于稳态设定值时控制提升恒流控制电路3输出电压以使励磁电流增大，当励磁电流大于稳态设定值时控制降低恒流控制电路3的输出电压以使励磁电流减小，恒流控制电路3的输出电压向励磁线圈驱动电路4供电；励磁线圈驱动电路4根据励磁时序产生电路6发出的励磁时序控制励磁线圈进行方波励磁。基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统原理图如图2所示。

附图说明

图1是本发明的励磁控制系统框图，

图2是本发明具体实施例励磁控制系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明是基于已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统》之上，改进其中的励磁电源部分和恒流控制部分。其目的是提高电源利用效率，在保证电磁流量计零点稳定的前提下进一步拓宽励磁频率范围，以为浆液测量中励磁频率的提高提供条件。本发明的设计思想是：通过电流负反馈恒流控制将励磁工作电压源转换为电流源，以为励磁线圈提供恒定的励磁稳态电流，具体实施时，于H桥高端进行恒流控制，反馈电流由H桥低端检流电路提供，进而在保证励磁电流准确检测和H桥稳定工作的同时实现恒流控制；励磁系统由高低压电源同时供电，通过高低压电源切换来选择不同励磁阶段的励磁工作电源，以使系统既能在高压电源下进行快速恒流控制又能在电流达到设定值时切换至低压供电进而降低恒流控制电路能耗、提高电源利用效率，进而为高效率高频率励磁提供条件。

本发明励磁控制系统的总体框图如图1所示。高低压电源1由电源切换电路2在不同励磁阶段向恒流控制电路3提供不同的励磁工作电源；恒流控制电路3向励磁线圈驱动电路4提供电源以进行稳态恒流励磁；励磁线圈驱动电路4接收励磁时序产生电路6发出的励磁时序信号并通过CD1端与CD2端为励磁线圈提供方波励磁电流；检流电路5检测励磁电流信号，以用于电磁流量计信号处理结果修正，并同时反馈至电源切换电路2和恒流控制电路3以分别用于电源切换控制和恒流控制；励磁时序产生电路6用于发出励磁时序信号，控制励磁频率和励磁方式(单频或双频)。

图2为本发明具体实施例电磁流量计励磁控制系统原理图。

高低压电源1由DC/DC低压源U1和DC/DC高压源U2组成，以为励磁控制系统提供高效率的高压电源和低压电源。

电源切换电路2由二极管D1和D2、PNP三极管T1、NMOS管Q1、运算放大器U3、电阻R1、R2和R3及基准源Vref组成。其中，基准源Vref及分压电阻R2、R3用于设定电源切换时的励磁电流设定值。当系统进行方波励磁，励磁电流稳定在恒流控制电路的设定值时，其反馈信号VFB大于电源切换设定值，因而由运放U3组成的比较电路输出低电平，NMOS管Q1不导通，三极管T1不导通，二极管D1正向导通，进而选通低压源U1作为励磁工作电源；当励磁方向突然切换时，由于励磁线圈的续流作用，励磁电流反馈信号VFB呈负值，小于电源切换设定值，因而运放U3比较输出高电平，NMOS管Q1导通，三极管T1饱和导通，二极管D1反向截止，进而选通高压源U2作为励磁工作电源；当励磁线圈中励磁电流方向改变并持续增大至超过电源切换设定值时，U3比较输出低电平，进而重新选通低压源U1作为励磁工作电源。

恒流控制电路3由运算放大器U4、PNP三极管T2、NPN三极管T3、肖特基二极管D3、电阻R4及基准源Vref组成。其中，基准源Vref决定恒流控制中励磁电流稳态设定值的大小。方波励磁当励磁方向突然切换时，励磁电流反馈信号VFB为负值，逐渐降低为0并翻转为正且持续增大，在其未达到Vref设定值时，运算放大器U4输出高电平，三极管T3、T4均饱和导通，此时励磁工作电源电压全部落在励磁线圈驱动电路4上以使励磁电流快速上升；当励磁电流上升至VFB接近Vref设定值时，U4输出控制T2、T3进入线性放大区，通过调节T2集射极间电压来调节励磁线圈驱动电路4的供电电压以使励磁电流上升速度降低并平滑过渡至平稳态；当励磁电流上升至VFB超过Vref时，U4输出低电平使T2、T3截止，进而降低励磁电流；当励磁电流下降至VFB小于Vref时，U4输出控制T2、T3重新调节励磁线圈驱动电路4的供电电压使励磁电流上升。方波励磁时，励磁电流反馈信号VFB周期性变化，恒流控制电路将周期性调节励磁电流使其快速进入稳态设定值。肖特基二极管D3对三极管T2起反向保护作用。

励磁电流反馈信号VFB未达到电源切换设定值(由Vref与R2、R3决定)时，电源切换电路2切换高压电源U2作为励磁工作电源，此时恒流控制电路3中的三极管T2饱和导通，因而高压电源U2能完全用于加速励磁线圈的电流上升速度，且T2管耗较低；当励磁电流反馈信号VFB上升至电源切换设定值(略小于励磁电流恒流控制稳态值)时，切换低压源U1作为励磁工作电源，T2逐渐由饱和区进入线性放大区，励磁电流趋近于稳态设定值，励磁线圈压降降低，此时低压源U1维持恒流控制同时能使T2管压降继续处于较低状态，进而降低T2管耗、充分利用励磁工作电源U1。

所述励磁线圈驱动电路4同已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统》中励磁线圈驱动电路2，由PNP三极管T4和T5、NMOS管Q2和Q3、NPN三极管T6和T7、限幅稳压管Z1、电容C1、达林顿阵列管U5、电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14组成。其功能是接收励磁时序产生电路6发出的励磁时序信号通过CD1端和CD2端对励磁线圈进行方波励磁。

所述检流电路5同已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统》中检流电路4，由精密电阻J1组成，接于H桥低端与地之间以准确检测励磁电流。

所述励磁时序产生电路6同已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统》中的励磁时序产生电路3，由数字信号处理器(DSP)配合多路开关及电平匹配器件组成，以实现单频或双频励磁，励磁频率精确。

Claims (3)

1.基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统，用于向电磁流量计励磁线圈提供方波励磁电流，从而给被测流体提供周期性变化的磁场，包括高低压电源、电源切换电路、恒流控制电路、励磁线圈驱动电路、检流电路、励磁时序产生电路，其特征在于：所述的高低压电源由直流-直流变换(DC/DC)低压电源U1和直流-直流变换(DC/DC)高压电源U2组成，为励磁控制系统提供高效率的励磁电源；所述的高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统由高压电源和低压电源通过电源切换电路根据励磁电流响应情况切换、分时向恒流控制电路提供，以加快方波励磁电流响应速度和提高电源利用效率；恒流控制电路向励磁线圈驱动电路供电以使励磁电流稳态值恒定；励磁线圈驱动电路由H桥及其控制电路组成以实现方波励磁；检流电路跨接在H桥低端与参考地之间；励磁时序产生电路主要由用于电磁流量计信号处理的处理核心MCU组成。

2.如权利要求1所述的基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统，其特征在于：电源切换电路由二极管D1和D2、PNP三极管T1、NMOS管Q1、运算放大器U3、电阻R1、R2和R3及基准源Vref组成；其中，基准源Vref及分压电阻R2、R3决定励磁工作电源切换时的励磁电流设定值；励磁电流反馈信号VFB由检流电路提供与该设定值比较以控制励磁方向切换：励磁电流未达到该设定值时，切换到高压电源作为励磁工作电源，励磁电流达到该设定值后切换到低压电源作为励磁工作电源。

3.如权利要求1所述的基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统，其特征在于：恒流控制电路包含电流反馈部分与电压调节部分，由运算放大器U4、PNP三极管T2、NPN三极管T3、肖特基二极管D3、电阻R4及基准源Vref组成；其中，基准源Vref决定恒流控制中励磁电流的稳态设定值，电流反馈信号VFB由检流电路提供与该设定值比较以进行恒流控制。

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