CN102393225A - 具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统，包括可调低压源电路、高低压切换电路、恒流电路、旁路电路、H桥励磁电路、励磁控制电路、逻辑切换电路、电源检测电路、能量回馈电路、能量泄放电路。根据检流电阻上检测到的实际励磁电流与逻辑切换电路中设定的励磁电流阈值进行比较，从而获得控制逻辑对高低压切换电路与旁路电路进行控制，选择励磁工作用电压；旁路电路的引入，明显加快了线圈中励磁电流的响应速度；能量回馈电路储存励磁线圈回馈的能量；电源检测电路、能量泄放电路与切换保护电路对励磁系统进行上电、断电与故障保护。本发明可提高电源利用效率，加快励磁电流响应速度，拓宽励磁频率范围，提供电路故障保护。

Description

具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种采用高低压进行励磁的电磁流量计，特别是一种以高低压切换为核心，逻辑切换电路、恒流电路与旁路电路相结合，并辅以能量回馈电路、电源监测电路、能量泄放电路和励磁控制电路的高低压励磁系统。

背景技术

电磁流量计主要通过励磁电路给传感器中的励磁线圈提供励磁电流以产生一定强度的磁场，该磁场的方向与传感器中流体流动的方向垂直，当有一定速度的导电流体流过该磁场分布的区域时，将在该导电流体的两侧感生出一定强度的感应电动势，该电动势幅值的大小在磁场恒定时与流速成正比。通过对该感生电动势进行检测与处理，可以解调出流体的流速。现阶段，励磁方式主要采用低频方波励磁，即让励磁线圈中的电流以一定的频率在零电流值的正负两边进行交替变换，从而获得一个响应该励磁电流变化的励磁磁场。由于励磁线圈是感性负载，线圈中的励磁电流并不能突变。当励磁方向切换时需要经历一个过渡过程，即励磁电流从位于零电流值的一端向另一端过渡，并最终到达一个恒定的励磁电流值，称该过渡过程为励磁电流稳态的建立时间。为了获得一个稳定的零点，仅对励磁电流恒定的时间段内采集到的数据进行处理。对于不同电感值的励磁线圈，励磁电流稳态的建立时间长短有所不同，线圈的电感值愈大，建立时间愈长，稳态时间愈短；相反，电感值愈小，建立时间愈短，稳态时间愈长。然而，为了对浆液流体进行测量，消除低频浆液噪声干扰，需要提高励磁频率。对于电感值小的励磁线圈，在提高励磁频率后，仍可获得一个稳态时间，但是，相对于励磁频率低时的稳态时间就变短了；而对于电感值大的励磁线圈，提高励磁频率后，由于励磁电流稳态建立时间长，所以此时出现励磁进入不了稳态的情况，这就无法进行测量。

中国发明专利公布了基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统（徐科军，杨双龙，王刚等，基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统，申请号：200910251461，申请日：2009.12.23）。这种励磁控制系统由高低压电源、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。但是，这种电磁流量计励磁控制系统还存在以下不足：（1）恒流控制电路由于达林顿管与接在其基极的三极管的参数分布特性不好，使得在具体实现的时候，难以进行恒流控制；（2）采用普通的比较电路对电源切换电路进行控制，在具体实现的时候，由于环境中普遍存在噪声干扰，该噪声信号叠加在检流电阻的输出信号上，使得电源切换电路频繁地在高压与低压之间切换，输出的励磁电流不稳定。（3）在电路中，使用稳压二极管将线圈中存储的能量以热能的形式消耗掉，不利于减小系统的功耗与发热情况。

发明内容

本发明主要为了解决已经申请专利中存在的一些关键技术问题，以提供一种便于恒流控制、对于大电感性传感器，通过引入旁路电路，可以加快励磁电流的响应速度、电源利用效率更高、励磁频率精确、系统故障时能够及时做出保护动作的电磁流量计励磁系统。

本发明改进的关键技术在于：旁路电路、能量回馈电路、恒流电源、励磁系统的逻辑切换电路、电源监测与能量泄放、励磁控制电路部分，通过以上改进，可以提高电源的利用效率、对于大电感性负载可以加快电流的响应速度、拓宽了励磁频率范围、电路故障时可以提供保护。

本发明采用的技术方案是：由高压电源和低压电源共同组成励磁电源，高压励磁用以减小在励磁方向切换后励磁电流反向变化所用的过渡时间。低压励磁用以维持恒流励磁，并且减小恒流电源的功耗。且低压电源采用直流-直流变换电源（DC-DC），其输出电压可调，便于适应不同口径的传感器；逻辑切换电路根据励磁电流的大小与迟滞比较电路设置的阈值上限进行比较，做出逻辑判断，控制高低压切换电路与旁路电路的通断；恒流电路采用线性稳压芯片构成恒流源，对H桥励磁电路进行励磁，励磁电流精准可靠，温度特性好，且响应速度快；旁路电路起到对恒流电路辅助励磁的效果，它的引入，优化了恒流芯片的动态响应性能，允许励磁电流出现大的超调，从而减小了励磁电流进入稳态的时间；励磁电流进入线圈在上半个励磁周期存储的能量回馈到电路中被能量回馈电路储存，并在下半个励磁周期与高压电源一同对励磁电路进行励磁，提高了电源的使用效率，降低了系统的发热；电源监测电路从硬件上实现了在系统断电时，及时关断励磁时序信号，起到失压保护的功能，减少了开关管的损耗。与此同时打开能量泄放电路，将能量回馈电路中存储的能量快速泄放掉，避免危险。在系统上电时关闭泄放电路，减小不必要的电能损耗；励磁控制电路采用数字处理器(DSP)的外设脉冲宽度调制（PWM）模块，发出精准的励磁时序，经由带使能端的三态缓冲器送至高速光耦进行电平匹配，实现了模拟高压部分与低压数字部分的隔离，保证了系统的可靠性。H桥励磁驱动电路与检流电路在结构上同发明专利《基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统》中的励磁线圈驱动电路，在该电路中，H桥高端桥臂采用电流控制器件PNP管最为开关管，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监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。本发明在其基础上更换采用高耐压值的达林顿管与MOS管，且控制达林顿管通断的器件更改为高耐压值的MOS管，进一步降低了电路的功耗。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。

附图说明

图1是具有旁路和能量回馈电路的励磁系统框图。

图2是可调低压源电路。

图3是具有旁路和能量回馈电路的励磁电路图。

图4是逻辑切换基准电路图。

图5是H桥励磁电路图。

图6是励磁时序控制电路图。

图7是电源监测泄放电路图。

图8是电源监测基准电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的设计思想是：采用高低压切换进行励磁的方法可以加快传感器中励磁电流进入稳态的响应速度，但采用三极管搭建恒流控制电路不利于实现，所以改换为恒流芯片进行恒流励磁。采用恒流芯片这种方法可以应用于电感值较小的传感器线圈，但是，对于电感值较大的传感器线圈，这种励磁方法提高响应速度的效果不明显，无法进一步提高励磁频率，所以，引入了旁路电路。采用旁路电路后，可以明显提高响应速度，减小响应时间，这便于励磁频率的进一步提高。对于传感器中存储的能量，这里采用能量回馈电路，将这部分能量吸收，再在后半个励磁周期作用在高压电源上，一同进行励磁，实现了能量的二次利用。在电路中加入了保护电路，避免了可能遇到的故障问题。为了避免潜在的危险，将高压励磁部分与低压励磁控制部分进行隔离，这里采用高速光耦，避免了励磁时序的延时。

本发明励磁系统的总体结构如图1所示。有以下几部分组成：高低压电源1、高低压切换电路2、逻辑切换保护电路3、旁路电路4、恒流电路5、励磁控制电路6、检流电阻7、电源检测8、能量泄放电路9及能量回馈电路10。 

本发明系统的工作过程为：当检流电阻上检测到的实际励磁电流小于逻辑切换电路中设定的励磁电流阈值时，逻辑切换电路发出导通信号给高低压切换电路，使得高压励磁电路导通；逻辑切换电路同时发出导通信号给旁路电路，此时，旁路电路对恒流电路进行旁路，H桥励磁电路通过接在高压源上的旁路电路对H桥励磁电路进行高压励磁，这一过程有效地加快的传感器中励磁电流的响应速度；励磁控制电路发出一定频率的励磁信号使得H桥对臂联动分时导通，从而对线圈进行励磁。当检流电阻上检测到的实际电流大于逻辑切换电路中设定的励磁电流阈值时，逻辑切换电路发出切换信号给高低压切换电路，使得高压励磁电路关断；逻辑切换电路同时发出关断信号给旁路电路，此时旁路电路不对恒流电路进行旁路，H桥励磁电路通过接在低压源上的恒流电路进行恒流励磁，这一动作有效地降低了系统的功耗，从而使得系统的工作温度得到降低；励磁控制电路发出一定频率的励磁信号使得H桥对臂联动分时导通，从而对线圈进行励磁。采用上述工作方法对大电感值励磁线圈进行励磁，可以明显地提高响应速度、降低系统的功耗。

下面根据系统的工作过程，配合系统的结构布局，结合附图进行详细说明。

系统的高压励磁电源采用系统电源中自带的高压进行供电。低压励磁电源使用降压型DC-DC进行降压后的电源，该输出电源可以调节，如图2。由于不同口径的传感器其内部的阻抗并不相同，在励磁电流不变的情况下，接在不同口径的励磁线圈上，恒流电路的两端的压差会有差异，压差大，则发热厉害；压差小，则不能正常工作，所以将低压电源设置为可调节，便于选取最佳工作电压，降低系统发热，同样便于适应不同规格的传感器。如图2所示，可调低压源电路包括DC-DC芯片U1，保险丝F1，二极管D2，D3，肖特基二极管D4，电容C1、C5、C9、C10、C11、C12、C14，电阻R4，R5、R7，R8，R9，可调电阻R6，LED灯DS1。C9、C10为输入滤波电容，C11、C12为输出滤波电容，R4、R6相串后与R9的比值确定了降压型DC-DC的输出电压。通过调节R6即可获得所需电压ADJ。

在具有旁路和能量回馈电路的励磁电路图中，包括了高低压切换电路、逻辑切换电路、旁路电路、恒流电路、能量回馈电路，如图3。检流电阻上获得的信号CUR与迟滞比较电路中设定的比较阈值Vref1进行比较，该阈值由电阻R31与R32进行设置。当CUR<Vref1的上限时，比较器U12A的输出为高电平，经过同相施密特触发器U11进行波形锐化后，施加在MOS管Q6的栅极，使得Q6管导通。与此同时，达林顿三极管Q4,Q5同时导通，恒流源芯片U9相当于被Q5短路，高压HV经过保险丝F2，二极管D7、D8，达林顿三极管Q4，Q5直接向H桥励磁电路供电。当CUR>Vref1的上限时，U12A的输出为低电平经过同相施密特触发器U11后作用在Q6的栅极，使得Q6关断。此时，Q4、Q5管也被关断，高压源被切断，取而代之的为DC-DC输出的低压源ADJ。经过二极管D6、D7后，通过恒流源芯片U9给后端桥路供电，电阻R21决定了励磁电流的大小。由于励磁线圈是感性负载，在上半个励磁周期结束后，内部储存有一定的能量，在下半个周期进行反向高压励磁时，线圈内部的励磁电流不能突变，而电压则可以突变，所以线圈内部存储的能量在外部高压输入的抬升下被强制升高，内部电流流过齐纳稳压二极管Z1，二极管D5，被存储在由电容C25、C26，电阻R22，齐纳稳压二极管Z2，二极管D8构成的能量回馈电路中。如图3所示，高低压切换电路包括达林顿三极管Q4，电阻R25，MOS管Q6；逻辑切换电路包括比较器U12A，施密特触发器U11，电阻R31、R32、R33、R34、R35，电容C27、C28，齐纳稳压二极管Z7。Z7用于保护迟滞电路，防止Q6被击穿后，带来更层次深的破坏；旁路电路包括达林顿三极管Q5，电阻R26，MOS管Q6；恒流电路包括线性稳压芯片U9，电阻R21，齐纳稳压二极管Z1。R21用来设置恒流源的输出电流值；能量回馈电路包括电阻R22，电容C25、C26，齐纳稳压二极管Z2，二极管D8。

逻辑切换基准电路（图4）为图3中的逻辑切换电路的迟滞比较环节提供基准Vref1，通过调节R12，可以改变比较阈值的下限。如图4所示，逻辑切换基准电路包括基准源U5，运放U2A，电阻R10、R11、R12，电容C15、C16、C17。U5提供基准源，经过R11与R12分压，再由运放跟随，进行阻抗匹配。

经过前端电路变换后的电源对H桥励磁桥路进行励磁，如图5所示，CON1与CON2为互补出现的励磁控制时序。U10为电平转换芯片，当CON1为高，CON2为低时，T4的栅极为低，T3的栅极为高，且CO1为低，CO2为高，则T5的栅极为低，导致MOS管T5关断，T6的栅极为高，MOS管T6导通。从而T1与T4构成的桥路关断，T2与T3构成的桥路打开，励磁电流流向为：首先经过T2，然后从下至上流过励磁线圈L1，再流过T3，最后经过检流电阻J1到地。当CON1为低，CON2为高时，励磁电流流向为：首先经过T1，然后从上至下流过励磁线圈L1，再流过T4，最后经过检流电阻J1到地。在这两种控制时序下，线圈中的励磁电流方向交替变换。如图5所示，H桥励磁电路包括电平匹配芯片U10，达林顿三极管T1、T2，MOS管T3、T4、T5、T6，励磁线圈L1，电阻R23、R24、R27、R28、R29、R30、R36、R37，检流电阻J1。

H桥励磁桥路的导通由励磁控制时序来决定，如图6所示，DSP的PWM模块发出的励磁控制时序CT_1、CT_2经过三态缓冲器U2后，输出控制信号CON_1、CON_2，这两个控制信号再经过高速光耦U13进行电平转换与电磁隔离，最终得到的励磁控制时序CON1、CON2输出给H桥励磁电路的U10（如图5）作为励磁控制时序。使用高速光耦可以将励磁控制信号的延时减至最小，而且将高压励磁部分与低压控制部分隔离开，保障了电压电路的安全。三态缓冲器U2的使能端1OE连接了一个用二极管D2，D3搭建的“或”门电路。BUFEN1接在DSP的一个GPIO上，BUFEN2接在电源监测电路中MOS管Q7的栅极（如图7）。BUFEN2经过电阻R1、R5分压后，再由施密特触发器U3进行电平匹配。当BUFEN1或BUFEN2中一个为高电平时，U2的使能端跳变成高电平，从而使得励磁控制时序被禁止输出，从而达到关H桥励磁桥路的目的。这种电路的设置，可以在电路故障时从硬件与软件上对电路进行保护。如图6所示，励磁时序控制电路图包括施密特触发器U3，三态缓冲器U2，高速光耦U13，DSP的PWM模块，二极管D2、D3，电阻R1、R2、R5、R6、R39、R41、R45、R46，电容C1、C4、C29。

电源监测泄放电路中包括了电源监测与能量泄放电路。如图7所示，GETHV接在高压电源的保险丝F2的后端（如图3）。该电平信号经过R42与R47分压后，输入到迟滞比较电路中比较器U12B的反相端，比较器输出的逻辑电平再经过施密特触发器U14，送至MOS管Q7的栅极，控制Q7的通断；RELEASE接在能量回馈电路中电容C26的阳极端（如图3）；BUFEN2接在励磁时序控制电路中R1的左端（如图6）。系统电源掉电时，当经过电阻R42、R47分压得到的电平信号小于迟滞比较电路中设定阈值的下限时，U12B输出高电平，经过U14进行信号边沿锐化后，加在MOS管Q7的栅极，使得Q7管导通，电容C26中储存的能量得以通过R38快速泄放，避免带来危险。与此同时BUFEN2得到一个高电平，送至励磁时序控制电路中三态缓冲器U2的使能端，关闭励磁时序，从而关闭H桥励磁桥路，避免了由于断电瞬间造成的励磁电压掉落，导致逻辑切换电路频繁做出逻辑开关控制，致使电路出现大电流脉冲这一现象的发生，从而延长了被控器件的寿命。系统上电时，当经过电阻R42、R47分压得到的电平信号大于迟滞比较电路中设定阈值的上限时，U12B输出低电平，Q7管关断，避免了高压电源经过电阻R38直接对地放电。与此同时，BUFEN2得到一个低电平，使得三态缓冲器打开，励磁控制电路正常工作。如图7所示，电源监测泄放电路包括比较器U12B，施密特触发器U14，MOS管Q7，电阻R38、R40、R42、R43、R44、R47，电容C30，稳压二极管Z8。

电源监测基准电路（图8）为图7中的迟滞比较电路提供基准Vref2，通过调节R3，可以改变比较阈值的下限。如图8所示，电源监测基准电路包括基准源U4，运放U2B，电阻R1、R2、R3，电容C2、C3、C4。U4提供基准源，经过R2与R3分压，再由运放跟随，进行阻抗匹配。

Claims (8)

1.具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统包括：可调低压源电路、高低压切换电路、恒流电路、旁路电路、H桥励磁电路、励磁控制电路、逻辑切换电路、电源检测电路、能量回馈电路、能量泄放电路；其特征在于：

根据检流电阻上检测到的实际励磁电流与逻辑切换电路中设定的励磁电流阈值进行比较，从而获得控制逻辑对高低压切换电路与旁路电路进行控制，选择励磁工作用电压；旁路电路的引入，明显地加快了线圈中励磁电流的响应速度；能量回馈电路储存励磁线圈回馈的能量；电源检测电路、能量泄放电路与切换保护电路对励磁系统进行上电、断电与故障保护。

2.如权利要求1所述的具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统，对于可调低压源电路，其特征在于：低压励磁电源使用直流-直流变换电源（DC-DC）进行供电，且低压励磁电压值可以进行调节，由于不同口径的传感器其内部的阻抗并不相同，在励磁电流不变的情况下，接在不同口径的励磁线圈上，恒流电路的两端的压差会有差异，压差大，则发热厉害；压差小，则不能正常工作，所以将低压电源设置为可调节，便于选取最优工作电压，降低系统发热，同样便于适应不同规格的传感器。

3.如权利要求1所述的具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统，对于能量回馈电路，其特征在于：能量回馈电路使用电阻、电容与稳压二极管来吸收上半个励磁周期时，励磁线圈存储的并回馈前级电路的能量；在下半个励磁周期时，与高压电源协同工作，对电路进行励磁；与将这部分能量转化为热量的方法相比，减小了系统的热耗散，且提高了能量的使用效率。

4.如权利要求1所述的具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统，对于能量泄放电路，其特征在于：在系统断电时，能量泄放电路中的迟滞比较电路将电源监测电路上的得到的电压值与设定的阈值进行比较，然后输出控制逻辑使得泄放电路导通，从而将能量回馈电路中存储的能量及时泄放掉，以保证安全；同时，这个逻辑信号关断励磁控制电路，使得H桥励磁电路完全关断，避免了由于断电瞬间造成的励磁电压掉落，导致逻辑切换电路频繁做出逻辑开关控制，致使电路出现大电流脉冲这一现象的发生，从而延长了被控器件的寿命；在系统上电时，泄放电路及时关断，防止构成无谓的能量损耗回路。

5.如权利要求1所述的具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统，对于逻辑切换电路，其特征在于：检流电阻将检测到的励磁电流送至逻辑切换电路，与其中的迟滞比较电路设定的阈值进行比较，进而输出控制逻辑，对高低压切换电路与旁路电路进行通断控制，旁路电路对恒流电路进行辅助励磁，缩短了励磁过程中的上升时间与恒流芯片的恒流调节时间，加快了励磁线圈的响应速度，使得后续采用更高的励磁频率成为可能。

6.如权利要求1所述的具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统，对于恒流电路，其特征在于：恒流电路采用线性稳压器构成恒流源的形式，对H桥路进行恒流励磁控制，保证了励磁电流的平稳性与快速性，从而利于提高电磁流量计的测量精度。

7.如权利要求1所述的具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统，对于励磁控制电路，其特征在于：励磁控制电路通过数字处理器（DSP）的脉冲宽度调制 （PWM） 模块发出励磁时序，经由多路缓冲器送至高速光耦进行电平匹配，然后作为H桥励磁控制信号，对励磁线圈进行励磁；数字处理器（DSP）的脉冲宽度调制（PWM）模块保证了励磁频率的精准，同时保证了励磁方式的灵活多变；多路缓冲器的使能功能为保护功能的实现提供了可能；高速光耦保证了励磁时序信号的高速传递。

8.如权利要求1所述的具有旁路和能量回馈电路的电磁流量计高低压切换励磁系统，对于H桥励磁电路，其特征在于采用对臂联动的结构，使用高耐压的达林顿三极管与MOS管搭建励磁桥臂，保证了高压励磁的可靠进行，同时达林顿三极管的使用对于快速开关桥臂电路提供了可能，MOS管为压控型器件，正常工作时，工作电流接近为0，降低工作能耗。

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