CN104061969B

CN104061969B - 一种电容式电磁流量信号转换器

Info

Publication number: CN104061969B
Application number: CN201410322764.2A
Authority: CN
Inventors: 赵辉; 詹惠琴; 杨红宇; 古军; 李云霞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2034-07-08
Also published as: CN104061969A

Abstract

本发明公开了一种电容式电磁流量信号转换器，采用两组E型磁轭并在开口处面对面结合在一起，以组成封闭回路，可以有效地防止工作磁场外泄。与此同时，用E型的硅钢片堆叠而成的两组E型磁轭，励磁线圈绕制在E型磁轭中间支出部分上，并且两组亥姆霍兹线圈串联、同轴排列，形状、尺寸和匝数完全相同；励磁信号输入给串联的亥姆霍兹励磁线圈后，在励磁装置的中间可产生磁场强度随励磁正弦信号变化而又均匀的工作磁场，由于产生的工作磁场比较均匀，而且硅钢片的导磁性很好，在测量管处的磁场很强，也提高了流量检测的灵敏度，这样可以有效地将流体流量转换为电信号输出，进一步提高电容式电磁流量计流体流量测量精度。

Description

一种电容式电磁流量信号转换器

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种电容式电磁流量信号转换器。

背景技术

流量检测的方法种类繁多，而其中技术较成熟的也有十多种。流量测量方法也没有统一的分类标准，按被测对象进行分类，可以分为明渠和封闭管道两类，若按仪表原理进行分类，又可以分为磁电式、压电式等，也可以按被测参数进行分类，则可以分为直接式和间接式。常用的流量测量方法有涡街式、差压式、超声波式、质量流量式和电磁式流量测量等。

电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律进行流量检测及测量的仪器。其基本原理为：导体在磁场中运动并切割磁力线时，导体自身会产生感应电动势，其强弱与磁场强度、导体速度及导体切割磁力线的有效长度成正比。具有一定导电率的流体在磁场中运动时亦可看作导体切割磁力线运动，其产生感应电动势公式为：

E＝BVD (1)

式(1)中，E为感应电动势，B为磁场强度，V为流体切割磁力线的平均速度，D为测量管道的直径(假设流体为满管流动)。当B为已知量、D为固定量时，只需检测E的大小就可以求出V，而根据公式

式(2)中，Q_v为体积流量，D为管道直径，便可计算出流体流量。

电磁流量计由于管道内壁光滑，不会阻塞管道或影响流体运动，而且主要利用流体的电导性，而不受流体的温度、密度、黏度等参数的影响。根据原理式(1)、(2)可知，其输出结果与流体的流量成正比关系，同时测量精度也较高，最好可优于±0.5％，而且其测量管道的管径可变范围较广，量程比最大也比高达100:1。

电容式电磁流量计是电磁流量计的一种，其出现弥补了传统电磁流量计的以下固有缺点，比如电极的更换问题，测量精度稳定性的问题及实时性差的问题等。其基本原理仍与传统电磁流量计一致，但是在实现技术上比传统电磁流量计有了突破性的改变。

电容式电磁流量计不把检测感应电动势的金属电极板与被测流体直接接触，而将金属电极板安装在测量管道的外壁，测量管道由绝缘性能很好的材料，如工业陶瓷，这样在金属电极板与流体间形成了一层绝缘衬里。正是由于绝缘衬里的隔离作用，在流体与金属电极板间便产生了静电耦合电容。我们知道，电容两端的电动势是互相作用的，只需要检测金属极板上的感应电动势大小，就可以推算出流体产生的感应电动势大小，最后根据式(1)、(2)计算流体流量大小。

电容式电磁流量计的金属电极板不与待测流体直接接触，因此不存在腐蚀、磨损及使用寿命的问题，同上也提高了测量的稳定性，并从根本上消除了金属电极板直接接触流体带来的电极极化噪声、流体流动噪声及泥浆噪声。除此之外，由于励磁频率较高、检测电路输入阻抗高等特点，还能有效检测一些电导率低的液体。

但现有的电容式电磁流量计也存在一定的缺陷，主要是灵敏度有待提高，并且励磁装置泄露的磁场会干扰外部空间内的检测电路，使测量精度无法进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电容式电磁流量信号转换器，通过提高检测灵敏度、降低检测电路的干扰，以有效地将流体流量转换为电信号输出，进一步提高电容式电磁流量计流体流量测量精度。

为实现上述发明目的，本发明电容式电磁流量信号转换器，包括：

一工作磁场发生模块，用于产生工作磁场；

一流量检测传感器，用于将流体切割磁场中磁力线产生的与流量相关的感应信号检出；

一信号检测调理模块，将流量检测传感器捕获的微弱的感应信号进行调理，最后输出与流量相关的电信号；

其特征在于，所述工作磁场发生模块由励磁信号发生电路和励磁装置组成；

励磁信号发生电路产生频率为150Hz的正弦波励磁信号，励磁信号输送给励磁装置，使其产生磁场强度随正弦波信号变化的均匀工作磁场；

励磁装置由两组亥姆霍兹励磁线圈和两组E型磁轭组成；每组E型磁轭用多片E型的硅钢片堆叠而成，然后在每组E型磁轭中间支出部分都绕制一组线圈即亥姆霍兹励磁线圈；两组E型磁轭的开口处面对面结合在一起，组成封闭回路的励磁装置；

两组亥姆霍兹励磁线圈串联相接，然后接励磁信号发生电路输出，使150Hz的正弦波励磁信号输入到串联的两组亥姆霍兹励磁线圈中；两组亥姆霍兹励磁线圈同轴排列，形状、尺寸和匝数完全相同；励磁信号输入给串联的亥姆霍兹励磁线圈后，在励磁装置的中间可产生磁场强度随励磁正弦信号变化而又均匀的工作磁场；

所述的流量检测传感器包括一段测量管道以及两个金属电极；测量管道的管壁为绝缘衬里，测量管道置于励磁装置中间位置，两组E型磁轭中间支出部分紧贴在测量管道外侧；两个金属电极对称地分别安装在测量管道外侧，其连线与两组E型磁轭中间支出部分的连线垂直相交于测量管道的圆心；

所述的信号检测调理模块，将测量管道上两金属电极获取的感应信号分别进行信号I-V(电流-电压)转换、带通滤波、放大，然后分别送入差分放大器的两个输入端，进行差分放大，并从两路感应信号中提取出与流量信号相关的电信号。

本发明的发明目的是这样实现的：

由于磁场容易在空间传播并干扰检测电路，本发明电容式电磁流量信号转换器，采用两组E型磁轭并在开口处面对面结合在一起，以组成封闭回路，可以有效地防止工作磁场外泄。与此同时，用E型的硅钢片堆叠而成的两组E型磁轭，励磁线圈绕制在E型磁轭中间支出的硅钢片上，并且两组亥姆霍兹线圈串联、同轴排列，形状、尺寸和匝数完全相同；励磁信号输入给串联的亥姆霍兹励磁线圈后，在励磁装置的中间可产生磁场强度随励磁正弦信号变化而又均匀的工作磁场，由于产生的工作磁场比较均匀，而且硅钢片的导磁性很好，在测量管处的磁场很强，也提高了流量检测的灵敏度，这样可以有效地将流体流量转换为电信号输出，进一步提高电容式电磁流量计流体流量测量精度。

附图说明

图1是本发明电容式电磁流量信号转换器一种具体实施方式原理示意图；

图2是图1所示FPGA和DAC模块原理框图；

图3是图2所示FPGA和DAC模块的电原理图；

图4是图1所示功率放大电路的电原理图；

图5是本发明E型磁轭的励磁装置与普通磁轭的励磁装置结构对比图；

图6是图5所示两种励磁装置的磁场对比图；

图7是本发明中励磁装置仿真的等比例建模图；

图8是图7所示励磁装置的磁感应强度标量图；

图9是图7所示励磁装置的磁感应强度矢量图；

图10是图1所示流量检测传感器结构示意图；

图11是图10所示流量检测传感器检测原理图；

图12是图1所示信号检测调理模块原理框图；

图13是图12所示I-V转换、带通滤波、放大的具体电路原理图；

图14是图12所示差动放大的具体电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

在本实施例中，如图1所示，本发明电容式电磁流量信号转换器包括工作磁场发生模块1、流量检测传感器2和信号检测调理模块3三部分构成。

1、工作磁场发生模块

工作磁场发生模块1由励磁信号发生电路和励磁装置两部分组成，其功能是由励磁信号发生电路产生频率为150Hz的正弦波励磁信号，励磁信号输送给励磁装置，使其产生磁场强度随正弦波信号变化的均匀工作磁场。

如图1所示，励磁信号发生电路通过FPGA产生十四位的正弦波数字信号，其频率为150Hz，并将正弦波数字信号输送给一个十四位的DAC模块，将其转换为正弦波模拟信号输出，然后将从DAC传输过来的正弦波模拟信号在功率放大电路放大后的正弦波信号将作为励磁装置的励磁信号输入。

在本实施例中，如图2所示，FPGA包括相位累加器和波形存储器，相位累加器利用信号的输出相位是逐次累加的，把一个周期内不同相位的正弦波信号幅值存储到波形存储器，接着设定好参考频率作为基准时钟，控制相位累加器读取已经存储在波形存储器中的相位/幅值，产生十四位的正弦波数字信号；

DAC模块包括DAC(数模)转换器和低通滤波器，产生十四位的正弦波数字信号由数模转换器转换成模拟信号输出，最后由低通滤波器对模拟信号波形进行整合滤波输出正弦波模拟信号。

在本实施例中，采用频率为50Mhz的晶振，在FPGA内部使用锁相环把信号进行倍频，并得到频率为80Mhz的信号作为相位累加器的参考时钟。相位累加器设置为16位，其最低位作为波形存储器和外部数模转换器的工作时钟，高十四位作为波形存储器的波形数据存储地址，这样可得到比较高的输出相位分辨率。然后通过C语言生成波形数据的数据表，并将数据包导入到FPGA的硬件波形存储器中。频率控制字的设置公式如下：

式(3)中，f_clk为相位累加器工作频率，即80MHz，N为波形存储器的地址位数14，根据需设定的频率控制字K的大小，即可得到150Hz的正弦波数字信号输出。

D/A模块将FPGA输出的十四位正弦波形数字信号转换为正弦波模拟信号输出。D/A转换的分辨率与波FPGA输出的数字信号位数相同，而且数字信号位数决定着D/A转换的精度，所以输出正弦波信号精度还是取决于FPGA的波形存储器中已经存储的正弦信号相位/幅值的容量大小。同时，D/A转换的工作时钟受FPGA工作频率控制，而且要不大于相位累加器的工作时钟频率，图3为FPGA与DAC的接口电路及输出。

通过FPGA与DAC电路组成的DDS信号发生电路，可以得到频率150Hz的正弦模拟信号。但是，在本实施例中，输出的正弦波模拟信号为两路差分电流信号，而且信号的功率也比较小。因此还需要对DDS的输出信号正弦波模拟信号进行变换及功放处理，具体的功率放大电路如图4所示。

功率放大电路主要功能为：首先将DAC输出的两路差分电流信号进行I-V转换，得到电压信号，电路中与运算放大器的反馈电阻并联的一个电容，该电容有作用为防止放大电路自激，而且反馈电阻与电容并联组成的RC电路也可以对信号进行低通滤波。其次，将转换后输出电压利用运放的负反馈进行放大，然后通过互补三极管推挽电路进行功率放大，电源电压VCC使用的为±12V。这样最终输出的150Hz正弦信号就能有足够的功率驱动励磁装置产生所需工作磁场。

励磁装置为两组亥姆霍兹励磁线圈及两组E型磁轭所组成。

由于磁场容易在空间传播并干扰检测电路，本发明设计的E型磁轭需要有效防止磁场外泄，并保证测量管道中的磁场强度。如图5所示，每组E型磁轭用多片E型的硅钢片堆叠而成，然后在E型磁轭中间即硅钢片中间支出部分绕制一组励磁线圈；两组E型磁轭的开口处面对面结合在一起，组成封闭回路的励磁装置。

在本发明中，用E型的硅钢片堆叠而成两组磁轭，励磁线圈绕制在叠成的E型硅钢片中间支出的硅钢片上，由于产生的工作磁场比较均匀，而且硅钢片的导磁性很好，在测量管道处的磁场很强。而且，两组堆叠而成的“E”型硅钢片组成了一个封闭回路，这样磁场就不会泄露到外部空间，流量检测传感器的检测电路也可以减少受到磁场干扰，图5为普通磁轭与本发明中E型磁轭的结构图对比图，其中，(a)为普通磁轭励磁装置，(b)为本发明E型磁轭励磁装置。

由于硅钢的导磁率远大于空气的导磁率，E型磁轭励磁装置的励磁线圈可以比普通磁轭励磁装置的励磁线圈更好地保持励磁信号，而且两个E型磁轭构成了封闭的磁路，使得工作磁场都保持在磁轭中间，不会泄漏到外部空间，使得外部空间内的流量检测传感器的检测电路不会受到励磁装置的干扰，而影响输出，两种励磁装置的磁场对比如图6所示，其中，(a)为普通磁轭励磁装置磁场磁路图，(b)为本发明E型磁轭励磁装置磁场磁路图。

可以从图6看到，普通磁轭的励磁装置很容易使得磁场外泄到外部空间，对流量检测传感器的检测电路有很大的影响，本发明E型磁轭绕组却很好地避免了这个问题，同时，为了验证本发明的励磁装置性能，对其进行了电磁场仿真实验，图7是本发明中励磁装置仿真的等比例建模图。

将励磁装置的参数按需求进行设定，然后进行磁场仿真，仿真结果如图8、图9所示。

在图8中，两组励磁线圈之间区域为磁场，其颜色与磁场强度对应关系在图左侧，可知，两组励磁线圈之间的区域磁场强度强并且磁密度大。根据磁场仿真结果可以知到，两组励磁线圈的中心轴线上的磁场颜色深，而越靠近外侧的颜色越浅，同时，励磁线圈中心轴线上区域的颜色变化小，这就说明励磁线圈中心轴线上的磁场最强、磁密度最大、而且在一定范围内是近似相等的。

图9是图7所示励磁装置的磁感应强度矢量图。由图9可以由此结果得到产生磁场的方向，图9中的磁场强度色彩刻度与磁感应强度的标量图中意义一样。通过观察磁场仿真的矢量图可知，中轴线附近磁力线都呈水平方向，而且色彩也是变化不大，由此可知，励磁线圈的中心轴线区域磁场为均匀的，测量管道的最佳放置位置是在励磁线圈的中心轴线上。

2、流量检测传感器

如图10所示，在本实施例中，流量检测传感器以PVC材料为绝缘衬里、外壁对称安装一对金属电极的测量管道，主要功能是捕获微弱的流量感应信号。

测量管道置于励磁装置中间位置，两组E型磁轭中间支出的硅钢片紧贴在测量管道外侧，在本实施例中，E型磁轭中间即硅钢片中间支出部分与测量管道外侧紧贴的接触面为弧形，使产生的磁场更为均匀。

两个金属电极为弧形并对称地分别紧贴安装在测量管道外侧，其连线与两组E型磁轭中间即硅钢片支出部分的连线垂直相交于测量管道的圆心。

另外，电容式检测技术的金属电极不与流体接触，而是将金属电极做成弧形，并紧贴在绝缘衬里的外壁。金属电极为电容的一个极板，流体为电容的另一个极板，绝缘衬里为介质，这样就构成了一个平板电容器。又因为电容两端的电动势是互相作用的，只需检测金属极板端的感应信号大小，就可以感觉感应信号值而计算出流体产生的感应信号，进而计算出流体流速和流量。

测量管道的内管壁必须具有以下特点：绝缘材料性好、导磁率低、电阻率高。因此，测量管道管壁使用了PVC塑料，管径设计为35mm。同时，金属电极必须为非导磁性材料，而且必须有较高的导电率。综合考虑，在本实施例中，选用铜片作为金属电极材料，即金属电极为铜片感应电极。铜片感应电极作为直接检测流量信号的敏感元件，其制作工艺也直接关系到流量测量的精度好坏，而且铜片感应电极如果裸露在外部空间中，很有可能受到外部磁场影响产生电涡流而影响到信号检测。所以，在本实施例中，还在金属电极四周设置了金属屏蔽罩，用于防止外部的噪声干扰。

流量检测的原理如图11所示。

3、信号检测调理模块

由于感应信号通过耦合电容会有容抗损失，对信号检测调理模块的检测电路的输入阻抗就有特殊要求如下：

式(4)中，R_in为检测电路输入阻抗，f为工作磁场频率，C为耦合电容容值。因此，检测电路必须要有很高的输入阻抗，而高输入电阻又使得电容式电磁流量检测技术可以达到较高的测量精度并能检测导电率很低的流体。

在本实施例中，信号检测调理模块如图12所示，主要功能为将测量管道上两金属电极获取的感应信号进行I-V转换、带通滤波、放大、差分等检测调理，并从两路感应信号中提取出与流量信号相关的电信号。

I-V转换电路的输入为金属电极，由于金属电极捕获的感应信号量值十分微弱，为了能够准确检测，对前端信号放大检测电路有很高的要求，要有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益和低噪声等特点，在本实施例中，所述I-V转换、带通滤波以及放大的电路如图13所示。

该电路将金属电极直接输入到运算放大器OP1的反相输入端，将运算放大器OP1的同相输入端通过电阻R1接地，反馈电阻R2接到运算放大器OP1的反相输入端与输出端，这样运算放大器OP1就通过“虚地”的方式构成了一个I-V(电流-电压)转换电路。

由于金属电极感应信号十分微弱，I-V(电流-电压)转换电路必须要有很高的转换比，为此，在本实施例中，使用的反馈电阻R2的阻值高达数百兆欧。同时，I-V转换电路的高转换比带来的问题就是噪声干扰变得十分敏感。为解决此问题，在本实施例中，如图13，在电流-电压转换后进行了带通滤波，其中心频率为150Hz，通带宽度设计为20Hz，滤除感应信号中的高低频的噪声，然后通过电阻R3、R4、R5以及运算放大器OP2组成的反相放大器进行进一步的信号放大。

差动放大电路如图14所示，由三个运算放大器组成，两路感应信号进过I-V转换、带通滤波以及放大后分别从两个运算放大器OP3、4的同相输入端引入，因为两个金属电极的感应信号为幅度值相等、方向相反的，所以使用差动放大电路来提取两个信号间包含的流量信息。三个运放组成的差动放大电路结构式很对称的，只要在选取电路周围的电阻时保持其精密性及对称性，电路的共模抑制比可以高达120dB。

差分放大后的信号再经过带通滤波，然后经过相关检测算法处理，提取出出与流量信号相关的电信号。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种电容式电磁流量信号转换器，包括：

一工作磁场发生模块，用于产生工作磁场；

所述的信号检测调理模块，将测量管道上两金属电极获取的感应信号分别进行信号电流-电压转换、带通滤波、放大，然后分别送入差分放大器的两个输入端，进行差分放大，并从两路感应信号中提取出与流量信号相关的电信号。

2.权利要求1所述的信号转换器，其特征在于，所述E型磁轭中间支出的硅钢片与测量管道外侧紧贴的接触面为弧形。

3.权利要求1所述的信号转换器，其特征在于，所述金属电极为弧形的铜片感应电极，并对称地分别紧贴安装在测量管道外侧，在金属电极四周设置了金属屏蔽罩，用于防止外部的噪声干扰。