CN107478279A - 电磁流量计及其励磁电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁流量计，通过对励磁电路进行优化设计，降低励磁过冲引起的正交干扰造成的测量读数误差。本发明的电磁流量计包含励磁线圈，其中，电磁流量计还包含一励磁恒流源电路，励磁恒流源电路包含：一电源模块、一单片机、一音频开关、一电源滤波电路、一励磁切换桥、一恒流源电路；单片机包含一PWM输出端，按信号流向，PWM输出端、音频开关、以及电源滤波电路、以及励磁切换桥依次连接；励磁线圈接在励磁切换桥中；一差分运放的两输入端分别与励磁线圈的一端和另一端相连，其输出端连接于单片机的ADC端；恒流源电路接在励磁切换桥下端。本发明还提供了一种电磁流量计的励磁电压调节方法。

Description

电磁流量计及其励磁电压调节方法

技术领域

本发明涉及一种测量在测定管内流动的被测定流体的流量的电磁流量计、以及电磁流量计的励磁电压调节方法。

背景技术

电磁流量计采用电磁原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量被测定管内的流体的流量，其传感器将流体流过的体积转换为电信号，经转换电路处理后，输出流量显示。电磁流量计的传感器由测量管组件、励磁系统、电极以及抗干扰调整系统组成。

如图1所示，转换器输出励磁电流，并通过励磁线圈在测量管上产生一个垂直于测量管中心轴线的磁场B，测量管直径为D，测量管内液体流动速度为V，在测量管侧壁安装一对电极，由于导电流体流动时，导电流体中的电子切割磁力线，产生和磁力线方向以及运动方向垂直的偏移，从而在电极之间产生和流速成正比的电势差E。由法拉第磁感应定律：E＝B×D×V，而B和D为常数，所以只要测出电极的电势差E，就能得到流速V，从而算出体积流量qv＝V×π×(0.5×D)2。由于电极上的电势差会在电极形成极化反应，造成即使没有流速，电势差也有一定的残余值，这样就会造成测量误差。因此，电磁流量计的励磁信号是交变信号。

电极通过测量管内的介质(导电流体)加上导线，形成一个闭合线圈。在电磁流量计设计时，励磁线圈与这个闭合线圈理论上应当安装在同一平面上。但由于安装工艺精度的限制，无法保证这个闭合线圈和励磁线圈在同一个平面上。因此不可避免的会有磁力线从电极形成的线圈中穿过，形成相当于变压器的一个次级线圈。这样交变的磁场就会在电极回路中产生干扰电流，导致测量产生误差。这种干扰被称为“变压器效应”，产生的干扰被叫做“正交干扰”。而励磁信号一般由基于电压负反馈的恒流源构成，由于恒流源在输出开路或方向切换的时候，输出电压会达到供电电源最大值。因此在励磁开关接通或切换瞬间，励磁磁场会出现过冲。

如图2所示，每个切换的尖峰就是励磁电压在切换瞬间发生的过冲信号。这个过冲信号就会在电极上产生一个形状相似的过冲信号。如果刚才提到的电极和线圈的安装不在绝对的同平面上，那么两者之间的夹角越大，过冲信号也越大。虽然可以通过低通滤波电路过滤这个过冲信号，但是仍然会在最后的计算结果上，产生一个误差，使得流速比较低的时候，相对误差表现特别突出到超过流量计允许的误差，造成产品不合格。目前主流是在电磁流量计中采用大于1MΩ的电阻和大于4.7uF的电容蓄能，从而把励磁切换的输出电压快速钳位在一个合适的电压，以期减小正交干扰对流量读数的影响，但在流量变化较大时抗正交干扰反应较慢，且在流体处于小流量状态时抗正交干扰效果有限。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电磁流量计，通过对励磁电路进行优化设计，降低励磁过冲引起的正交干扰造成的测量读数误差。

为实现上述目的，本发明的电磁流量计包含励磁线圈，其中，电磁流量计还包含一励磁恒流源电路，励磁恒流源电路包含：一电源模块、一单片机、一音频开关、一电源滤波电路、一励磁切换桥、一恒流源电路；电源模块连接第一直流输入电压，输出第二直流输出电压给单片机供电，第二直流输出电压比第一直流输入电压低；单片机包含一PWM输出端，按信号流向，PWM输出端、音频开关、以及电源滤波电路、以及励磁切换桥依次连接；音频开关还与第一直流输入电压相连；励磁切换桥包含一第一高端开关、一第二高端开关、一第一低端开关、一第二低端开关，其中第一高端开关、第一低端开关相连形成励磁切换桥一侧，其中第二高端开关、第二低端开关相连形成励磁切换桥另一侧，电源滤波电路输出端与第一高端开关、第二高端开关相连；励磁线圈的一端接在第一高端开关与第一低端开关之间，励磁线圈的另一端接在第二高端开关与第二低端开关之间；一差分运放的两输入端分别与励磁线圈的一端和另一端相连，其输出端连接于单片机的ADC端；恒流源电路包含一基准电源、一第二运放、一场效应管、以及一采样电阻，基准电源产生的基准电压输出到第二运放的同相输入端，第二运放的反相输入端连接到一端接地的采样电阻上，场效应管的三个端子分别连接于第二运放的输出端、第一低端开关和第二低端开关之间、以及采样电阻上。

进一步地，第一直流输入电压为24V。

进一步地，第二直流输出电压为3.3V。

进一步地，励磁切换桥的动作逻辑关系如下：

第一高端开关	第二高端开关	第一低端开关	第二低端开关	励磁线圈
					ON	OFF	OFF	ON	正向导通
ON	ON	OFF	OFF	断开
					OFF	ON	ON	OFF	反向导通

进一步地，第一高端开关、第二高端开关、第一低端开关、第二低端开关均为场效应管。

本发明还提供了一种上述电磁流量计的励磁电压调节方法，电源滤波电路输出端电压为Vout，励磁线圈的一端的电压为V4，另一端的电压为V3，第一低端开关和第二低端开关之间的电压为V2，采样电阻上的电压为V1，其特征在于，励磁电压调节方法包含步骤：

a.测试V4-V3的电压差；

b.计算得到励磁线圈的电阻RL，其中电阻RL的励磁电流I恒定；

c.计算得到产生最小过冲所需要的Vout电压；

d.单片机调节PWM端的PWM输出占空比，电源滤波电路的输出端输出该产生最小过冲所需要的Vout电压。

进一步地，单片机内部存储有一PID闭环计算方法，根据一电压设定值、以及反馈回来的励磁线圈两端的电压差V4-V3计算得到PWM端的PWM占空比。

进一步地，电压设定值根据测量得到的励磁线圈阻抗RL和其他开关器件所需要的最佳压降计算给出。

通过改进产生励磁的恒流源电路，采用单片机替代电源管理芯片，本发明的电磁流量计能采用智能电源控制方式，适应各种不同内阻的励磁线圈。且本方案采用单片机智能控制输出电源，输出稳定性能不取决于电子元器件的特性，这样可以通过实际测试找到最佳性能点，大大降低励磁过冲引起的正交干扰造成的测量误差。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

图1是现有技术电磁流量计的工作原理的结构示意图。

图2是现有技术的电磁流量计在励磁开关接通和切换瞬间，励磁磁场出现过冲信号的图谱。

图3是本发明首选实施方式的电磁流量计的励磁恒流源电路的电路图。

图4是本发明首选实施方式的电磁流量计的励磁恒流源电路的Vout电压计算流程图。

具体实施方式

如图3所示的是本发明首选实施方式的电磁流量计的励磁恒流源电路。

该励磁恒流源电路包含连接第一直流输入电压11的电源模块1。优选地，第一直流输入电压11为24V直流电。优选地，电源模块1采用一直流隔离电源模块，其内部有变压器，将第一直流输入电压变为第二直流输出电压12，第二直流输出电压12比第一直流输出电压11低且在电气上相互隔离，能够抗外部电磁干扰。较低的第二直流输出电压12用于给数字电路(包括后面提到的单片机和其他数字电路)供电。优选地，第二直流输出电压为3.3V。

该励磁恒流源电路还包含一单片机2、一音频开关3、一电源滤波电路4、一励磁切换桥20。

在本首选实施方式中，励磁恒流源电路的励磁电压调节实现如下：

通过利用单片机的PWM(PWM：脉冲宽度调制)输出端，输出50kHz的脉宽调制波形，驱动音频开关3，产生一个幅度为24V的脉宽调制波信号，然后经过电源滤波电路4，变为直流电源，直流电源的电压Vout和PWM占空比成正比，通过调节PWM占空比就可以实现单片机对输出电压Vout的调节。

励磁切换桥20包含一第一高端开关5、一第二高端开关6、一第一低端开关7、一第二低端开关8。

输出电压Vout接励磁切换桥20，并且处于第一高端开关5和第二高端开关6之间。励磁线圈9的两端分别接在第一高端开关5与第一低端开关7之间、以及第二高端开关6与第二低端开关8之间，励磁线圈9的两端的电压分别是V4、V3。励磁线圈9的内阻为RL。

通过控制这些开关的通断，来切换励磁线圈9的极性和通断。励磁切换桥的动作逻辑关系如下表：

第一高端开关5	第二高端开关6	第一低端开关7	第二低端开关8	励磁线圈9
					ON	OFF	OFF	ON	正向导通
ON	ON	OFF	OFF	断开
					OFF	ON	ON	OFF	反向导通

当接通第一高端开关5、第二低端开关8，关断第二高端开关6、第一低端开关7，电流从励磁线圈9左侧一端流向右侧，为正向导通。

当接通第二高端开关6、第一低端开关7，关断第一高端开关5、第二低端开关8，电流从励磁线圈9右侧一端流向左侧，为反向导通。

当接通第一高端开关5、第二高端开关6，关断第一低端开关7、第二低端开关8，励磁线圈9剩余电磁能从5、6迅速泄放后，励磁线圈断开。

优选地，第一高端开关5、一第二高端开关6、一第一低端开关7、一第二低端开关8均采用场效应管，它们的G管脚分别与单片机2的四个IO端子相连。

该励磁恒流源电路还包含一差分运放10，差分运放10的两输入端分别和励磁线圈的V4、V3端相连，差分运放10的输出端和单片机ADC端(ADC：模拟信号-数字信号转换)连接，从而采集励磁线圈9两端的电压V4、V3给单片机2的ADC端，单片机2根据电压差V4-V3以及后面要提到的恒定的励磁电流I可以计算出励磁线圈的电阻RL。

该励磁恒流源电路还包含一恒流源电路30。优选地，恒流源电路30提供稳定的励磁电流I，包含一运放31、一场效应管32、一精密基准电源33、以及一采样电阻Rf。场效应管32的三个端子分别连接于运放31的输出端、第一低端开关7和第二低端开关8之间、以及一端接地的采样电阻Rf上。场效应管32接电阻Rf端电压为V1，与第一低端开关7和第二低端开关8之间相连端的电压为V2。精密基准电源33通过其内部的集成芯片产生一基准电压，供给运放31的同相输入端。运放31的反相输入端与电阻Rf连接。

当传感器安装无法保证精度时，正交干扰客观存在。本发明的电磁流量计尽可能降低励磁线圈两端的电压过冲，将其稳定在一个比较合适的工作电压，避免在接通瞬间电压上升到24V。

基于上述的首选实施方式的电磁流量计的励磁恒流源电路及具体参数，恒流源电路30产生恒定的励磁电流I，采样电阻Rf两端产生恒定电压V1，恒流源场效应管31上方电压V2，低端切换开关上方电压为V3，励磁线圈上方电压V4，励磁电源调节输出电压Vout，各部分电压/电压差如下表所示：

电压/电压差	算式
		V1	I×Rf
V2-V1	0.8V
		V3-V2	取决于调节电压
V4-V3	I×RL
		Vout-V4	0.8V

根据表格，各部分的电压差除了V3-V2是变化的，其它各部分都是确定的。V3-V2的压降最合适值是0.8V左右。

在其他实施方式中，采用与本首选实施方式不同的电子元器件时，Vout-V4、V2-V1仍为固定值，但具体数值可能与本首选实施方式不同。

在本首选实施方式的电磁流量计中，通过测试V4-V3的电压差，恒定的励磁电流I已知，可计算得到线圈的电阻RL。再计算出产生最小过冲所需要的Vout电压，然后单片机调节PWM输出占空比，输出该产生最小过冲所需要的Vout电压。其计算流程如图4所示。

单片机内部包含存储器，该存储器中存储有一个PID(PID：比例-积分-微分控制器)闭环计算程序，输入变量为电压设定值，反馈变量(即：反馈电压)是励磁线圈的两端电压V4-V3，输出变量是PWM占空比，由此通过调节PWM占空比来输出合适的Vout。

该电压设定值由程序根据测量得到的励磁线圈阻抗RL和其他开关器件所需要的最佳压降计算给出。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (8)

1.一种电磁流量计，包含励磁线圈，其特征在于，所述电磁流量计还包含一励磁恒流源电路，所述励磁恒流源电路包含：一电源模块、一单片机、一音频开关、一电源滤波电路、一励磁切换桥、一恒流源电路；

所述电源模块连接第一直流输入电压，输出第二直流输出电压给所述单片机供电，所述第二直流输出电压比所述第一直流输入电压低；

所述单片机包含一PWM输出端，按信号流向，所述PWM输出端、所述音频开关、以及所述电源滤波电路、以及所述励磁切换桥依次连接；所述音频开关还与所述第一直流输入电压相连；

所述励磁切换桥包含一第一高端开关、一第二高端开关、一第一低端开关、一第二低端开关，其中所述第一高端开关、所述第一低端开关相连形成所述励磁切换桥一侧，其中所述第二高端开关、所述第二低端开关相连形成所述励磁切换桥另一侧，所述电源滤波电路输出端与所述第一高端开关、所述第二高端开关相连；

所述励磁线圈的一端接在所述第一高端开关与所述第一低端开关之间，所述励磁线圈的另一端接在所述第二高端开关与所述第二低端开关之间；

一差分运放的两输入端分别与励磁线圈的所述一端和所述另一端相连，其输出端连接于所述单片机的ADC端；

所述恒流源电路包含一基准电源、一第二运放、一场效应管、以及一采样电阻，所述基准电源产生的基准电压输出到所述第二运放的同相输入端，所述第二运放的反相输入端连接到一端接地的采样电阻上，

所述场效应管的三个端子分别连接于所述第二运放的输出端、所述第一低端开关和所述第二低端开关之间、以及所述采样电阻上。

2.如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，所述第一直流输入电压为24V。

3.如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，所述第二直流输出电压为3.3V。

4.如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，励磁切换桥的动作逻辑关系如下：

第一高端开关 第二高端开关 第一低端开关 第二低端开关 励磁线圈 ON OFF OFF ON 正向导通 ON ON OFF OFF 断开 OFF ON ON OFF 反向导通

5.如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，所述第一高端开关、所述第二高端开关、所述第一低端开关、所述第二低端开关均为场效应管。

6.一种如权利要求1所述的电磁流量计的励磁电压调节方法，所述电源滤波电路输出端电压为Vout，所述励磁线圈的所述一端的电压为V4，所述另一端的电压为V3，所述第一低端开关和所述第二低端开关之间的电压为V2，所述采样电阻上的电压为V1，其特征在于，所述励磁电压调节方法包含步骤：

a.测试V4-V3的电压差；

b.计算得到所述励磁线圈的电阻RL，其中电阻RL的励磁电流I恒定；

c.计算得到产生最小过冲所需要的Vout电压；

d.所述单片机调节所述PWM端的PWM输出占空比，所述电源滤波电路的输出端输出该产生最小过冲所需要的Vout电压。

7.如权利要求6所述的励磁电压调节方法，其特征在于，所述单片机内部存储有一PID闭环计算方法，根据一电压设定值、以及反馈回来的所述励磁线圈两端的电压差V4-V3计算得到所述PWM端的PWM占空比。

8.如权利要求7所述的励磁电压调节方法，其特征在于，所述电压设定值根据测量得到的励磁线圈阻抗RL和其他开关器件所需要的最佳压降计算给出。