CN108489561A - 一种低噪声的电磁流量的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种低噪声的电磁流量的测量装置，壳体，以及设置于壳体内互相连接的电源单元和测量单元，所述测量单元内部设置有励磁电路，所述励磁电路的励磁信号的励磁线圈之间设置有用于一次滤波的第一滤波模块，励磁信号的励磁线圈分别设置用于二次滤波的第二滤波模块；本发明中可以简化集成电路设计，大幅度提高测量系统信噪比，增强测量的抗干扰能力，能够适应各种环境下的测量，保证测量的稳定性，也使得能够满足小信号流量点的精度要求，对于抑制各类环境中的信号噪声具有很明显的效果，使得水表信噪比增强，量程比变大，精度可以覆盖，能够使水表能够更加进行更精确的测量。
Description
技术领域
本发明涉及电子领域，尤其涉及一种低噪声的电磁流量的测量装置。
背景技术
电磁水表是为供水用水企业实际要求而专门设计的计量仪表，随着科学技术的高速发展和计量技术的不断进步，电磁水表在城镇供水计量中得到越来越广泛的应用。与传统机械水表相比，电磁水表具有更宽的测量范围，没有移动或凸起部分，不产生附加压降，无磨损，耐腐蚀，计量准确，性能稳定等优点，同时电磁水表能够内部供电，避免意外停电造成计量误差。
电磁水表的测量性能由传感器以及转换器的性能共同决定，对于转换器而言，电极采集到的感应电动势信号信噪比越强，电磁水表的计量越精确，灵敏度越高。
但是，由于电磁水表必须应用在各种各样的环境之中，对于信号的干扰无处不在。目前，噪声的来源主要分为内部和外部两种，内部噪声主要是由于电路设计、制造工艺等因素，由仪表自身产生的。而外部噪声是由设备所在的电子环境和物理化学环境(自然环境)所造成的，外部噪声通常被称为“干扰”，这种干扰可能是电磁干扰，也可能是机械振动干扰，也可能来自温度变化的干扰。目前，大多数的电磁水表产品由于噪声的干扰，导致信噪比受到影响，量程比普遍不高，并且，对于小量程的流量测量精度不高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用发明一种低噪声的电磁流量的测量装置，以解决上述技术问题。
本实用发明的低噪声的电磁流量的测量装置，包括：壳体，以及设置于壳体内互相连接的电源单元和测量单元，所述测量单元内部设置有励磁电路，所述励磁电路的励磁信号的励磁线圈之间设置有用于一次滤波的第一滤波模块，每个励磁信号的励磁线圈分别设置用于二次滤波的第二滤波模块。
进一步，所述电源单元包括带隙基准源、误差放大器、调整管和用于进行分压的分压电阻网络，所述带隙基准源的输出端连接有旁路电容，所述分压电阻网络与误差放大器的输入端连接，所述调整管与误差放大器的输出端连接。
进一步，所述测量单元还包括用于采集管道内流体流量信号的反馈模块和用于进行模数转换的模数转换模块，所述反馈模块的输出端与模数转换模块的输入端连接。
进一步，所述测量单元还设置有比较器，所述比较器内部预先设置有多个用于与检测值进行比较的阈值范围，预先设置不同的监测点，根据监测点将测量范围划分为不同阈值范围，每个阈值范围采用不同的参数进行测量，所述参数包括采样频率、励磁宽度、励磁频率和励磁电流强度。
进一步，所述检测点包括Q1，Q2和Q3，当低于Q1*120％时选择第一采样频率、第一励磁宽度、第一励磁电流和第一励磁频率；当低于Q2*120％时，高于Q1*120％时选择第二采样频率、第二励磁宽度、第二励磁电流和第二励磁频率1/4Hz；当低于Q3*120％，高于Q2*120％时选择第三采样频率，第三励磁宽度、第三励磁电流和第三励磁频率。
进一步，还包括用于屏蔽外部电磁场干扰信号的屏蔽单元，所述屏蔽单元的电磁场屏蔽的内部多次反射损耗，通过如下公式获取：
其中，R是反射损耗，A是吸收损耗，B多次反射损耗，K是空气阻抗和金属阻抗的比值。
进一步，所述壳体采用金属材料，所述壳体内部设置有用于单点接地的共地点。
进一步，所述电源单元采用线性稳压器。
进一步，所述第一滤波模块为RC滤波电路，所述第二滤波模块为LRC滤波电路。
进一步，所述屏蔽单元为铜箔材料。
本发明的有益效果：本发明中的低噪声的电磁流量的测量装置，可以简化集成电路设计，大幅度提高测量系统信噪比，增强测量的抗干扰能力，能够适应各种环境下的测量，保证测量的稳定性，也使得能够满足小信号流量点的精度要求，对于抑制各类环境中的信号噪声具有很明显的效果，使得水表信噪比增强，量程比变大，精度可以覆盖，能够使水表能够更加进行更精确的测量。
附图说明
图1是本发明实施例中低噪声的电磁流量的测量装置的噪声模型电路图。
图2是本发明实施例中低噪声的电磁流量的测量装置的放电吸收回路电路图。
图3是本发明实施例中低噪声的电磁流量的测量装置的单点并联接地示意图。
图4是本发明实施例中低噪声的电磁流量的测量装置的电场屏蔽方式示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例中的低噪声的电磁流量的测量装置，主要包括壳体，以及设置于壳体内互相连接的电源单元和测量单元，所述测量单元内部设置有励磁电路，所述励磁电路的励磁信号的励磁线圈之间设置有用于一次滤波的第一滤波模块，每个励磁信号的励磁线圈分别设置用于二次滤波的第二滤波模块。
电源噪声是电磁干扰的一种，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰。集成电路的输出噪声来源于器件内在的电子噪声和由于集成电路输入信号而引入的外部环境噪声，其中器件内在的电子噪声主要有热噪声、G-R噪声、散粒噪声及1/f噪声4大类别，如图2所示，在本实施例中，电源单元包括带隙基准源、误差放大器EA、调整管和用于进行分压的分压电阻网络，带隙基准源EA的输出端连接有旁路电容C0，所述分压电阻网络与误差放大器的输入端连接，所述调整管与误差放大器EA的输出端连接,分压电阻网络由R1和R2组成。优选地，本实施例中的电源单元采用线性稳压器LDO(low dropout regulator)是一种低压差线性稳压器，使用在其线性区域内运行的晶体管或场效应管(FET)，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。如图1所示，噪声构成主要包括带隙基准源的输出等效噪声误差放大器的等效输入噪声电阻R1,R2的输出电压噪声和依据噪声功率叠加原理，在LDO所关注的频率范围内的输出电压积分噪声如式(1)所示：
从式(1)中可以看出，LDO的输出噪声主要受电阻R1与R2的比值、带隙基准源的输出等效噪声以及误差放大器的输入等效噪声影响。其主要的噪声源是带隙基准源，本实施例在带隙基准源的输出端加一个较大的旁路电容以滤掉大部分噪声，LDO中的另一个噪声源是分压电阻网络，由于分压电阻网络连接到误差放大器的输入端，因此其产生的噪声将被控制环路放大，本实施例中的分压电阻网络的电阻通过控制电阻阻止尽量小以减少此类噪声。本实施例中的低压差线性稳压器，输出电压噪声：＜10μVRMS，内部噪声都是由内部的一阶低通RC滤波器在它之前减少。传递到输出缓冲阶段，该低通RC滤波器的截止频率约为0.1Hz。本实施例中的线性稳压器分别输出+3.3v和+2.5v。+3.3v为cpu单独供电。+2.5v为模转换模块供电。将外部电容连接到该管脚以过滤由内部带隙产生的噪声。
在本实施例中，在对具有导电性的流体的流量进行测量时，需要向励磁线圈供给极性交替切换的励磁电流，检测与来自励磁线圈的产生磁场正交并配置在测量管内的一对电极之间产生的电动势，将该电极之间产生的电动势放大后，通过取样信号处理。在这种现有技术中，由于励磁线圈L的反电动势，在励磁信号CD1,CD2被输入的控制端子侧之间会产生高电压差，形成尖峰干扰。在励磁电流I的极性切换时，同时在后端的H桥端子之间也会产生高反电动势，瞬间电势差会变化很大，甚至比励磁电路的供电电压都高出很多。可能会损坏电路的元器件，同时也是产生噪声的原因。通过本实施例中的电路结构可以消除交流励磁时励磁线圈所带来的反电动势，回避由高电压导致的电路的损伤，同时有效地降低励磁线圈L的反电动势，减少噪声。使励磁电流的稳定。如图2所示，在励磁信号CD1与CD2励磁线圈之间使用第一滤波模块连接，C77电容在尖峰来临的时候吸收能量，通过R21与R23泄放能量，可以大幅度削减尖峰，之后再加入第二滤波模块继续滤除噪声干扰，优选地，本实施例中的第一滤波模块为RC滤波电路，由电阻R22和电容C77组成，第二滤波模块为LRC滤波电路，其中与励磁信号CD1连接的LRC滤波电路由电阻R24、电容C78和电感L2组成，与励磁信号CD2连接的LRC滤波电路由电阻R25、电容C79和电感L1组成。
在本实施例中，电磁流量计将电极之间产生的电动势放大后，通过取样信号处理，流过测量管内的流体的流量进行测量。传统的电磁流量计当测量管道内液体不满管的时候，CPU采集到的信号经过处理会回馈一个空管信号到信号电路，信号处理的空管网络会直接与CPU引脚相连。由于信号电路直接与传感器相连，会有很多的共模干扰，差模干扰等噪声，很可能耦合到CPU之中，对CPU的计算造成干扰，影响测量精度。本实施例设置有采集管道内流体流量信号的反馈模块和用于进行模数转换的模数转换模块相连，传感器所可能带来的共模干扰，差模干扰可以通过模数转换模块进行隔离，再通过模数转换模块将信号反馈到CPU，规避此类干扰耦合至CPU。采用空管信号不通过CPU直接走信号电路，而是通过AD芯片再到信号，这样可以规避集成电路内部的各种噪声干扰。
在本实施例中，测量单元还设置有比较器，比较器内部预先设置有多个用于与检测值进行比较的分段阈值。通过比较测量值与各分段阈值，来实现控制对不同范围采用不同的采样频率，采用瞬态励磁的励磁方式完成测量，检测点包括Q1，Q2和Q3，当低于Q1*120％时选择第一采样频率、第一励磁宽度、第一励磁电流和第一励磁频率；当低于Q2*120％时，高于Q1*120％时选择第二采样频率、第二励磁宽度、第二励磁电流和第二励磁频率1/4Hz；当低于Q3*120％，高于Q2*120％时选择第三采样频率，第三励磁宽度、第三励磁电流和第三励磁频率，例如：根据三个测量点Q1，Q2，Q3进行分段，当低于Q1*120％时选择5Hz采样频率，励磁宽度220ms，励磁电流120mA,励磁频率1/15Hz；当低于Q2*120％，高于Q1*120％时选择100Hz采样频率，励磁宽度20ms，励磁电流100mA，励磁频率1/4Hz；当低于Q3*120％，高于Q2*120％时选择400Hz采样频率，励磁宽度12.5ms，励磁电流60mA，励磁频率1Hz。
在本实施例中，对于工作频率低的电路接地采用单点接地式(即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这一点上，并设置一个安全接地螺栓)，以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。多个电路的单点接地又分为串连和并联两种，由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合，在本实施例中，低频电路最好采用并联的单点接地式，如图3所示。
在本实施例中，还包括用于屏蔽外部电磁场干扰信号的屏蔽单元，实现对外部的电磁干扰的屏蔽处理，本实施例选用高导磁率的材料，但应防止次饱和；尽量缩短磁路长度，增加屏蔽体的截面积；电场屏蔽是防止两个设备(原件、部件)间的电容性耦合干扰。在入射表面的反射衰减；未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减；在屏蔽体内部的多次反射衰减(只在吸收衰减<15dB情况下才有意义)。
电磁屏蔽效能可用下式表示：
SE＝R+A+B (2)
R是反射损耗，A是吸收损耗，B多次反射损耗
反射损耗：
对于近区电场点源：
对于近区磁场点源：
ur是相对磁导率，ρr是相对电导率。
吸收损耗：
式中屏蔽体厚度d的单位是mm。
内部多次反射损耗：
K是空气阻抗和金属阻抗的比值，A是前面的吸收损耗。当A大于10dB时，B可忽略。
所以综上，本发明电磁屏蔽的设计要点是屏蔽材料磁阻小，磁导率越高，吸收损耗越大；电导率越高，吸收损耗越大；频率越高，吸收损耗越大。优选地，使用铜箔来作为信号屏蔽电磁场干扰的材料，相应地，测量装置的壳体采用金属材料，如图4所示。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种低噪声的电磁流量的测量装置，其特征在于，包括：壳体，以及设置于壳体内互相连接的电源单元和测量单元，所述测量单元内部设置有励磁电路，所述励磁电路的励磁信号的励磁线圈之间设置有用于一次滤波的第一滤波模块，每个励磁信号的励磁线圈分别设置用于二次滤波的第二滤波模块。
2.根据权利要求1所述的低噪声的电磁流量的测量装置，其特征在于：所述电源单元包括带隙基准源、误差放大器、调整管和用于进行分压的分压电阻网络，所述带隙基准源的输出端连接有旁路电容，所述分压电阻网络与误差放大器的输入端连接，所述调整管与误差放大器的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的低噪声的电磁流量的测量装置，其特征在于：所述测量单元还包括用于采集管道内流体流量信号的反馈模块和用于进行模数转换的模数转换模块，所述反馈模块的输出端与模数转换模块的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的低噪声的电磁流量的测量装置，其特征在于：所述测量单元还设置有比较器，所述比较器内部预先设置有多个用于与检测值进行比较的阈值范围，预先设置不同的监测点，根据监测点将测量范围划分为不同阈值范围，每个阈值范围采用不同的参数进行测量，所述参数包括采样频率、励磁宽度、励磁频率和励磁电流强度。
5.根据权利要求4所述的低噪声的电磁流量的测量装置，其特征在于：所述检测点包括Q1，Q2和Q3，当低于Q1*120％时选择第一采样频率、第一励磁宽度、第一励磁电流和第一励磁频率；当低于Q2*120％时，高于Q1*120％时选择第二采样频率、第二励磁宽度、第二励磁电流和第二励磁频率1/4Hz；当低于Q3*120％，高于Q2*120％时选择第三采样频率，第三励磁宽度、第三励磁电流和第三励磁频率。
6.根据权利要求4所述的低噪声的电磁流量的测量装置，其特征在于：还包括用于屏蔽外部电磁场干扰信号的屏蔽单元，所述屏蔽单元的电磁场屏蔽的内部多次反射损耗，通过如下公式获取：
其中，R是反射损耗，A是吸收损耗，B多次反射损耗，K是空气阻抗和金属阻抗的比值。
7.根据权利要求6所述的低噪声的电磁流量的测量装置，其特征在于：所述壳体采用金属材料，所述壳体内部设置有用于单点接地的共地点。
8.根据权利要求2所述的低噪声的电磁流量的测量装置，其特征在于：所述电源单元采用线性稳压器。
9.根据权利要求2所述的低噪声的电磁流量的测量装置，其特征在于：所述第一滤波模块为RC滤波电路，所述第二滤波模块为LRC滤波电路。
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