CN111351536B - 基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统，包括串联谐振电路、控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路、压流转换电路、检流电路和电源电路。采用正弦波励磁，励磁电流不需要平稳段，可以进一步提高频率抑制浆液噪声的影响、提高信噪比；采用正弦波励磁，与矩形波励磁相比可有效降低励磁系统功耗；针对励磁线圈的感性负载特性，串联互补容性器件，使其工作在串联谐振状态，补偿励磁无功损耗，降低励磁系统发热；采用电流源激励，避免励磁系统受温度等环境因素的影响，增强励磁系统的抗干扰能力。该励磁控制系统能显著提高励磁频率，降低系统功耗，有助于浆液流量的可靠测量。

Description

基于串联谐振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，具体涉及一种基于高频正弦波励磁、采用串联谐振的电磁流量计励磁控制系统。和传统矩形波励磁系统相比，该励磁系统能降低系统功耗和实现更高频率励磁。

背景技术

电磁流量计是一种依据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表。其工作原理为，在垂直于测量管道方向的一对励磁线圈通以励磁电流，产生垂直于管道的磁场。测量管道中的导电介质切割磁力线后，将在垂直于磁场和流向的方向上感应出正比于流速的电动势信号，通过嵌在管壁的一对电极读出，用于后续流量计算。电磁流量计由一次仪表(传感器)和二次仪表(变送器)组成，因其流量管内无阻挡物、性能可靠、耐腐蚀性强、测量精度高、不受流体密度、粘度、温度、压力变化的影响等优点，广泛应用于流程工业和市政工程等领域。

电磁流量计的励磁技术决定了电磁流量传感器工作磁场的特征和检测精度。现阶段，电磁流量计主要采用矩形波励磁，即周期性的改变励磁电流方向，从而周期性的改变磁场方向。电极式电磁流量计在测量浆液等固液两相导电性流体时，会产生频域1/f分布的随机干扰，即浆液噪声。浆液噪声的频率分量随着频率增加而减小。因此，可通过高频励磁来减少叠加在流量信号上的浆液噪声分量。矩形波励磁时，在励磁方向改变时会产生较大的微分干扰，因此需要选择在平稳段对流量信号进行采样，从而减少微分干扰的影响。此时，励磁电流在上升和下降阶段均需要3τ～5τ才能进入平稳段。当矩形波励磁频率提高时，励磁电流每周期的时间相对减少，平稳段信号提取也相对困难。因此，矩形波励磁时励磁频率不能太高，不利于抑制浆液噪声干扰。正弦波励磁时，通过正交解调抑制微分干扰，不需要平稳段提取流量信号。因此在进行浆液测量时，可适当提高励磁频率提高信噪比，抑制浆液干扰的影响。

文献“电磁流量计信号转换器硬件系统的研究与开发”(王军延，东北大学，60-61)中给出了通过变压器将电网电压降压后驱动励磁线圈的方案，此方案虽然简化了励磁系统，但也引入了电网电压输入性干扰；文献“MSP430F149单片机在新型电磁流量计中的应用”(王俭，张宏建.机电工程，2006，第23卷，第6期)和文献“基于低频正弦波励磁方式的电磁流量计设计”(王守志.传感器与微系统，2011，第30卷，第2期)分别采用单片机控制专用波形产生芯片和DAC产生低频正弦波信号，通过运算放大器对产生的低频正弦波信号进行放大，再通过互补对称的功率放大电路对放大的低频正弦波信号进行电流放大并驱动励磁线圈，此方案励磁频率低且励磁系统发热严重，功耗较高。文献“DSP-basedElectromagnetic Flowmeter with Sinusoidal Excitation”(A.Gorgenyi,L.Sujbert,I.Bogar,K.Molnar,and T.Daboczi，Instrumentation and Measurement，2005，第2卷)给出了一种采用DSP通过查找表生成正弦波激励信号，通过D类放大器将电压转换成电流驱动励磁线圈的方案，此方案能降低系统功耗，但没有介绍关键技术细节。瑞士ABB公司推出了高频正弦波励磁的电磁流量计FSM-4000系列产品，励磁频率约70Hz，可用于浆液流量测量，同样没有介绍关键技术细节。

发明内容

为了提高正弦波励磁电磁流量计的励磁频率，降低励磁系统消耗的功率，本发明提供一种基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统，具有励磁频率高且励磁系统功耗低的特点。

本发明所采用的技术方案是：采用正弦波励磁，选择合适的电容与励磁线圈串联，组成串联谐振电路，产生稳定交变的励磁磁场；正弦波信号由控制信号产生电路控制波形产生电路产生；产生的正弦波信号经放大滤波电路调理后，再经压流转换电路转换成电流源，驱动串联谐振电路；检流电路检测流过串联谐振电路的励磁电流信号；电源电路为控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路和压流转换电路提供合适电源电压，保证系统稳定工作。

基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统，包括串联谐振电路1、控制信号产生电路2、波形产生电路3、放大滤波电路4、压流转换电路5、检流电路6和电源电路7。

所述串联谐振电路由传感器励磁线圈和外加串联电容组成，通过励磁线圈产生励磁磁场，通过串联电容容抗分量抵消励磁线圈感抗分量，减少整个励磁回路的阻抗，补偿励磁系统产生的无功损耗。

所述控制信号产生电路由数字处理器芯片U1组成，由U1的外设I/O接口模块产生波形产生电路的控制信号。

所述波形产生电路主要由数字时钟频率产生电路和直接数字频率合成(DDS)电路组成，数字时钟频率产生电路由有源晶振U2和施密特触发器U3组成，直接数字频率合成(DDS)电路由U4组成，数字时钟频率产生电路为直接数字频率合成(DDS)电路的数字时钟输入引脚提供高质量的时钟信号。根据控制信号的设置，直接数字频率合成(DDS)电路输出频率可调且稳定的正弦波信号。

所述放大滤波电路由运算放大器U5A、U5B组成，U5A构成前级反相放大，U5B构成后级同相放大滤波。放大滤波电路将产生的正弦波信号幅值放大到合适的转换电压，并将波形产生电路转换正弦波过程中叠加的高频噪声滤除，然后将放大滤波后的正弦波信号提供给压流转换电路。

所述压流转换电路由功率放大器U6、电阻R11、R12、R13、R14A、R14B、Rs、Cs组成，将放大滤波电路输出的电压转换成稳定输出的励磁电流，驱动串联谐振电路产生稳定交变的磁场。

所述检流电路由电阻R组成，电阻R跨接在励磁线圈和参考地之间，用来检测流过串联谐振电路的电流信号。

所述电源电路由低压差线性稳压芯片U7、基准源U8、跟随运放U9、稳压芯片U10、U11、U12、U13、U14组成，低压差稳压芯片U7输出的电压DVCC1、DVCC2、VCCFL给数字信号处理器U1供电，同时DVCC2给有源晶振U2、施密特触发器U3供电；基准源U8输出经跟随运放U9后给DDS芯片U4供电，为DDS输出稳定的励磁信号提供高质量供电电源；稳压芯片U11、U12为放大滤波电路运算放大器U5A、U5B提供正负电源VCC1、VEE1，采用固定输出；稳压芯片U13、U14为压流转换电路功率放大芯片U6提供正负电源VCC2、VEE2，采用可调输出，便于适应不同口径的传感器；电源DVCC、VIN1+、VIN1-、VIN2+、VIN2-由外部电路提供，VCC由VCC1通过稳压芯片U10转换产生。

本发明的工作过程为：根据励磁线圈电感值和串联电容值设置扫描频率范围和间隔，由控制信号产生电路控制波形产生电路输出正弦扫频信号，扫频信号经放大滤波、压流转换后驱动串联谐振电路，分别采集串联谐振电路电压信号Es和检流电路电压信号Er，通过快速傅里叶变换(FFT)计算得到两路信号在同一个频率点的相位差，两路信号相位差为零的频率点即为系统固有频率点。然后通过控制信号产生电路输出控制信号，设置波形产生电路产生以固有频率点为最终励磁频率的正弦波信号，同样经放大滤波、压流转换后驱动串联谐振电路，产生稳定交变的励磁磁场。最后，进行水流量标定实验，通过水流量标定实验获得传感器仪表系数。

附图说明

图1是本发明的励磁控制系统框图；

图2是本发明的控制信号产生电路原理图；

图3是本发明的波形产生电路原理图；

图4是本发明的放大滤波电路原理图；

图5是本发明的压流转换电路原理图；

图6是本发明的串联谐振电路和检流电路等效模型；

图7是本发明的电源电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明的设计思想是：采用正弦波励磁，励磁电流不需要进入平稳段，电磁流量计励磁频率可以进一步提高；传统的电极式电磁流量计励磁频率一般小于200Hz，此时励磁线圈寄生电容容抗小、电感感抗相对大，励磁线圈表现为感性负载；采用励磁系统互补的容性器件，可以使励磁电路工作在谐振状态，此时无功损耗接近0，可以减少正弦波励磁系统的发热，保证电磁流量计长期稳定可靠工作；采用传感器励磁线圈与外加电容并联谐振，并联谐振电路输出阻抗随频率变化大，所需驱动电压高，不利于励磁频率调整和芯片选型；采用传感器励磁线圈与外加电容串联谐振，串联谐振电路输出阻抗为其串联等效电阻，随频率变化小，所需驱动电压低，有利于励磁频率调整和芯片选型，所以系统实现采用串联谐振；采用电压源励磁时，励磁线圈和串联电容容易受温度等环境因素影响，造成串联谐振电路阻抗变化，导致励磁电流幅值波动较大，难以满足测量精度要求；需要将电压源转换成电流源激励传感器串联谐振电路，以提高励磁系统的抗干扰能力。综上，基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统可以极大地提高电极式电磁流量计的励磁频率，减少电磁流量计励磁系统的发热，降低励磁系统功耗并延长电磁流量计使用寿命。

本发明系统的特点是：(1)励磁控制系统采用串联谐振方案，通过串联电容使励磁回路工作在谐振状态，有效降低励磁系统发热。(2)采用正弦波励磁，励磁电流呈正弦规律变化，可有效降低励磁系统功耗。(3)采用电流源激励，增强了系统的抗干扰能力。(4)通过扫频确定串联谐振电路的固有频率，将其设为励磁频率，固有频率由励磁线圈和串联电容共同决定。

本发明系统的组成框图如图1所示，包括串联谐振电路1、控制信号产生电路2、波形产生电路3、放大滤波电路4、压流转换电路5、检流电路6和电源电路7。

图2为本发明系统中控制信号产生电路2的示意图。由数字信号处理器(DSP)芯片TMS320F28335(U1)产生控制信号SCLK、SDATA和FSYNC，控制波形产生电路产生正弦波信号，并决定输出正弦波信号的频率。其中，U1的67脚提供串行时钟输入信号SCLK，68脚提供16位串行数据输入SDATA，69脚为数据输入帧同步信号FSYNC。U1是电磁流量计的运算与控制核心，运算速度高达150MHz，单指令周期为6.67ns，内部集成有256K字的FLASH、34K字的SRAM，具有McBSP、SCI、SPI等多种串行通讯接口，以及16位的通用定时器、32位CPU定时器、看门狗等丰富的外设，为电磁流量计系统提供了充足的程序和数据空间，能够实现多种不同数据传输格式的要求，对于扩展仪表功能，减少系统外部器件，降低成本和提高系统可靠性等起到了重要作用。

图3为本发明系统中波形产生电路3示意图，由有源晶振U2、施密特触发器U3、直接数字频率合成(DDS)芯片U4、磁珠L1、电阻R1、R2以及电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8组成。通过磁珠L1、电容C2、C3为有源晶振U2、施密特触发器U3的供电电源DVCC2进行退耦处理，电阻R1、R2、电容C1是为了减小反射波，避免反射波叠加引起过冲；有源晶振U2、施密特触发器U3、磁珠L1、电容C1、C2、C3、电阻R1、R2构成数字时钟频率产生电路，直接数字频率合成(DDS)芯片U4、电容C4、C5、C6、C7、C8构成直接数字频率合成(DDS)电路；数字时钟频率产生电路为直接数字频率合成(DDS)电路的数字时钟输入引脚提供高质量的时钟信号，保证了直接数字频率合成(DDS)电路输出信号的频率精度并降低了相位噪声，频率分辨率可由有源晶振的频率来决定，有源晶振的频率越低，直接数字频率合成(DDS)电路输出信号的频率分辨率越高。直接数字频率合成(DDS)电路由输出稳定、噪声小的基准源提供供电电源，C4、C5为直接数字频率合成(DDS)电路供电电源的退耦电容，C6、C7为直接数字频率合成(DDS)电路的配置电容，C8为滤除输出信号中含有的直流分量，并将输出信号部分和数字时钟频率产生电路部分作地的隔离，以提高输出正弦信号幅值和频率的稳定性。

图4为本发明系统中放大滤波电路4示意图，由运算放大器U5A、U5B、电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和电容C9、C10组成。运算放大器U5A和电阻R4、R5组成前级反相放大电路，反相放大倍数为(-R5/R4)，电阻R6用来给运算放大器设置合适的静态工作点；运算放大器U5B和电阻R9、R10组成后级同相放大电路，放大倍数为(1+R9/R10)；运算放大器U5B、电容C9、C10和电阻R7、R8组成二阶低通滤波电路，滤波器的截止频率为：

图5为本发明系统中压流转换电路5示意图，由功率运算放大器U6和电阻R11、R12、R13、R14A、R14B、Rs、Cs组成。采用Howland电流泵原理电路，当满足平衡条件：R12/R11＝(R14A+R14B)/R13时，负载电流可表示为：

取R11＝R12＝R13＝R14A+R14B＝Rx时，有Io＝(Vi/R14B)·[Rx/(Rx+Z)]。在电阻Rx和励磁线圈输出阻抗Z不变的情况下，输出电流Io由输入电压V_i和电阻R14B的比值决定。在实际电路中，为减小输出误差，电阻R11、R12、R13、R14A采用精密电阻，R14B采用低温漂精密功率电阻。通过串联Rs/Cs补偿网络，提高复杂负载阻抗下的输出稳定性。

由于不同厂家、不同口径的传感器其直流电阻各不相同，因此在励磁电流幅值相同的条件下，不同厂家、不同口径传感器的励磁端电压Vo也各不相同，则供电电源VCC2、VEE2与励磁端电压Vo的压差不能保持在理想状态。当压差较大时，励磁系统发热严重，压差较小时，励磁系统不能正常工作。所以，将压流转换电路供电电源采用可调电源时，即可通过调节电源电压，使励磁系统工作在最佳状态，从而减小励磁系统发热，扩大传感器的适用范围。同时，应尽量选取输出电压范围接近供电电源电压的功率放大器，以减小压差，继而减少励磁系统发热。

图6为本发明系统中串联谐振电路1和检流电路6示意图，串联谐振电路1由励磁线圈和串联电容组成，检流电路6由电阻R组成。传感器励磁线圈可以等效为线圈电感L和铜电阻Rr串联，串联电容可以等效为电容C。励磁线圈位于串联电容和检流电阻R的中间，检流电阻R跨接在励磁线圈和参考地之间，用来检测流过串联谐振电路的电流信号。为了减小信号失真，串联电容采用耐压值高、负温度系数小、介电强度高、高频损耗低的聚丙烯薄膜电容，检流电阻R采用温度系数小的精密绕线电阻。

图7为本发明系统中电源电路7示意图，由低压差稳压芯片U7、基准源U8、跟随运放U9、稳压芯片U10、U11、U12、U13、U14、二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、电容C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20、C21、C22、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、电阻R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、指示灯DS1、按键S1组成。

DS1为低压差稳压芯片U7输入电源指示灯，R15为指示灯DS1的限流电阻。电阻R18、电容C20、按键S1、快速恢复二极管D1组成U1的复位电路。DVCC1为可调输出，通过电阻R16、R17配置，DVCC2为固定输出，输出的电压DVCC1、DVCC2、VCCFL给数字信号处理器U1供电，同时DVCC2给有源晶振U2、施密特触发器U3供电。基准源U8输出经跟随运放U9后给DDS芯片U4供电，为DDS输出提供高质量供电电源。稳压芯片U11、U12为放大滤波电路运算放大器U5A、U5B提供正负电源VCC1、VEE1，采用固定输出。稳压芯片U13、U14为压流转换电路功率放大芯片U6提供正负电源VCC2、VEE2，采用可调输出，其中，电阻R19、R20配置电源VCC2的输出，电阻R21、R22配置电源VEE2的输出。

电容C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19为U7的电源退耦电容，C21、C22为基准源U8的电源退耦电容，C23、C24为稳压芯片U10的电源退耦电容，C25、C26为稳压芯片U11的电源退耦电容，C27、C28为稳压芯片U12的电源退耦电容，C29、C31为稳压芯片U13的电源退耦电容，C32、C33为稳压芯片U14的电源退耦电容。二极管D2、D4为防止正负电源错接，D3为稳压芯片U10提供续流回路，D5为稳压芯片U11提供续流回路，D6为稳压芯片U12提供续流回路，D7为电容C30提供低阻抗通路。电源DVCC、VIN1+、VIN1-、VIN2+、VIN2-由外部电路提供，电源VCC由VCC1通过稳压芯片U10转换产生。

Claims (1)

1.基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统，包括串联谐振电路、控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路、压流转换电路、检流电路和电源电路；其特征在于：

采用正弦波励磁，将电容与励磁线圈串联，组成串联谐振电路，产生稳定交变的励磁磁场；正弦波信号由控制信号产生电路控制波形产生电路产生；产生的正弦波信号经放大滤波电路调理后，再经压流转换电路转换成电流源，驱动串联谐振电路；检流电路检测流过串联谐振电路的励磁电流信号；电源电路为控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路和压流转换电路提供电源电压；

串联谐振电路由传感器励磁线圈和外加串联电容组成，通过励磁线圈产生励磁磁场，通过串联电容容抗分量抵消励磁线圈感抗分量；电容采用耐压值高、负温度系数小、介电强度高、高频损耗低的聚丙烯薄膜电容；

控制信号产生电路由数字处理器芯片U1组成，由U1的外设I/O接口模块产生波形产生电路的控制信号；

波形产生电路由数字时钟频率产生电路和直接数字频率合成（DDS）芯片及其外围电路组成，数字时钟频率产生电路由有源晶振U2和施密特触发器U3组成，正弦波波形产生由直接数字频率合成（DDS）芯片 U4 及其外围电路组成，数字时钟频率产生电路为直接数字频率合成（DDS）芯片的数字时钟输入引脚提供高质量的时钟信号，根据控制信号的设置，直接数字频率合成（DDS）芯片引脚输出频率可调且稳定的正弦波信号；

放大滤波电路由运算放大器U5A、U5B组成，U5A构成前级反相放大，U5B构成后级同相放大滤波，放大滤波电路将产生的正弦波信号幅值放大，并将波形产生电路转换正弦波过程中叠加的高频噪声滤除，然后将放大滤波后的正弦波信号提供给压流转换电路；

压流转换电路由功率放大器U6、电阻R11、R12、R13、R14A、R14B、Rs、Cs组成，将放大滤波电路输出的电压转换成稳定输出的励磁电流，驱动串联谐振电路产生稳定交变的磁场；压流转换电路中电阻R11、R12、R13、R14A采用精密电阻，R14B采用低温漂精密功率电阻，串联Rs/Cs补偿网络，压流转换电路供电电源采用可调电源，同时选取输出电压为供电电源电压的功率放大器；

检流电路由电阻R组成，电阻R跨接在励磁线圈和参考地之间，用来检测流过串联谐振电路的电流信号；检流电路中电阻R采用温度系数小的精密绕线电阻；

电源电路由低压差线性稳压芯片U7、基准源U8、跟随运放U9、稳压芯片U10、U11、U12、U13、U14组成，低压差稳压芯片U7输出的电压DVCC1、DVCC2、VCCFL给数字信号处理器U1供电，同时DVCC2给有源晶振U2、施密特触发器U3供电；基准源U8输出经跟随运放U9后给直接数字频率合成（DDS）芯片U4 供电，为直接数字频率合成（DDS）芯片输出稳定的励磁信号提供高质量供电电源；稳压芯片U11、U12为放大滤波电路运算放大器U5A、U5B提供正负电源VCC1、VEE1，采用固定输出；稳压芯片U13、U14为压流转换电路功率放大芯片U6提供正负电源VCC2、VEE2，采用可调输出；电源DVCC、VIN1+、VIN1-、VIN2+、VIN2-由外部电路提供，VCC由VCC1通过稳压芯片U10转换产生。

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