CN209945453U - 一种宽量程比电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种宽量程比电磁流量计，包括电磁流量传感器、电磁流量转换器，电磁流量转换器包括电源，励磁系统，励磁线圈，信号整理电路，CPLD复杂可编程逻辑器件，ARM微处理器、键盘，显示模块，复位电路，晶体振荡器，信号输出单元。信号整理电路包括：精密仪表放大器Ⅰ、滤波器、精密仪表放大器Ⅱ、V/F转换器；滤波器包括低通滤波器和高通滤波器；本实用新型通过对电磁流量传感器、电磁流量转换器各参数准确计算及优化设计，弥补了原传感器缩颈技术中可以实现宽量程比，但是无法实现最小流速准确技术指标的缺陷。通过对电磁流量传感器、电磁流量转换器整体设计形成了完整的宽量程比电磁流量产品。

Description

一种宽量程比电磁流量计

技术领域

本实用新型涉及流量领域，特别涉及一种宽量程比的电磁流量计。

背景技术

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律的原理来测量导电液体体积流量的仪表。其工作原理是基于法拉第电磁感应定律，即导电液体在管道中以一定流速运动时，流体流过垂直于流动方向的磁场，切割磁力线，在感应电极间将产生一个与流速成正比的感生电势，在测量过程中，它不受被测介质的温度、密度、黏度的影响，只要介质的电导率足够传感器的识别，就正常进行测量。因此被广泛应用于市政、冶金、石化、造纸、给排水、污水处理等行业。

电磁流量计分为两部分电磁流量传感器、电磁流量转换器。电磁流量传感器安装在流体传输工艺管道上，用于将导电液体的流速(流量)线性地变换成感应电势信号。电磁流量转换器向电磁流量传感器提供工作磁场的励磁电流，并接受感应电势信号，将流速(流量)信号进行放大、处理并转换为统一的、标准的脉冲信号(或频率信号)、电流信号、数字通信信号，供DCS、指示仪表、记录仪表、调节仪表和计算机网络实现流量的远距离指示、记录、积算、控制与调节。

在现有技术中，电磁流量计生产厂家多数只生产电磁流量传感器部分，电磁流量转换器部分外购，而生产电磁流量转换器的公司的产品面向所有应用电磁流量计的领域，各领域工况不同，对电磁流量计的技术要求就不同。因此通用型电磁流量计很难做到特殊工况的技术要求，通用型普遍局限于10:1的量程比，即测量流体流速范围为(0.5～5)m/s。但是对于一些流体流速范围变化较大的场合，比如城市管网，楼栋居民用水等、管道设计都偏大，因此导致低流速，特别在夜间低峰值时的流速更低的情况下，常规的电磁流量计在这块的测量是个薄弱环节，只能保证测量0.5m/s的流速。要求在低流速下，也必须进行实时准确计量，这是普通流量计难以做到的。国内多数企业只做电磁流量传感器部分，这些企业将技术突破点都放在电磁流量计的电磁流量传感器上，而电磁流量转换器是外购的，没有自主的电磁流量转换器，电磁流量计整机的技术指标就难以确定。因此只有自主生产电磁流量传感器与电磁转换器厂家才能定制高精度、低流速的电磁流量计。

现有的电磁流量传感器采用缩颈方法提高流速。缺点是电磁流量传感器缩颈技术能够解决低流速，但是楼栋居民用水在夜间低峰时流速更低的情况下，单纯的电磁流量传感器缩颈技术是有局限性的，同时外采电磁流量转换器无法保证每批流量测试指标的一致性就很难做到确切最低流速的技术指标。

实用新型内容

现有技术中，电磁流量计的量程比普遍局限于10:1，即测量流体流速范围为(0.5～5)m/s，难以满足用户要求的正常流速以及低流速均能准确测量的要求。虽然传感器做了缩颈工艺改造，改善了低流速下的测量结果，但准确地确定低流速的技术指标，没有自主电磁转换器始终无法从根源上进行解决。

本实用新型提供一种宽量程比电磁流量计，包括电磁流量传感器、电磁流量转换器，一种宽量程比电磁流量传感器在2018年已经获得实用新型专利。本实用新型还提供了一种电磁流量转换器。电磁流量计的电磁流量转换器工作原理为：电磁流量转换器向电磁流量传感器提供工作磁场的励磁电流，并接受感应电势信号，感应电势信号十分微弱，在实际测量中1m/s的流速对应的感应电势为150μV-200μV，且含有大量噪声，需要对信号进行放大，滤波去噪。通用型电磁转换器在0.5m/s下保证在0.5级的精度，无法保证更低流速的精度。为了解决低流速宽量程比的电磁流量转换器。本实用新型提供了一种0.2m/s，0.5级宽量程比电磁流量转换器，配合我公司缩颈传感器技术，形成可测量宽量程比，低流速的电磁流量计。最低流速可测到0.01m/s保证0.5级的精度。

为解决上述技术问题，具体实验方案是：

一种宽量程比电磁流量计，包括电磁流量传感器、电磁流量转换器，所述电磁流量转换器，包括电源1、励磁系统2、励磁线圈3、信号整理电路、CPLD复杂可编程逻辑器件8、ARM微处理器9、键盘、显示模块10、复位电路、晶体振荡器、信号输出单元11。在流速为0.2m/s，两电极感应电压约几十微伏，毫伏级的噪声就能将有用流量信号给淹没。因此对述电磁流量转换器每一个部分电路以及线路板元器件摆放、布线等设计要求都非常高。

所述电源1分别与信号整理电路、CPLD复杂可编程逻辑器件8、ARM微处理器9、键盘、显示模块10、信号输出单元11、励磁系统2、连接，用于给信号整理电路、CPLD复杂可编程逻辑器件8、ARM微处理器9、键盘、显示模块10、信号输出单元11、励磁系统2供电；

所述键盘、显示模块10包括键盘和LCD显示器，所述键盘和LCD显示器配合使用；

所述复位电路和晶体振荡器分别与CPLD复杂可编程逻辑器件8连接；

所述键盘、显示模块10与ARM微处理器9连接，用于输入控制参数，所述ARM微处理器9与CPLD复杂可编程逻辑器件8连接，所述CPLD复杂可编程逻辑器件8与励磁系统2连接，所述CPLD复杂可编程逻辑器件8用于控制励磁系统为励磁线圈3提供三值低频波，励磁系统2与励磁线圈3连接，所述励磁系统2用于给励磁线圈3提供三值低频方波恒流电流；所述励磁线圈3与电磁流量传感器连接，所述电磁流量传感器与信号整理电路连接；所述电磁流量传感器用于向信号整理电路输入感应电势信号，所述信号整理电路与CPLD复杂可编程逻辑器件8连接，用于将处理后的感应电势信号输入至CPLD复杂可编程逻辑器件8，CPLD复杂可编程逻辑器件8与ARM微处理器9连接，所述CPLD复杂可编程逻辑器件8用于将采集到的流量信号数值进行整理、变换,送到ARM微处理器9中，所述ARM微处理器9与键盘、显示模块10连接，所述ARM微处理器9还与信号输出单元连接；

在上述方案的基础上，所述电源1的输入端设置有保险丝、浪涌抑制电路及三级共模、差模滤波电路。

在上述方案的基础上，所述信号整理电路包括：精密仪表放大器Ⅰ4、滤波器5、精密仪表放大器Ⅱ6、V/F转换器7；所述电磁流量传感器与精密仪表放大器Ⅰ4连接，所述精密仪表放大器Ⅰ4与滤波器5连接，所述滤波器5与精密仪表放大器Ⅱ6连接，所述精密仪表放大器Ⅱ6与V/F转换器7连接；所述V/F转换器7用于将信号转换成脉冲值，所述V/F转换器7与CPLD复杂可编程逻辑器件8连接。

在上述方案的基础上，所述精密仪表放大器Ⅰ4和精密仪表放大器Ⅱ6用于对信号进行放大；所述精密仪表放大器Ⅰ4的放大倍数为10倍。

在上述方案的基础上，所述滤波器5包括低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器和高通滤波器采用二阶电路；所述低通滤波器和高通滤波器串联；所述低通滤波器用于滤除放大后感应电势信号中的高频噪声，所述高通滤波器用于滤除放大后感应电势信号中的低频噪声。

在上述方案的基础上，所述精密仪表放大器Ⅱ6用于对滤除噪声后的感应电势信号进行放大，所述精密仪表放大器Ⅱ6的放大倍数为20倍。

在上述方案的基础上，所述ARM微处理器9采用软件滤波对采集到的信号进行处理，经过软件滤波的信号数值通过流量转换公式转换成与变化数相对应的瞬时流量值，流速及累计流量值在键盘、显示模块10显示。

在上述方案的基础上，所述信号输出单元11包括一路脉冲输出、一路电流信号输出、485通信模块、HART通信模块；通过光耦隔离将瞬时流量值转换为统一的、标准的脉冲信号或频率信号、电流信号、数字通信信号，供DCS、指示仪表、记录仪表、调节仪表和计算机网络实现流量的远距离指示、记录、积算、控制与调节。

本发明技术方案带来的有益效果：

通过对电磁流量传感器、电磁流量转换器各参数准确计算及优化设计，弥补了原传感器缩颈技术中可以实现宽量程比，但是无法实现最小流速准确技术指标的缺陷。通过对电磁流量传感器、电磁流量转换器整体设计形成了完整的宽量程比电磁流量产品。

附图说明

本实用新型有如下附图：

图1本实用新型的结构示意框图。

附图标记：1-电源，2-励磁系统，3-励磁线圈，4-精密仪表放大器Ⅰ，5-滤波器，6-精密仪表放大器Ⅱ，7-V/F转换器，8-CPLD复杂可编程逻辑器件，9-ARM微处理器，10-键盘、显示模块，11-信号输出单元。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型所述的一种宽量程比电磁流量计，包括：电磁流量传感器、电磁流量转换器，所述电磁流量转换器，包括电源1、励磁系统2、励磁线圈3、信号整理电路、CPLD复杂可编程逻辑器件8、ARM微处理器9、键盘、显示模块10、复位电路、晶体振荡器、信号输出单元11。

所述电源1用于供电，在电源1输入端加保险丝、浪涌抑制电路及三级共模、差模滤波电路。保险丝的作用是防止单板上的器件短路造成事故。浪涌抑制电路的作用是防雷或者抑制雷击等感应进来的能量。三级共模、差模滤波电路作用是由于开关电源变换带来的干扰通常导致EMI测试超标，同时容易遭受外部各类干扰(如EFT之类干扰)，所以在电源1的输入端加三级共模、差模滤波电路效果更好。电源1的布局，应远离非本身模块，特别是远离时钟、晶体振荡器、模拟部分等敏感部分等。布线，走线加粗，并考虑安全间距，内层线离线、孔、焊盘、铜皮等1mm以上、表层2mm以上。电源电路的一些高频器件、以及器件敏感部分的去耦电容的选择，去耦电容放置的位置等在设计要经过严格的计算，合理布局。总之电磁流量转换器的供电电源非常重要，如果供给电磁流量转换器各单元供电的纹波过大，会造成供电模块工作不正常。励磁系统的励磁方式决定着电磁流量计的抗干扰能力的大小和零点稳定性能的好坏；励磁系统2提供给励磁线圈3三值低频方波恒流电流，产生的交变的磁场，通过管道导电液体流动的速度的大小变化，在两电极感应出变化的感应电压。本实用新型提供的恒流低频三值波，由CPLD复杂可编程逻辑器件8控制，控制信号驱动励磁系统2的开关三级管、场效应管组成的H桥式开关产生低频三值波提供给励磁线圈3，励磁线圈3中电流的大小由励磁系统2中的恒流源电路控制。因此提供给励磁线圈3的三值恒流波电流的频率由CPLD复杂可编程逻辑器件8控制，恒流电流大小由励磁系统2中的恒流源电路决定。同时励磁系统2提供H桥式开关中的器件工作状态诊断电路及供电延时电路等。本实用新型还包括精密仪表放大器Ⅰ4、精密仪表放大器Ⅱ6、滤波器5、V/F转换器7。由于输入感应电势信号十分微弱，且含有大量噪声，两电极的感应信号及液体基准端通过带有屏蔽的导线接到电磁流量转换器的输入端，其中屏蔽线与两电极连接的两芯线连接到电磁流量转换器的仪器仪表放大器Ⅰ4输入端，连接液体基准地的屏蔽线接到信号的基准地端。电极的感应电压在转换器信号的输入端先期进行滤波，然后送到精密仪表放大器Ⅰ4进行十倍放大(第一步先对信号进行了差分放大，但是放大倍数没有太大，因为此时如果设置较大的放大倍数，会把噪声同样放大。因此，先放大了较小的放大倍数；滤波器5包括低通滤波器和高通滤波器，经过低通滤波器后，滤除高频噪声，需将信号再次通过高通滤波器进行高通滤波，滤除直流等低频噪声，低通滤波器和高通滤波器采用二阶电路，可以使滤波频率的过渡带变窄，衰减斜率的值增大。将高通滤波和低通滤波串联所形成的是带通滤波。带通滤波的通带设计太宽会将噪声引入到后级电路，太窄会将有用的信号衰减掉，因此带通滤波电路设计合理，参数的选择要经过严格计算及仿真实验，力求达到最佳效果。精密仪表放大器Ⅱ6，将信号再进行二次放大，放大倍数二十倍，一次、二次相乘整体放大倍数是200倍。这样就可以将微伏级信号转换成毫伏级信号。经过V/F转换器7转换成脉冲值。经CPLD复杂可编程逻辑器件8将采集到的流量信号数值进行整理、变换,送到MCU的ARM微处理器9中。ARM微处理器9对采集到的信号再经过软件滤波，软件滤波使用小波滤波，小波变换分析方法作为一种全新的信号处理方法，能将信号中的各种不同的频率成分，分别分解到互不重叠的频带上，这就为信噪分离、信号滤波、特征提取提供了有效的途径。并且相较于其他滤波方法，小波的时效性很好，滤波的时候能比较快速地给出滤波结果。因此本系统在设计硬件滤波器的同时，也应用了时下最流行的软件滤波方法小波滤波，来进一步滤除噪声干扰，确保电磁流量计的精确性。经过软件滤波的信号数值通过流量转换公式转换成与变化数相对应的瞬时流量值，流速及累计流量值在键盘、显示模块10上显示。所述键盘、显示模块10包括键盘和LCD显示器，所述键盘和LCD显示器配合使用；LCD显示器显示所有菜单，及流量工作状态值。键盘有四个按键：确认键、上键、下键、复合键。可对菜单翻页、设定菜单参数、仪表系数、传感器系数及更改参数等。所述信号输出单元11包括一路脉冲输出、一路电流信号输出、485通信模块、HART通信模块；信号输出单元11通过光耦隔离将瞬时流量值转换为统一的、标准的脉冲信号(或频率信号)、电流信号、数字通信信号，供DCS、指示仪表、记录仪表、调节仪表和计算机网络实现流量的远距离指示、记录、积算、控制与调节。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种宽量程比电磁流量计，其特征在于，包括电磁流量传感器、电磁流量转换器；所述电磁流量转换器，包括电源(1),励磁系统(2)，励磁线圈(3)，信号整理电路，CPLD复杂可编程逻辑器件(8)，ARM微处理器(9)，键盘、显示模块(10)，复位电路，晶体振荡器，信号输出单元(11)；

所述电源(1)分别与信号整理电路，CPLD复杂可编程逻辑器件(8)，ARM微处理器(9)，键盘、显示模块(10)，信号输出单元(11)，励磁系统(2)连接，用于给信号整理电路、CPLD复杂可编程逻辑器件(8)、ARM微处理器(9)、键盘、显示模块(10)、信号输出单元(11)、励磁系统(2)供电；

所述键盘、显示模块(10)包括键盘和LCD显示器，所述键盘和LCD显示器配合使用；

所述复位电路和晶体振荡器分别与CPLD复杂可编程逻辑器件(8)连接；

所述键盘、显示模块(10)与ARM微处理器(9)连接，用于输入控制参数，所述ARM微处理器(9)与CPLD复杂可编程逻辑器件(8)连接，所述CPLD复杂可编程逻辑器件(8)与励磁系统(2)连接，所述CPLD复杂可编程逻辑器件(8)用于控制励磁系统为励磁线圈(3)提供三值低频波，励磁系统(2)与励磁线圈(3)连接，所述励磁系统(2)用于给励磁线圈(3)提供三值低频方波恒流电流；所述励磁线圈(3)与电磁流量传感器连接，所述电磁流量传感器与信号整理电路连接，所述电磁流量传感器用于向信号整理电路输入感应电势信号，所述信号整理电路与CPLD复杂可编程逻辑器件(8)连接，用于将处理后的感应电势信号输入至CPLD复杂可编程逻辑器件(8)，CPLD复杂可编程逻辑器件(8)与ARM微处理器(9)连接，所述CPLD复杂可编程逻辑器件(8)用于将采集到的流量信号数值进行整理、变换,送到ARM微处理器(9)中，所述ARM微处理器(9)与键盘、显示模块(10)连接，所述ARM微处理器(9)还与信号输出单元连接。

2.如权利要求1所述的宽量程比电磁流量计，其特征在于，所述电源(1)的输入端设置有保险丝、浪涌抑制电路及三级共模、差模滤波电路。

3.如权利要求1所述的宽量程比电磁流量计，其特征在于，所述信号整理电路包括：精密仪表放大器Ⅰ(4)、滤波器(5)、精密仪表放大器Ⅱ(6)、V/F转换器(7)；所述电磁流量传感器与精密仪表放大器Ⅰ(4)连接，所述精密仪表放大器Ⅰ(4)与滤波器(5)连接，所述滤波器(5)与精密仪表放大器Ⅱ(6)连接，所述精密仪表放大器Ⅱ(6)与V/F转换器(7)连接；所述V/F转换器(7)用于将感应电势信号转换成脉冲值，所述V/F转换器(7)与CPLD复杂可编程逻辑器件(8)连接。

4.如权利要求3所述的宽量程比电磁流量计，其特征在于，所述精密仪表放大器Ⅰ(4)用于对输入的感应电势信号进行放大，所述精密仪表放大器Ⅰ(4)的放大倍数为10倍。

5.如权利要求4所述的宽量程比电磁流量计，其特征在于，所述滤波器(5)包括低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器和高通滤波器采用二阶电路；所述低通滤波器和高通滤波器串联；所述低通滤波器用于滤除放大后感应电势信号中的高频噪声，所述高通滤波器用于滤除放大后感应电势信号中的低频噪声。

6.如权利要求5所述的宽量程比电磁流量计，其特征在于，所述精密仪表放大器Ⅱ(6)用于对滤除噪声后的感应电势信号进行放大，所述精密仪表放大器Ⅱ(6)的放大倍数为20倍。

7.如权利要求1所述的宽量程比电磁流量计，其特征在于，所述ARM微处理器(9)采用软件滤波对采集到的信号进行处理并将处理后结果在键盘、显示模块(10)显示。

8.如权利要求1所述的宽量程比电磁流量计，其特征在于，所述信号输出单元(11)包括一路脉冲输出、一路电流信号输出、485通信模块、HART通信模块。

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