CN212931520U - 一种电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种电磁流量计，包括励磁驱动模块、检测模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块和中央处理模块；励磁驱动模块包括励磁驱动单元和励磁线圈，励磁驱动单元分别与中央处理模块和励磁线圈电连接；励磁驱动单元用于根据中央处理模块输出的励磁控制信号控制励磁线圈产生磁场；检测模块包括检测电极，用于检测被测流体的电动势；第一信号处理模块用于对电动势进行处理，形成第一电动势信号，第二信号处理模块用于对电动势进行处理，形成第二电动势信号；中央处理模块分别与第一信号处理模块和第二信号处理模块电连接，用于根据第一电动势信号和第二电动势信号确定被测流体的流量。该电磁流量计具有较高的测量精度。

Description

一种电磁流量计

技术领域

本实用新型实施例涉及流量检测领域，尤其涉及一种电磁流量计。

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。由于其测量管内部不含有阻流部件，且可靠性高，耐腐蚀性强，不受流体密度、粘度、温度和压力变化的影响等优点，在石油、化工、自来水厂中得到广泛应用。

电磁流量计通过向被测流体施加磁场以检测被测流体的感应电动势，进而根据感应电动势确定其流量。具体的，在未施加磁场时，被测流体的流动同样会产生电动势，可称之为零点电动势。因此，电磁流量计所检测到的电动势结果实际是因磁场作用产生的感应电动势与被测流体自身存在的零点电动势之和。通过将检测到的电动势与零点电动势做差，即可得到因磁场作用产生的感应电动势，进而根据感应电动势确定其流量，以提高电磁流量计的测量精度。现有技术中，零点电动势往往是预先设定的固定静态值。

但是，由于被测流体的种类以及人为安装电磁流量计等因素的影响，零点电动势的数值往往是不同的，是动态变化的。在不同的测量环境中采用同一零点电动势将导致测量结果的精度下降。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提出一种电磁流量计，该电磁流量计具有较高的测量精度。

为达此目的，本实用新型实施例采用以下技术方案：

一种电磁流量计，包括：励磁驱动模块、检测模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块和中央处理模块；

励磁驱动模块包括励磁驱动单元和励磁线圈，励磁驱动单元分别与中央处理模块和励磁线圈电连接；励磁驱动单元用于根据中央处理模块输出的励磁控制信号控制励磁线圈产生磁场，磁场的方向与被测流体的流动方向垂直；

检测模块包括检测电极，用于检测被测流体的电动势；第一信号处理模块和第二信号处理模块均与检测模块电连接，第一信号处理模块用于对电动势进行处理，形成第一电动势信号，第二信号处理模块用于对电动势进行处理，形成第二电动势信号；

中央处理模块分别与第一信号处理模块和第二信号处理模块电连接，用于根据第一电动势信号和第二电动势信号确定被测流体的流量。

可选的，励磁驱动单元包括顺次电连接的恒流源电路、励磁隔离电路、励磁控制电路和励磁检测电路；

中央处理模块分别与励磁隔离电路和励磁检测电路电连接，励磁线圈与励磁控制电路电连接。

可选的，励磁驱动模块还包括空管检测单元，空管检测单元分别与中央处理模块和检测模块电连接。

可选的，第一信号处理模块和第二信号处理模块均包括顺次电连接的信号放大单元、滤波放大单元、基准幅值比较单元和模数转换单元；

信号放大单元与检测模块电连接，模数转换单元与中央处理模块电连接。

可选的，信号放大单元包括差分放大电路；

滤波放大单元包括顺次电连接的低通滤波放大电路和高通滤波放大电路；

模数转换单元包括模拟-数值转换电路。

可选的，第一信号处理模块和第二信号处理模均还包括幅值调整单元；

幅值调整单元分别与中央处理模块与信号放大单元电连接。

可选的，中央处理模块为数字信号处理系统，数字信号处理系统包括处理器和存储器，第一信号处理模块、第二信号处理模块、励磁驱动单元和存储器分别与处理器电连接；

励磁控制信号的频率为12.5Hz。

可选的，电磁流量计还包括：人机交互模块；

人机交互模块包括显示单元和按键单元，显示单元和按键单元分别与中央处理模块电连接。

可选的，电磁流量计还包括：通讯模块；

通讯模块分别与中央处理模块和上位机电连接。

可选的，电磁流量计还包括：电源管理模块；

励磁驱动模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块和中央处理模块均与电源管理模块电连接。

本实用新型实施例提供的电磁流量计，通过设置第一信号处理模块和第二信号处理模块，使中央处理模块根据第一信号处理模块输出的第一电动势信号确定被测流体上的总电动势，根据第二信号处理模块输出的第二电动势信号确定被测流体自身存在的动态变化的零点电动势，进而可以根据总电动势和零点电动势确定被测流体因磁场激励而产生的感应电动势，从而根据感应电动势可以确定被测流体的流量。零点电动势实际上并非固定不变的，本实用新型实施例的方案对被测流体的零点电动势进行实时采集，相比于现有电磁流量计采用固定零点电动势的方案而言，具有更高的检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种电磁流量计的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种电磁流量计的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的又一种电磁流量计的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的电磁流量计的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1是本实用新型实施例提供的一种电磁流量计的结构示意图，参见图1，该电磁流量计10包括励磁驱动模块100、检测模块200、第一信号处理模块300、第二信号处理模块400和中央处理模块500；励磁驱动模块100包括励磁驱动单元110和励磁线圈120，励磁驱动单元110分别与中央处理模块500和励磁线圈120电连接；励磁驱动单元110用于根据中央处理模块500输出的励磁控制信号控制励磁线圈120产生磁场，磁场的方向与被测流体的流动方向垂直；检测模块200包括检测电极，用于检测被测流体的电动势；第一信号处理模块300和第二信号处理模块400均与检测模块200电连接，第一信号处理模块300用于对电动势进行处理，形成第一电动势信号，第二信号处理模块400用于对电动势进行处理，形成第二电动势信号；中央处理模块500分别与第一信号处理模块300和第二信号处理模块400电连接，用于根据第一电动势信号和第二电动势信号确定被测流体的流量。

电磁流量计主要包括仪表盘和测量管，测量管安装于被测流体流经的管道上，励磁线圈120和检测模块200(检测电极)位于测量管处，其余电路部分如中央处理模块500、励磁驱动单元110、第一信号处理模块300和第二信号处理模块400位于仪表盘内。其工作原理是，通过在励磁线圈120上通入交变电流以产生磁场，使被测流体在流动时做切割磁感线运动而产生感应电动势，通过检测电极检测该感应电动势，即可根据感应电动势确定测量管内被测流体的流量。具体的，检测电极检测到的电动势实际为感应电动势与零点电动势的加和，因而需要通过计算才能得到感应电动势，以根据感应电动势确定被测流体的流量。

其中，励磁控制信号具体可以是交变电信号，用于交替切换励磁线圈120的励磁电流极性，从而使励磁线圈120在与被测流体流动方向垂直的方向产生磁场，如此，被测流体流动时会切割磁感线从而产生感应电动势。需要说明的是，本领域技术人员可根据需要自行设定励磁驱动单元110的内部电路结构，本实用新型实施例对此不作限定。

其中，检测模块200中的检测电极为一对电极，沿与磁场垂直的方向配置于测量管上，用于检测被测流体的电动势。示例性的，检测电极可以是接触式电极也可以是非接触式电极，本实用新型实施例对此不作限定。

其中，第一信号处理模块300和第二信号处理模块400均用于对检测电极输出的电动势进行处理，例如放大、滤波和模数转换处理等，最终得到中央处理模块500能够识别和分析计算的电信号。本实用新型实施例对第一信号处理模块300和第二信号处理模块400的内部电路结构不作限定，本领域技术人员可自行设计。

需要说明的是，第一信号处理模块300和第二信号处理模块400可以具有相同的结构，也可以具有不同的结构，本实用新型实施例对此不作限定。为简化电路设计，第一信号处理模块300和第二信号处理模块400可以具有相同的结构，进而第一电动势信号和第二电动势信号为相同的信号。进一步的，中央处理模块500可以在励磁正负半周期处对第一电动势信号进行励磁信号的采集，经过处理后得到总电动势，中央处理模块500可以在励磁零点处对第二电动势信号进行励磁零点信号的采集，经过处理后得到零点电动势，进而将总电动势和零点电动势做差得到感应电动势，并根据感应电动势计算得到被测流体的流量。

本实用新型实施例通过增设第二信号处理模块400，使中央处理模块500根据第二信号处理模块400输出的第二电动势信号实时确定被测流体的零点电动势，可以避免采用同一零点电动势造成的大测量误差，提高测量精度。不仅如此，设置第一信号处理模块300和第二信号处理模块400，可以使中央处理模块500同时分别对两信号处理模块的输出信号做进一步的运算和处理，得到总电动势和零点电动势，有利于提高中央处理模块500的信号处理速度，减轻中央处理模块500的运行负担，使其处理速度与大量的采集数据相匹配。

本实用新型实施例提供的电磁流量计，通过设置第一信号处理模块和第二信号处理模块，使中央处理模块根据第一信号处理模块输出的第一电动势信号确定被测流体上的总电动势，根据第二信号处理模块输出的第二电动势信号确定被测流体自身存在的动态变化的零点电动势，进而可以根据总电动势和零点电动势确定被测流体因磁场激励而产生的感应电动势，从而根据感应电动势可以确定被测流体的流量。零点电动势实际上并非固定不变的，本实用新型实施例的方案对被测流体的零点电动势进行实时采集，相比于现有电磁流量计采用固定零点电动势的方案而言，具有更高的检测精度。

在上述实施例的基础上，图2是本实用新型实施例提供的另一种电磁流量计的结构示意图，对电磁流量计10的结构做了进一步细化。参见图2，可选的，励磁驱动单元110包括顺次电连接的恒流源电路111、励磁隔离电路112、励磁控制电路113和励磁检测电路114；中央处理模块500分别与励磁隔离电路112和励磁检测电路114电连接，励磁线圈120与励磁控制电路113电连接。

具体的，中央处理模块500输出的励磁控制信号以及恒流源电路111输出的励磁电流信号经励磁隔离电路112和励磁控制电路113后形成励磁信号作用与励磁线圈120，使之产生磁场。其中，恒流源电路111用于提供稳定的励磁电流信号，示例性的，该励磁电流信号可以是200mA的大电流信号，以保证励磁线圈120产生的磁场稳定可靠。励磁控制信号可以是方波(电平)信号，主要用于改变励磁电流的极性。励磁隔离电路112用于隔离励磁控制信号中的电磁干扰、噪声干扰、工频干扰等干扰信号，确保传送到励磁控制电路113中的方波信号没有杂波。励磁控制电路113则用于对励磁控制信号进行时序控制，保证励磁信号快速准确地传送到励磁线圈120。

示例性的，恒流源电路111可以由线性稳压器、仪表运算放大器、MOSFET组成，能够产生稳定可靠的励磁电流，具备耐冲击电压和耐冲击电流能力。励磁隔离电路112可以由磁偶、反相器等器件组成，以隔离干扰信号。励磁控制电路113可以由集成电路芯片构成，可以快速准确地控制励磁信号。

其中，励磁检测电路114主要起到反馈作用，反馈当前励磁控制电路113是否处于正常励磁状态。示例性的，励磁检测电路114可以由运算放大器、低通滤波器组成，可以采集励磁控制电路113输出的电流值，并将其转换成电压值，该电压值可被中央处理模块500采集，用以判断励磁状态是否正常。

本领域技术人员可自行设计恒流源电路111、励磁隔离电路112、励磁控制电路113和励磁检测电路114，本实用新型实施例对此不作限定。

继续参见图2，可选的，励磁驱动模块100还包括空管检测单元130，空管检测单元130分别与中央处理模块500和检测模块200电连接。

为了得到被测流体实际流过测量管的流量，通常要求被测流体充满测量管，因此，在智能化电磁流量计中，常常设计空管检测电路，来报警测量管道的非充满状态。示例性的，空管检测单元130可以由运算放大器和滤波器构成。中央处理模块500还用于输出空管检测信号，使空管检测单元130接收空管检测信号并将其作用于检测电极，进而第一信号处理模块300对检测电极的检测结果进行处理后发送至中央处理模块500，使中央处理模块500根据检测电极的检测结果判断测量管道是否处于空管状态。示例性的，空管检测信号同样可以是方波信号，中央处理模块500可以交替输出励磁控制信号和空管检测信号，以排查测量管道是否为非充满状态。本实用新型实施例对空管检测单元130的电路结构不做限定，本领域技术人员可自行设计。

继续参加图2，可选的，第一信号处理模块300和第二信号处理模块400均包括顺次电连接的信号放大单元310(410)、滤波放大单元320(420)、基准幅值比较单元330(340)和模数转换单元340(440)；信号放大单元310(410)与检测模块200电连接，模数转换单元340(440)与中央处理模块500电连接。

首先，需要说明的是，为便于区分，图2对第一信号处理模块300和第二信号处理模块400中的信号放大单元、滤波放大单元、基准幅值比较单元和模数转换单元采用了不同的附图标记。

具体的，以第一信号处理模块300的信号处理过程为例，首先利用信号放大单元310对检测电极的输出信号进行放大处理，形成第一级电动势信号，然后利用滤波放大单元320对第一级电动势信号进行滤波和二次放大处理，形成第二级电动势信号，再利用基准幅值比较单元330进一步去除干扰信号(此干扰信号的幅值通常远大于电动势信号的正常幅值范围)，最后，利用模数转换单元340将模拟量的电动势信号转换为数字量的第一电动势信号并传输至中央处理模块500，由中央处理模块500对第一电动势信号做进一步的分析和处理。

仍以第一信号处理模块300为例，进一步可选的，信号放大单元310包括差分放大电路；滤波放大单元320包括顺次电连接的低通滤波放大电路和高通滤波放大电路；模数转换单元340包括模拟-数值转换电路。

示例性的，差分放大电路可以由高输入阻抗差分电路和精密仪表放大器组成，用于对检测电极的输出信号进行差分放大，去除共模干扰。滤波放大单元320可以由两级二阶低通滤波和一阶高通滤波放大电路级联组成，用于对上级信号进行滤波和二次放大处理，以进一步提高信噪比。模拟-数字转换电路可以是24位高精度模拟-数字转换电路。本领域技术人员可以自行设计第一信号处理模块300和第二信号处理模块400中各部分电路的结构，本实用新型实施例对此不作限定。

继续参见图2，进一步可选的，第一信号处理模块300和第二信号处理模均还包括幅值调整单元350(450)；幅值调整单元350(450)分别与中央处理模块500与信号放大单元310(410)电连接。

仍以第一信号处理模块300为例，中央处理模块500对第一电动势信号作进一步处理后，可以得到反映流体流速大小的信号幅值。可以理解的，不同流体的流速通常处于一定的范围内，若上述反映流体流速大小的信号幅值未处于该范围内，则表明检测结果出现异常，此时，中央处理模块500可根据信号幅值的大小进行幅值调整，以使反映流体流速大小的信号幅值处于正常范围内。示例性的，幅值调整单元350包括带有缓冲基准输入的数-模转换电路(DAC电路)，当中央处理模块500判断检测结果异常后，可以通过幅值调整单元350对信号放大单元310的工作参数进行调整，以使反映流体流速大小的信号幅值处于正常范围内。本领域技术人员可自行设定幅值调整单元350，本实用新型实施例对此不作限定。

继续参见图2，可选的，中央处理模块500为数字信号处理(Digital SignalProcessing，DSP)系统，DPS系统包括处理器510和存储器520，第一信号处理模块300、第二信号处理模块400、励磁驱动单元110和存储器520分别与处理器510电连接；励磁控制信号的频率为12.5Hz。

DSP系统相较于传统的MCU而言性能更为优异，能够提高电磁流量计的可靠性。另外，本实用新型实施例采用高频12.5Hz励磁，该高频励磁控制信号经过励磁隔离电路112和励磁控制电路113后可对励磁线圈120进行12.5Hz三值方波励磁，相比于现有的低频励磁方案而言，有利于提高测量精度。

图3是本实用新型实施例提供的又一种电磁流量计的结构示意图，示出了处理器510与其他模块的连接方式。示例性的，处理器510可以通过通用输入/输出接口(GPIO接口)与第一信号处理模块300和第二信号处理模块400电连接。处理器510可以通过脉冲宽度调制接口(PWM接口)与励磁驱动单元110和空管检测单元130电连接。处理器510可以通过串行通信接口(SCI接口)与存储器520电连接。

继续参见图2，可选的，电磁流量计10还包括：人机交互模块600；人机交互模块600包括显示单元610和按键单元620，显示单元610和按键单元620分别与中央处理模块500电连接。

参见图3，处理器510可以通过GPIO接口与显示单元610和按键单元620电连接。

其中，显示单元610可以用于显示被测流体的流量，显示单元610还可以用于显示参数设置界面等。可选的，显示单元610包括液晶显示屏或有机发光显示屏，本实用新型实施例对此不作限定。

其中，按键单元620可以采用机械式按键实现对中央处理模块500的控制。具体可以用于实现电磁流量计的开启和关闭，以及参数设定界面与流量显示界面的切换等功能，本领域技术人员可根据需求自行设定，本实用新型实施例对此不作限定。

继续参见图2，可选的，电磁流量计10还包括：通讯模块700；通讯模块700分别与中央处理模块500和上位机电连接。

示例性的，中央处理模块500可以通过通讯模块700将被测流体的流量上报至上位机，以便工作人员对被测流体的流动状态进行远程监控。参见图3，处理器510可以通过SCI接口或GPIO接口与通讯模块700电连接，本实用新型实施例对此不作限定。

继续参见图2，可选的，电磁流量计10还包括：电源管理模块800；励磁驱动模块100、第一信号处理模块300、第二信号处理模块400和中央处理模块500均与电源管理模块800电连接。

具体的，电源管理模块800可以进行电压的转换，主要用于为电磁流量计10内部的各个模块提供其正常工作所需的工作电源。需要说明的是，图2仅示例性地示出了电源管理模块800与中央处理模块500电连接的结构，除此之外，电源管理模块800还分别与励磁驱动模块100、第一信号处理模块300、第二信号处理模块400、人机交互模块600以及通讯模块700电连接，在此不再赘述。

示例性的，图4是本实用新型实施例提供的电磁流量计的工作流程示意图，下面结合图4详细介绍电磁流量计的软件系统的工作过程。

首先，控制电磁流量计启动，进行DPS系统初始化。在初始化过程中，主要完成系统处理器配置、参数变量及各外设初始工作状态的配置，以使各个模块处于工作状态。具体的，系统将软件程序下载至内部存储器，并在系统初始化时将子程序从存储器中拷贝到内部随机存取存储器(RAM)中运行以提高程序执行效率。外设初始化主要包括励磁驱动单元使能、空管检测单元使能、第一信号处理模块使能、第二信号处理模块使能、人机交互模块使能以及通讯模块使能等。

在完成系统初始化后，中央处理模块交替输出励磁控制信号和空管检测信号至励磁驱动模块。在励磁控制信号输出阶段，检测电极检测被测流体产生的电动势，该电动势经由第一信号处理模块和第二信号处理模块处理后分别形成第一电动势信号和第二电动势信号，第一电动势信号和第二电动势信号被处理器采集后依次进行带通滤波、幅值解调和滑动滤波处理，得到总电动势和零点电动势，两者做差即可得到被测流体的感应电动势，进而根据感应电动势确定被测流体的流量。在空管检测信号输出阶段，中央处理模块可以根据第一信号处理模块的输出结果判断测量管是否为非充满状态，详见上文描述，在此不再赘述。在信号处理过程中，若发现流量异常，则进行幅值调整处理，详见上文描述，在此不再赘述。

最后，处理器得到被测流体的流量后，可以通过显示屏显示该流量，或通过通讯模块将该流量上报至上位机。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电磁流量计，其特征在于，包括：励磁驱动模块、检测模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块和中央处理模块；

所述励磁驱动模块包括励磁驱动单元和励磁线圈，所述励磁驱动单元分别与所述中央处理模块和所述励磁线圈电连接；所述励磁驱动单元用于根据所述中央处理模块输出的励磁控制信号控制所述励磁线圈产生磁场，所述磁场的方向与被测流体的流动方向垂直；

所述检测模块包括检测电极，用于检测所述被测流体的电动势；所述第一信号处理模块和所述第二信号处理模块均与所述检测模块电连接，所述第一信号处理模块用于对所述电动势进行处理，形成第一电动势信号，所述第二信号处理模块用于对所述电动势进行处理，形成第二电动势信号；

所述中央处理模块分别与所述第一信号处理模块和所述第二信号处理模块电连接，用于根据所述第一电动势信号和所述第二电动势信号确定被测流体的流量。

2.根据权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，所述励磁驱动单元包括顺次电连接的恒流源电路、励磁隔离电路、励磁控制电路和励磁检测电路；

所述中央处理模块分别与所述励磁隔离电路和所述励磁检测电路电连接，所述励磁线圈与所述励磁控制电路电连接。

3.根据权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，所述励磁驱动模块还包括空管检测单元，所述空管检测单元分别与所述中央处理模块和所述检测模块电连接。

4.根据权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，所述第一信号处理模块和所述第二信号处理模块均包括顺次电连接的信号放大单元、滤波放大单元、基准幅值比较单元和模数转换单元；

所述信号放大单元与所述检测模块电连接，所述模数转换单元与所述中央处理模块电连接。

5.根据权利要求4所述的电磁流量计，其特征在于，所述信号放大单元包括差分放大电路；

所述滤波放大单元包括顺次电连接的低通滤波放大电路和高通滤波放大电路；

所述模数转换单元包括模拟-数值转换电路。

6.根据权利要求4所述的电磁流量计，其特征在于，所述第一信号处理模块和所述第二信号处理模均还包括幅值调整单元；

所述幅值调整单元分别与所述中央处理模块与所述信号放大单元电连接。

7.根据权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，所述中央处理模块为数字信号处理系统，所述数字信号处理系统包括处理器和存储器，所述第一信号处理模块、所述第二信号处理模块、所述励磁驱动单元和所述存储器分别与所述处理器电连接；

所述励磁控制信号的频率为12.5Hz。

8.根据权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，还包括：人机交互模块；

所述人机交互模块包括显示单元和按键单元，所述显示单元和所述按键单元分别与所述中央处理模块电连接。

9.根据权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，还包括：通讯模块；

所述通讯模块分别与所述中央处理模块和上位机电连接。

10.根据权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，还包括：电源管理模块；

所述励磁驱动模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块和中央处理模块均与所述电源管理模块电连接。

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