电池供电电磁流量计的设计

在流量测量领域.电磁流量计作为无能量损耗的流量测量仪表，已广泛地应用于工业过程中的各种导电液体的流量测量，形成了独特的应用领域目前国内的电磁流量计，普遍为工频交流供电或24V直流供电方式，功耗较大，在仪表便携式和低功耗的要求上没有得到实现。本文中采用电池供电电磁流量计，从励磁方式和测量电路及单片机微处理器方面进行了低功耗设计，同时满足测量的精度要求.使得电磁流量计可以更好地适应野外现场作业等环境，满足仪表便携式、低功耗的要求。

2电磁流量计工作原理

电磁流量计的工作原理是利用法拉第电磁感应定律，推得流体的体积流量为：

（1）

式中：

Uc为感应电压，单位V；
B为磁感应强度，单位T；
D为管道内径，即测量电极之间的距离，单位m；
Q为流体体积流量，单位m3/s

3硬件电路组成

本设计是电池供电的小口径电磁流量计的设计。由于采用电池供电，必须进行低功耗设计。通过选用低功耗的集成芯片，采用低频三值矩形方波励磁（如图1所示1）以及对单片机的输入输出口进行控制实现分时供电与休眠，从而达到低功耗设计的要求。

由于从前端传感器检测到的信号内阻一般为几MΩ要保证仪表的较高精度，则对整个放大电路的精度要求更高。测量电路如图2所示，主要由前置放大电路、二阶低通滤波器、电压高增益放大级和A/D转换电路以及单片机组成。

3.1前置放大电路

电磁流量传感器采用三值低频矩形方波的励磁方式，从而产生感应强度B。励磁信号的周期为160ms，即励磁频率为6.25Hz，为工频的8分频，可对工频干扰起到正负抵消的作用。且三值矩形方波可以较好地消除测量电极两端产生的极化效应。

由于励磁产生的磁感应强度信号为6.25Hz，则感应电动势也为同频率的交流信号，即被测信号。由于被测流体的内阻很大（与流体的电导率直接相关），高达几MΩ，故测量电路的第一级A1。采用美国MAXIM公司的高精度增益可调的仪表放大器MAX4194，输入阻抗为1000MΩ，±2.5双电源供电，外接元件少，功耗低，符合仪表小型化的要求，并可通过外接精密电阻Rg1。来调节放大倍数。该放大增益的计算公式为：

A=1+50（kΩ）/Rg1

考虑到被测信号中强噪声的存在，减少噪声进入后续电路以及使得精密仪用放大器处于线性工作区，选第一级放大倍数约为10，即Rg1为4.7kΩ或5.1kΩ。

3.2二阶低通滤波器

第二级采用典型的二阶低通滤波器。

图2中R1、R2、C1、C2、A2构成了二阶压控电压源有源低通滤波器。A2为美国MAXIM公司低温漂的运算放大器MAX4477。由电路可知，传递函数为：

（2）

其中特征角频率ωn=1/（R1R2C1C2），我们将f=f0时电压放大倍数的模与通带电压放大倍数之比称为Q值，即等效品质因数：

（3）

根据式（2）求得低通滤波器的幅频特性：

（4）

因此，当励磁频率选为6.25Hz时，取

Q=0.707ωn=2πf=2π×6.25=39.27（5）

综合式（3）、（4）、（5），选取适合的数值：

R1=47kΩ，R2=47kΩ，C1=0.75μF，C2=0.39μF，使得低通滤波电路在6.25Hz的特征频率下有很好的低通滤波效果。

3.3高增益放大级

第三级采用可调高增益放大电路。由MAX4197和MAX4194组成，MAX4194外接精密电阻用来调节放大器的增益。在这一级的输出端用电容C3，结合由单片机控制输出信号的模拟开关，形成反馈将噪声信号取回，与待测的流量信号形成差动信号，有效减少噪声信号的干扰。由于是两个放大器级联，故可以满足电路对信号的放大要求，使得整体放大倍数达到5万倍左右，输出信号的幅值达到0.4~2.4V，进入后续的A/D转换部分。在没有流量信号进入测量电路时，令单片机输出信号使得开关K4闭合，则放大器与电容形成负反馈闭环电路，把测量电路的固有噪声信号反馈到输入端；待流量测量信号进入时，断开反馈回路，与电容上的噪声信号构成差动信号，有效抑制了干扰。

3.4双积分A/D转换器

由于本设计采用电池供电，主要的噪声干扰来自于外部的工频干扰，为了降低功耗，采用独立的外接双积分A/D转换器，选择高精度双积分转换器的基准电压源，利用单片机内部的定时器与计数器，并结合外部模拟开关的选通与截止达到对测量信号的A/D转换功能。

双积分A/D转换器由R6、C4、A5、过零比较器以及单片机的内部计时器组成，双积分A/D转换器输入端的参考电压REF选用高精度的稳压基准电源LM285，A5为高增益低温漂的集成运放OP_90。过零比较器的输入端采用了输入保护，防止大电流损坏运放，输出端采用限幅措施，用以直接驱动后续的数字集成芯片。当开关K1闭合，在正向激磁信号下产生的正向流量测量信号被接入，积分电路对被测信号进行积分，经过T1的积分时间后，第一次积分结束，开关K_P闭合，积分器对参考电压-REF积分。同时单片机的内部计数器开始计时，当运放A5输出为零时，过零比较器的输出产生跳变，驱动与非门产生外部中断信号输入单片机，则单片机的内部计数器计数停止，第二次积分结束，由此被测的模拟信号电压值转变成了由单片机内部时钟脉冲CP计数的时间量，此计数值与被测输入信号的大小成比例关系。同理，当对反向激磁信号产生的正向流量测量信号进行测量时，即相应接通开关K-N，积分器对+REF进行积分，从而将测量信号的模拟电压值转换成时间量。

双积分A/D转换器的工作性能稳定，两次积分只要积分常数τ=R6C4不变，转换结果与τ=R6C4无关，若时钟脉冲CP周期Tc不变，且在T1=2nTc条件下，转换结果也与时钟脉冲CP周期无关；转换器使用双积分A/D转换器，对交流噪声有极强的抗干扰能力，选积分时间为工频周期的整数倍，就可有效抑制工频干扰。由于主要的交流干扰来自工频，所以使用双积分A/D转换器可滤除50Hz的工频干扰。

3.5单片机的选择

一般CPU工作时要消耗较大的功耗，电池供电电磁流量计的选型对CPU要求是严格的。我们选择MICROCHIP公司的PIC系列单片机PIC16F877，它含有PWM、EEPROM等丰富的接口模块和FLASH程序存储器。其低功耗性能，在单片机时钟频率为2MHz，3V供电的情况下功耗低于1mA。

4软件电路设计

系统软件采用结构化、模块化设计方法，由主程序、中断服务程序、计算模块和控制模块组成。主程序为本仪表的检测程序，对系统进行初始化，清各工作寄存器，为计数器及特殊寄存器的状态标志位赋初值，开中断，启动计数器，等待中断发生。运行后首先进行中断判断，是按键中断还是定时器中断。若是按键中断，则进行键值分析，用以实现仪表的外部键盘操作功能。可以使仪表分别进入工况显示状态或是参数设定状态。工况状态下，可以显示瞬间流量、累计流量、流速等。在参数设定状态下，可对仪表的一些内部参数诸如上下限报警等进行浏览和设置。待这些相关数据设置输入后，将其保存在EEPROM中。若是定时计数中断，则调用计算模块进行频率、流量等的计算，并计算流量增量以更新累计流量，随后回到休眠状态，等待下一次中断的到来。

5结束语

本设计中由电池供电的电磁流量计，主要在放大电路上采用了高性能的集成电路和先进的设计思想，对强干扰背景下微弱信号的放大与A/D转换方式进行了研究。励磁方式采用三值低频矩形方波，周期间歇工作，大大降低了励磁功耗。单片机采用省电模式工作，每次输入、累计、显示处理后等待唤醒，这样工作功耗非常小。利用单片机输入输出口的脉冲信号对模拟开关进行控制，分时接通电源以及双积分转换电路的积分切换，使得测量电路功耗降至最低。输入输出接口采用液晶显示，并可以输出4~20mA标准信号，既可就地显示也可以远传实现HART通信。

经实验验证，上述电磁流量计能够满足对前端传感器输出信号的测量，当流速v在0.4~8m/s范围时，体积流量测量精度可以达±1%，同时显示瞬时流量和累积流量，正反向流量。