電磁流量計無源標準信號發生器的製作方法

2023-06-09 00:39:31 2

專利名稱：電磁流量計無源標準信號發生器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電磁流量計無源標準信號發生器。
背景技術：
電磁流量計是一種基於法拉第電磁感應定律的流量測量裝置，用於測量導電流體流量。由於它在傳感器內部沒有阻擋流體的部件，壓力損失低，因而得到了日益廣泛的應用。
電磁流量計由傳感器和轉換器兩部分組成。傳感器將流體的流動速度信號轉換成微弱的電壓信號。轉換器測量傳感器輸出的電壓信號，把它轉換成其他的工業標準信號，如4-20毫安電流信號等。
電磁流量計轉換器接收的傳感器輸出信號是很微弱的，一般是在微伏到毫伏數量級，因而轉換器必須有很高的放大倍數，同時放大倍數必須精確。但實際上由於考慮到成本原因，不可能統統選用高精度的元器件來製造轉換器，因而工廠中造出的每一臺轉換器的放大倍數一般是不相等的。為解決這個問題，在製造過程中都需要用轉換器去測量電磁流量計標準信號發生器輸出的標準信號，根據轉換器的輸出計算出該轉換器的實際放大倍數。根據實際放大倍數則可以得到一個對應的係數，利用該係數，通過軟體計算的方法對測量結果進行修正，從而使生產的所有轉換器的放大倍數一致。
電磁流量計標準信號發生器用來模擬不同流速下的傳感器輸出信號，標準信號發生器甚至成為電磁流量計轉換器製造廠的基準。現有的信號發生器內部都需要用到運算放大器等需要電源的器件，因而需要電池供電。而為了延長電池供電的使用時間，則採用了延時自動斷電或加電源開關等方法，系統結構較複雜，並且需要定期更換電池等維護。倘若需要信號發生器長時間連續運行以測試轉換器的穩定性，則有可能出現電池能量耗盡。此外有源放大往往使得輸出信號會由於運放的零點漂移、電池電壓降低等原因而影響輸出精度。

發明內容
本實用新型的目的是提供一種電磁流量計無源標準信號發生器。
第一電阻、第二電阻、第三電阻串聯相接，第一電阻、第二電阻的連接點上依次連接有第四電阻、第六電阻、直至第n電阻，第四電阻、第六電阻、直至第n電阻相鄰連接點分別與雙刀多擲開關的第一開關各個定觸點相接，第二電阻、第三電阻連接點上依次連接有第五電阻、第七電阻、直至第n+1電阻，第五電阻、第七電阻、直至第n+1電阻相鄰連接點分別與雙刀多擲開關的第二開關各個定觸點相接，第n電阻、第n+1電阻的端點的連接點與電解電容的正極相接，電解電容的負極接地，雙刀多擲開關的第一開關K1動觸點經第一電容、第一放電電阻、第二放電電阻、第二電容、雙刀多擲開關的第二開關動觸點相接，第一放電電阻和第二放電電阻接地。
本實用新型設計的電磁流量計無源標準信號發生器全部採用了無源器件，從而不需要定期更換電池等維護。當需要長時間連續運行時不會由於電池電能耗盡而停止工作。由於不存在運算放大器等有源器件，也不存在信號發生器零點漂移的問題，因而有更好的長期穩定性。


圖1是電磁流量計無源標準信號發生器電路圖；圖2是電磁流量計無源標準信號發生器無源信號發生器原理圖3是本實用新型的無源信號發生器與有源信號發生器輸出信號對比圖。
具體實施方式
電磁流量計是測量導電流體切割磁力線而產生的感應電動勢，從而測得流量。
電磁流量計傳感器的輸出信號為E＝BDV(1)其中B為電極與管道軸心垂直平面上的平均磁感應強度，D為管道直徑，V為被測流體的流速。
由於磁場是由交變恆流勵磁電路產生的，所以B可表示為B＝KII (2)其中I為恆流源產生的電流，KI是電流與感應強度之間的係數，它由傳感器的各種結構參數決定。
式(2)帶入式(1)式得到E＝KIIDV＝KIDIV (3)在電磁流量計轉換器設計中，假設不同口徑的傳感器在相同的流速下產生的信號相等。雖然實際的傳感器設計中難以滿足這一條件，但是只要在相同流速下輸出信號是在同一數量級，那麼就可以通過設置轉換器中的傳感器係數來實現匹配不同的傳感器。標準信號發生器上只有流速檔，沒有傳感器口徑設置。由式3可知，傳感器輸出的電壓信號E與流速V和恆流源輸出的電流I成正比。也就是說，當流速恆定時，如果有一個裝置可以輸出與勵磁電流成正比的信號，就可以用它來模擬傳感器，對轉換器進行標定。
如圖1所示，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3串聯相接，第一電阻R1、第二電阻R2的連接點上依次連接有第四電阻R4、第六電阻R6、直至第n電阻Rn，第四電阻R4、第六電阻R6、第n+1電阻Rn+1相鄰連接點分別與雙刀多擲開關的第一開關K1各個定觸點相接，第二電阻R2、第三電阻R3連接點上依次連接有第五電阻R5、第七電阻R7、直至第n+1電阻Rn+1第五電阻R5、第七電阻R7、第n+1電阻Rn+1相鄰連接點分別與雙刀多擲開關的第二開關K2各個定觸點相接，第n電阻Rn、第n+1電阻Rn+1的端點的連接點與電解電容C1的正極相接，電解電容C1的負極接地，雙刀多擲開關的第一開關K1動觸點經第一電容C2、第一放電電阻RC1、第二放電電阻RC2、第二電容C3、雙刀多擲開關的第二開關K2動觸點相接，第一放電電阻RC1和第二放電電阻RC2接地。
所述的第一電阻R1、第三電阻R3相等。第二電阻R2、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、直至第n電阻Rn、第n+1電阻Rn+1精度為0.05-0.1％。第四電阻R4與第五電阻R5相等、第六電阻R6與第七電阻R7相等、…第n電阻Rn與第n+1電阻Rn+1相等。第一放電電阻RC1、第一放電電阻RC2採用普通5％精度的電阻即可。並且第一電容C2與第二電容C3相等，第一放電電阻RC1與第二放電電阻RC2相等。
無源信號發生器的輸出信號有三檔(實際的發生器可根據原理增加更多檔位)，K1和K2為聯動開關。為更清楚地說明其工作原理，把它和電磁流量計轉換器的部分電路畫在一起，如圖2所示。圖2框外部分為轉換器的勵磁和信號輸入部分原理圖，畫在此處以方便解釋信號發生器工作原理。
圖2中第二電阻R2和第一電阻R1、第三電阻R3用來取代勵磁線圈，勵磁電流從這3個電阻上流過。這3個電阻之和應該儘量接近實際線圈的電阻，這是為了儘量讓電磁流量計的勵磁電路儘量接近實際工作狀態。實際工作時由於轉換器所配套的傳感器口徑不同，線圈電阻也不可能完全相等，取這些不同線圈阻值的中間值即可。本系統中第二電阻R2為0.1％或更高精度精密電阻。第一電阻R1、第三電阻R3都為5W功率的水泥電阻，對它的精度要求很低，但應該通過篩選使得它們儘量阻值接近。第一電阻R1、第三電阻R3不能合併成一個電阻，這是因為勵磁電流通過S1～S4的切換是交變流過這三個電阻的，這種3電阻結構可以使第二電阻R2的中心點的電壓在電流切換方向後仍然保持不變。
第四電阻R4、第五電阻R5…第n電阻Rn、第n+1電阻Rn+1構成分壓網絡，對第二電阻R2上的電壓進一步分壓。一般(R4+R5…+Rn+Rn+1)＞＞R2，當第一開關K1和第二開關K2的位置如圖2所示時，若勵磁電流為I，則信號發生器輸出的信號是第一開關K1和第二開關K2的公共端的電壓差Vo=IR2Rn+Rn+1i=4n+1Ri---(5)]]>即輸出電壓與電流I成正比。通過合理設計分壓電阻網絡，這個信號可以用來模擬電磁流量計傳感器的輸出。需要說明的是，在第一開關K1和第二開關K2公共端輸出的電壓信號上面有很大的對地共模電壓(由於第四電阻R4、第五電阻R5、至第n電阻Rn、第n+1電阻Rn+1分壓支路上下對稱，即R4＝R5、R6＝R7、…Rn＝Rn+1，所以共模電壓等於第二電阻R2中心點的電壓)，當S2S3閉合、S1S4斷開時，此時第二電阻R2中心點的電壓為VCOM1＝V1+I(RS3+R3+R2/2) (6)其中V1是恆流源I上端的電壓，RS3為S3閉合時的電阻。當S1S4閉合、S2S3斷開時，VCOM2＝V1+I(RS1+R1+R2/2) (7)其中RS1為S1閉合時的電阻。由於第一電阻R1與第三電阻R3相等、RS1＝RS3，所以當電流切換方向後，由式(6)和式(7)得到的共模電壓不變。由此可知，RS1與RS2應該儘量相等，以使得電流切換方向後共模電壓不變。
實際電路中，第一電阻R1和第三電阻R3可通過篩選電阻方便的實現其阻值儘量精確相等，但RS1與RS3是轉換器內部的集成電子開關，很難保證其精確相等，因而共模成分仍然會有微小變化。為此，電路中增加了電解電容C1，它對輸出信號的共模成分濾波，以降低共模信號的波動。該濾波器的時間常數為T1＝(R4+R5…Rn+Rn+1)C1/2 (8)假設勵磁電流切換的頻率為fEXC，則可取電解電容C1使得該濾波器對勵磁頻率的信號有足夠的濾波效果。但時間常數T1也不應太大，若太大，則系統上電後C1需要很長時間才能充電達到穩定的電壓。
圖2中電容第一電容C2、第二電容C3用來隔離第一開關K1、第二開關K2輸出信號的共模成分，只允許交流信號通過。而由式(6)和式(7)可知，輸出信號的共模成分在電流換向前後保持不變，因而共模信號可以認為是直流。並且電容C1可進一步提高共模電壓的穩定性，因而共模電壓可完全被第一電容C2、第二電容C3隔離。第一放電電阻RC1和第二放電RC2構成第一電容C2和第二電容C3的對地放電迴路。這是由於轉換器信號放大部分(圖2右側虛線外部分電路)的輸入阻抗很高，若沒有第一放電電阻RC1和第二放電RC2，則系統開始工作後輸出信號中含有的很高的共模電壓會一直降不下來。該瀉放迴路的時間常數為T2＝RC1C2(9)T2的選擇應該使得系統在上電後很快把輸出信號的共模成分瀉放掉(這需要減小T2)，另一方面要使得交流方波信號通過該電路時，在方波的平穩段不會出現電壓下降(這需要增加時間常數)，該時間常數的選擇需要在兩者之間折中。
本信號發生器電路剛上電時需要等待一段時間才能正常工作，這段時間是由於時間常數T1和T2的存在造成的。如果希望系統上電後能夠很快工作，可以用聯動的開關在上電後將圖2中的A、B和D點短路，同時第一放電電阻RC1和第二放電RC2對地短路，然後斷開，系統將很快可以正常工作。也可以用場效應管輸出的光耦來代替開關，光耦的輸入則利用系統上電的上跳沿來觸發使得光耦的輸出導通很短時間的一段時間，以起到與開關相同的效果。但光耦的輸出端的洩漏電流會對系統輸出信號精度有一定的影響。
實施例若信號發生器輸出信號分如下檔位(米/秒)0、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、2.0、4.0、5.0、10、15。則電阻、電容為第一電阻R1與第三電阻R3都是22歐姆(5W水泥電阻)，第二電阻R2為1歐姆(0.05％精度)，第四電阻R4與第五電阻R5都是148.5K歐姆，第六電阻R6與第七電阻R7為500歐姆，第八電阻R8與第九電阻R9都是500，第十電阻R10與第十一電阻R11都是100，第十二電阻R12與第十三電阻R13都是200歐姆，第十四電阻R14與第十五電阻R15都是100歐姆，第十六電阻R16與第十七電阻R17都是50歐姆，第十八電阻R18與第十九電阻R19都是10歐姆，第二十電阻R20與第二十一電阻R21都是20歐姆，第二十二電阻R22與第二十三電阻R23都是10歐姆，第二十四電阻R24與第二十五電阻R25都是10歐姆，第二十六電阻R26與第二十七電阻R27都是0歐姆。第4電阻R4至第二十七電阻R27精度都是0.05％。電解電容C1為22μf、第一電容C2與第二電容C3都是2.2μf校正電容、第一放電電阻RC1和第二放電電阻RC2都是10兆歐姆。實驗結果及結論將發明設計的無源發生器與有源發生器接到相同的轉換器上，用示波器測量它們各自的波形進行對比實驗。由於信號發生器輸出的信號都非常微弱，因而用示波器測量轉換器中信號放大電路輸出。它們輸出信號的波形如圖3所示。
圖3中第二行(REFII)和第三行(CHII)分別為有源和無源信號發生器輸出信號的波形圖，由圖中波形可見它們完全相同。將兩種信號發生器接到同一臺轉換器上，轉換器上顯示的流量也相同。實驗表明本文設計的無源信號發生器可以取代有源信號發生器。
權利要求1.一種電磁流量計無源標準信號發生器，其特徵在於，第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)串聯相接，第一電阻(R1)、第二電阻(R2)的連接點上依次連接有第四電阻(R4)、第六電阻(R6)、直至第n電阻(Rn)，第四電阻(R4)、第六電阻(R6)、第n電阻(Rn)相鄰連接點分別與雙刀多擲開關的第一開關(K1)各個定觸點相接，第二電阻(R2)、第三電阻(R3)連接點上依次連接有第五電阻(R5)、第七電阻(R7)、直至第n+1電阻(Rn+1)，第五電阻(R5)、第七電阻(R7)、直至第n+1電阻(Rn+1)相鄰連接點分別與雙刀多擲開關的第二開關(K2)各個定觸點相接，第n電阻(Rn)、第n+1電阻(Rn+1)的端點的連接點與電解電容(C1)的正極相接，電解電容C1的負極接地，雙刀多擲開關的第一開關(K1)動觸點經第一電容(C2)、第一放電電阻(RC1)、第二放電電阻(RC2)、第二電容(C3)、雙刀多擲開關的第二開關(K2)動觸點相接，第一放電電阻(RC1)和第二放電電阻(RC2)接地。
2.根據權利要求1所述的一種電磁流量計無源標準信號發生器，其特徵在於，所述的第一電阻(R1)與第三電阻(R3)相等。
3.根據權利要求1所述的一種電磁流量計無源標準信號發生器，其特徵在於，所述的第二電阻(R2)、第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第六電阻(R6)、第七電阻(R7)、直至第n電阻(Rn)、第n+1電阻(Rn+1)精度為0.05-0.1％。
4.根據權利要求1所述的一種電磁流量計無源標準信號發生器，其特徵在於，所述的第四電阻(R4)與第五電阻(R5)相等、第六電阻(R6)與第七電阻(R7)相等、直至第n電阻(Rn)與第n+1電阻(Rn+1)相等。
專利摘要本實用新型公開了一種電磁流量計無源標準信號發生器。第一電阻、第二電阻、第三電阻串聯相接，第一電阻、第二電阻的連接點上依次連接有第四電阻、直至第n電阻，第四電阻、直至第n電阻相鄰連接點分別與第一開關各個定觸點相接，第二電阻、第三電阻連接點上依次連接有第五電阻、直至第n+1電阻，第五電阻、直至第n+1電阻相鄰連接點分別與第二開關各個定觸點相接，第n電阻、第n+1電阻的端點的連接點與電解電容的正極相接，第一開關K
文檔編號G01F1/56GK2869796SQ20052011722
公開日2007年2月14日 申請日期2005年12月14日 優先權日2005年12月14日
發明者王保良, 黃志堯, 徐劍波, 黃召煥 申請人:浙江大學, 餘姚市銀環流量儀表有限公司