基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計及其勵磁方法

2023-07-16 07:52:26 2

基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計及其勵磁方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計，包括電磁流量傳感器和勵磁轉換系統，所述勵磁轉換系統包括勵磁電路模塊、單片機、信號處理模塊、電源電路模塊、通信電路模塊、鍵盤、LCD顯示模塊和鋰電池，所述電磁流量傳感器包括勵磁線圈，其特徵在於所述勵磁線圈上採用梯形勵磁電流波形，測量時，勵磁轉換系統開始供電，當梯形電流勵磁時，勵磁電路模塊中的H橋由低壓電源供電，不測量時，H橋不供電，而單片機處於低功耗休眠模式，本發明大大降低了微分幹擾和同相干擾，提高了電磁流量的信噪比，使兩節電池至少工作5年，大大滿足了很多無市電供電或必須由電池供電、且需要電磁流量計測量流量需求的場合。
【專利說明】基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計及其勵磁方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子儀器【技術領域】，具體地說是一種基於梯形勵磁電路的低功耗電磁流量計及其勵磁方法。
【背景技術】
[0002]眾所周知，現在北方城市冬天取暖，大都採用集中供暖，按照用戶建築面積計算收費方式不利於節能減排，也不適應市場經濟發展的需要，所以，採用一戶一表方式計量熱量成為趨勢。現有的熱量表通常包括超聲流量計和電磁流量計兩種，超聲波流量計目前還處於主流產品，其不足是如超聲波流量計核心部件超聲換能器容易因外殼被腐蝕而損壞；在實際測量時水中的雜質往往較多，雜質會偏移超聲波的入射角，測量誤差變大；超聲波熱量表一般要縮小換能器部分的管徑，增加了壓力損失等。而電磁流量計表體不與水介質接觸，相對於超聲波流量計優點明顯，其包括電磁流量傳感器和勵磁轉換系統，所述勵磁轉換系統包括勵磁電路模塊、MCU單片機、信號處理模塊、電源電路模塊、通信電路模塊、鍵盤、IXD顯示模塊和鋰電池，所述電磁流量傳感器包括勵磁線圈，MCU單片機通過電源電路模塊和勵磁電路模塊控制電磁流量傳感器，電磁流量傳感器將檢測的信號經信號處理電路處理後上傳給MCU單片機，MCU單片機串口通信電路，鍵盤和IXD顯示模塊通過數據線與MCU單片機相連接，所述勵磁電路模塊、MCU單片機、信號處理模塊、電源電路模塊、通信電路模塊、鍵盤、LCD顯示模塊和電磁流量傳感器經鋰電池供電，由於其結構簡單、內部無阻流部件、測量精度高等優點，被廣泛應用於導電介質流體流量的測量中，特別是各種含有雜質的水煤眾、紙眾的流量測量，請參 考文獻-Shercliff J A.The theory of electormagneticflow-measurement【M】.QJP Archive, 1962。由於現有的很多流量檢測，如野外、油田等流量的計量，特別是家庭應用的熱流量計量，必須以電池作為電源供電，因此，整個系統電路由鋰電池提供電源，其實質性不足是:由於電磁流量計是基於電磁感應定律工作的，當導電的流體流經電磁流量測量管時，切割傳感器內磁場的磁力線，產生感生電動勢，流速與感生電壓成正比。現在主流電磁流量傳感器都採用直流線圈勵磁，所以在採樣時，電磁流量傳感器的磁感應強度通常是恆定的，勵磁線圈通恆定電流，產生恆定磁場，通常勵磁線圈電壓較高、電流比較大，無法採用電池供電。
[0003]電磁場的磁動勢的表達式如下:
L L
φ.^ = φ -- = β …^( I )
μΑ μ
式中為磁動勢;/為勵磁電流為線圈匝數-,Re為磁阻'Φ為磁通'L為磁路長度，U磁導率。通常傳感器設計完成後，I //、Z都為固定值，只要J恆定，就產生恆磁感應強度。為了降低功耗，在2005年，作者靳笑宇，蘇兆棠，莫德舉發表的《儀器儀表用戶》中的「可攜式低功耗電磁流量計測量電路的設計」 一文中講述了電磁流量傳感器採用三值低頻矩形方波的勵磁方式，三值低頻矩形方波勵磁的作用是產生感應強度，這種勵磁信號的周期選為160ms，即勵磁頻率為6.25Hz，為工頻的八分頻，可對工頻幹擾起到正負抵消的作用，但是，但勵磁電流I (即磁感應強度B)躍變時，從下列式中可以看出，磁感應強度的微分和二次微分趨向於無窮大，導致流量信號加入的幹擾很大，請參看下列分析:
電磁流量傳感器電極兩端輸出信號由下式表不:
【權利要求】
1.一種基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計，包括電磁流量傳感器和勵磁轉換系統，所述勵磁轉換系統包括勵磁電路模塊、單片機、信號處理模塊、電源電路模塊、通信電路模塊、鍵盤、IXD顯示模塊和鋰電池，所述電磁流量傳感器包括勵磁線圈，所述電磁流量傳感器電極兩端輸出的信號包括流量信號、微分幹擾信號、同相干擾信號、共模幹擾信號、串模幹擾信號和直流極化電壓，其特徵在於所述勵磁線圈上採用梯形勵磁電流波形，當梯形電流勵磁恆定時，勵磁電路模塊中的H橋產生低壓供電，當梯形電流上升或下降時，電磁流量傳感器中的微分幹擾是一個常數，而同相干擾為零，所述共模和差模幹擾採用放大器引線以雙絞線纏繞方式來降低幹擾，所述串模幹擾採用接地方式去除，所述勵磁電路模塊中的H橋工作過程為:場效應管Tl與T4導通，場效應管T2與T3截止，給勵磁線圈加一個正向梯形勵磁電流；場效應管Tl與T4截止，場效應管T2與T3導通，給勵磁線圈加一個反向梯形勵磁電流。
2.根據權利要求1所述的一種基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計，其特徵在於根據權利要求I所述的一種基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計，其特徵在於所述勵磁電路模塊中的運算放大器採用低功耗軌對軌運算放大器作為比較器。
3.根據權利要求1所述的一種基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計，其特徵在於所述MCU單片機採用MSP430F4793單片機。
4.根據權利要求1所述的一種基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計，其特徵在於所述電源電路模塊採用TPS65130雙輸出DC/DC轉換器。
5.根據權利要求1所述的一種基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計的勵磁方法，其特徵在於具體步驟為:電池 向高電壓轉換成低電壓的電源Vch供電，輸出相同勵磁電流，在相同時間內電池消耗能量減低，勵磁電源Vch為勵磁電路模塊中的H橋供電，所述勵磁電路的電源模塊由MCU單片機控制，當電源電路模塊中的單片機埠線P2.3、單片機埠線P2.4為低電平時，勵磁電路不供電，沒有能量損耗；當電源電路模塊中的單片機埠線P2.3、單片機埠線P2.4高電平，勵磁電路模塊開始工作，當勵磁電路模塊中的單片機埠線P2.1低電平、單片機埠線P2.2高電平時，場效應管Tl導通，場效應管T3截止；場效應管T2截止，場效應管T4導通，勵磁電路模塊中的單片機埠線P2.0由低電平變成高電平時，電源電路中的電阻R1、電容Cl為串聯電路，電容Cl的交流電壓VCl按照指數曲線上升，在勵磁線圈的基準電壓LM385達到穩壓之前，呈近線性上升，電壓V+線性增加，其控制恆流源Is電流線性增加，其電流從電源Vch加到勵磁線圈LI上，電流沿著場效應管Tl、線圈A端至B端、場效應管T4、電壓Vc、場效應管T5、電阻R3方向流動，產生梯形上升邊沿；當電壓VCl大於電壓Uz時，基準電壓LM385開始穩壓，此後恆流源電電流保持恆定，延時一段時間MCU單片機開始採樣；採樣後單片機埠線P2.0由高電平變為低電平，電容Cl儲存的電荷經過Rl進行放電，電壓Vcl近似線性減小，也就是電壓V+近似線性減小，則勵磁電流按照線性減小，產生梯形下降邊沿，單片機埠線P2.1高電平、單片機埠線P2.2低電平時，場效應管Tl截止，場效應管T3導通；場效應管T2導通，場效應管T4截止，電流源(勵磁電流)將由Vch流經場效應管T2、線圈B端至A端、場效應管T3、電壓VC、場效應管T5、電阻R3，勵磁電流變成負向，控制單片機埠線P2.0變成高電平、低電平，輸出一個負向的梯形勵磁電流。
6.根據權利要求5所述的一種一種基於梯形勵磁的低功耗電磁流量計的勵磁方法，其特徵在於所述場效應管採用低開通域值電壓的耗盡型場效應管，其飽和導通電壓低於.0.05V。
【文檔編號】G01F1/58GK103900648SQ201410123998
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】杜清府, 任文建 申請人:山東大學（威海）