基于低频正弦波励磁方式的电磁流量计设计

　　0　引　言

　　电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的一种测量导电性液体体积流量的仪表。它能够测量多种形状流道内导电液体的流速和流量,在电磁流量计中,传 感器的工作磁场是由励磁系统产生的,传感器中的励磁电流波形与工作磁场强度波形基本一致,所以,励磁方式就决定了传感器工作磁场特征和电磁流量计的抗干扰 能力大小与零点稳定性能的好坏。目前,电磁流量计主要采用低频矩形波励磁方式和低频三值矩形波励磁方式[1]。本文在总结现有励磁方法的基础上,提出了采 用低频正弦波励磁方式,并采用新型的信号处理方法以提高流量计零点稳定性和测量准确度。

　　1　电磁流量计硬件系统设计

　　基于低频正弦波励磁的电磁流量计硬件系统主要由励磁电路、信号处理电路和单片机系统三部分组成[2],其系统框图如图1所示。

　　1.1　励磁电路

　　励磁电路由低频正弦波励磁信号产生电路和励磁信号功率放大电路两部分组成。低频正弦波励磁信号产生部分采用16位D /A转换芯片DAC7731通过电平转换芯片SN74AHC245与MSP430F449单片机的USART通信模块相连的方式产生励磁信号。 DAC7731输出量程为-5~+5V,内部参考电压10V,USART为四线SPI主机模式。此励磁信号产生电路,通过MSP430单片机的定时器进行 分频,可软件编程修改励磁频率,为电磁流量计选择不同的励磁频率提供了更大的方便[3]。功率放大电路部分采用互补对称式功率放大电路。通过运算放大器对 励磁信号电压放大,两级互补对称功率放大电路对励磁信号电流放大,放大后的信号输入电磁流量计励磁线圈作为励磁电压。

　　1.2　信号处理电路

　　电磁流量计是法拉第电磁感应定律的具体应用。导电流体在磁场中流动切割磁力线,产生感应电动势。此感应电动势是一个微弱的交变信号,在实际测量 中基本上可以测出1m /s流速对应为0. 1mV感应电动势,且此信号内阻高,为MΩ级,同时噪声信号多,尤其为50Hz工频干扰,幅值远远大于流量的感应电动势信号[4]。

　　根据感应电动势信号的特点,信号处理电路是测量系统中的关键部分,它是传感器和单片机之间的桥梁,作用是将传感器的感知电动势信号(微伏至毫伏 级的低频正弦波励磁信号)经过放大、滤波、相乘等处理,转变为A/D采样可接收的信号,并通过对这个采样信号的计算可得到流速信息,其电路单元框图如图2 所示。

　　信号通道位于乘法电路之前,其作用是将弱信号放大到足够大的电平,兼有抑制和滤除部分干扰和噪声的功能。它由前置放大电路、高通滤波电路、放大 电路组成。放大后的信号进入接下来的乘法器,乘法器采用四象限高速高精度乘法器芯片AD538AD,AD538AD具有很高的差分输入阻抗,不需外接阻抗 变换电路[5]。放大后的信号与线圈反馈回来的信号通过硬件乘法器相乘,输出乘积信号。由于MSP430单片机为单极性电源供电,因此,片内A/D电压输 入也为单极性输入,即0~3. 3V,而乘法器AD538AD输出的信号为双极性信号,因此,必须经过电平提升电路而将信号转换为单极性信号。电平提升电路包括两部分:第1部分完成的功 能是把输入信号加1. 6V后反相输出,第2部分把反相输出的信号再进行反相。这样就使最初输入的信号提升了1. 6V,这样就能进入接下来的A/D进行采样。