电磁流量计信号调理电路设计
电磁流量计的智能化前端信号电路设计概要
电磁流量计的智能化前端信号电路设计概要电磁流量计的智能化前端信号电路设计■义乌市仪表有限公司孙向东■义乌市广播电视局何晓芹摘要关键词阐述电磁流量计最为关键的前端放大电路。
其具有线路简单、集成度高,特别是单片机可自动调节仪表放大倍数,以适应仪表的宽量程;采用24位A/D采样流量信号,精度高,可应用于DN15~DN2000(mm所有口径的电磁流量计,是一种新型智能化放大电路,将大大提高电磁流量计的测量精度。
电磁流量计运算放大器智能化高精度电磁流量计是一种依据电磁感应定律开发的测量导电流体流量的仪表,在石油、化工、冶金、医药、环保等行业内均有广泛使用。
但是,国内的电磁流量计智能化水平低,测量精度不高,与国际先进的电磁流量计在技术上有一定的差距。
其中,电磁流量计的前端放大电路是最为关键的部分,但也是最为薄弱的环节,为此开发了一种智能化的前端放大电路。
根据流量或口径可自动调整放大倍数,极大地提高了电磁流量计的测量精度。
1原理和智能化放大电路设计1.1原理电磁流量计是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,产生电动势,推导公式为E = K?Q(1式(1表明电极两端的感应电动势E与被测导电介质的体积流量成正比。
其中电动势E是一个微弱的交变信号,此信号具有以下3个特点:①感应的电动势为0.1~7 mV左右的交变信号。
在实际测量中,基本上可以测出的是1 m流速对应1 mV;②此信号内阻高,为几MΩ;③其它干扰成分信号多,尤其为50 Hz工频干扰,幅度远远大于流量的感应电动势。
1.2智能化放大电路组成针对感应电动势的上述特点设计了高精度电磁流量计智能化放大电路,其参考电路如图1所示。
电路由以下几部分组成:采用高精度仪表放大器A1组成的前端放大器、运放A2等组成的滤波回路、运放A3等组成的可变增益放大器、运放A4等组成的采样和保持电路以及24位高精度的Σ-ΔA/D转换器(该A/D含在美国Analog公司最新推出的A/ DμC824单片机中。
电容式电磁流量计信号处理新方法研究
电容式电磁流量计信号处理新方法研究*
卢国峰, 王保良* , 杨丽明, 罗元国, 黄志尧, 李海青
( 浙江大学控制科学与工程学系工业控制技术国家重点实验室, 杭州 310027)
摘 要: 电容式电磁流量计采用 电容耦合的方式检测流量信号, 其信号微弱、易受干扰、信噪比 低, 使得流量信号检出难度 较
大。对此, 本文在信号处理中引入了互相关检测技术, 设计了一种适合矩形波励 磁下的电 磁流量计信 号特点的 旋转电容滤 波
卢国峰, 王保良等: 电容式电磁流量计信号处理新方法研究
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流量信号的几百甚至几千倍, 微分干扰也是影响零 点稳定的主要因素之一[ 8-9] 。
若直接采用该滤波器的滤波方式, 会将较强的 微分干扰引入, 一方面直接影响信噪比, 另一方面也 会带来严重的零点漂移问题。根据微分干扰信号在 磁场方向转换瞬间达到最大, 随着磁场稳定迅速减 小的特点, 选择在每半个周期的最后部分磁场最稳 定、微分干扰达到最小时的信号进行相关滤波, 如图 4 所示, 图 4( a) 是含有微分干扰的信号波形示意图, 图 4( b) 是与之进行互相关运算的开关参考信号。
图 1 电磁流量计信号互相关检测框旋转电容滤波器基于相关检测原理, 是一个抗
电磁流量计基本参数设置及接线
目录一、操作指南1．基本设置 (5)1.1 流量单位 (5)1.2 流量显示分辨率 (5)1.3 总量单位 (5)1.4 总量显示分辨率 (5)1.5 阻尼时间(s) (5)2．信号处理设置 (6)2.1 刻度流量 (6)2.2 小信号切除% (6)3．脉冲输出设置 (7)3.1 频率上限 (7)3.2 脉冲当量 (7)3.3 脉冲宽度 (7)3.4 脉冲电平 (8)3.5 频率/脉冲输出选择 (8)4．RS485输出设置 (8)4.1 通讯协议选择 (8)4.2 波特率 (8)4.3 数据位 (9)4.4 校验方式 (9)4.5 设备地址 (9)5．累计管理 (9)5.1 清累计 (9)5.2 预置累计 (9)6．仪表校准 (10)6.1 4mA校准 (10)6.2 20mA校准 (10)6.3 零点校准 (10)7．工厂设置 (11)7.1 传感器口径 (11)7.2 转换器系数 (11)7.3 传感器系数 (12)7.4 励磁频率 (12)7.5 低流量报警开关 (12)7.6 高流量报警开关 (12)7.7 空满管检测开关 (12)7.8 高流量报警点% (13)7.9 低流量报警点% (13)7.10 RS485功能开关 (13)7.11 非稳态时间 (13)7.12 响应极限....................................................................................... 1错误!未定义书签。
7.13 响应时间....................................................................................... 1错误!未定义书签。
7.14 保存设置....................................................................................... 1错误!未定义书签。
带温压测量的电磁流量计信号处理电路的设计
和组织型P 系统，提出了一种新颖的输电网故障诊断方法。
该方法具有以下特点：1） 有效结合开关量信息、时序信息和电气量信息对输电网进行综合故障诊断，提高了故障诊断的准确性和容错性。
2） 故障诊断模型简单、直观，可以直观展示故障元件和保护装置之间的因果关系。
未来的重点是分析极端天气情况、大规模新能源网络接入、网络攻击和物理攻击等特殊情况下的电网故障诊断。
参考文献[1]LEE H J，AHN B S.A fault diagnosis expert system for distribution substations[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15（1）：92-97.[2]Luo X，KEZUNOVIC M.Implementing Fuzzy Reasoning Petri-Nets for Fault Section Estimation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23（2）：676-685.[3]朱立忠，程楠.人工神经网络的电网故障诊断[J].沈阳理工大学学报，2017，36（1）：102-106.[4]刘希玉，姜珍妮，赵玉祯.膜计算研究综述[J].山东师范大学学报（自然科学版），2018，33（2）：5-16.[5]Jing S，Qin S Y，Song Y H.Fault diagnosis of electric power systems based on fuzzy Petrinets[J].IEEE Transactions on Power Systems，2004，19（4）：2053-2059.[6]张岩，张勇，文福拴，等.容纳时序约束的改进模糊Petri 网故障诊断模型[J].电力系统自动化，2014，38（5）：66-72.[7]杨健维，何正友，臧天磊.基于方向性加权模糊Petri 网的电网故障诊断方法[J].中国电机工程学报，2010，30（34）：42-49.[8]Chen W H.Online Fault Diagnosis for Power Transmission Networks Using Fuzzy Digraph Models[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27（2）：688-698.注：m、b和s分别为线路的主保护、近后备保护和远后备保护（以L0708b为例，代表线路0708近后备保护）。
ADI电磁流量计模拟前端电路方案
自诊断电路
看门狗定时器
3
电磁流量计工作原理
基于法拉第电磁感应定律 导电流体流过传感器工作磁场时，在测量管壁与流动方向和磁场方向相互
垂直的一对电极间，产生与体积流量成比例的电动势。 E = K*B*V*D
其中, K 是仪表常数, B 是磁感应强度, V 是测量管内电极断面轴线方向平均流速 D 测量管内径
+5V
电极正+
-5V
VDD
+5V
数十倍增益
+5V
双极性差分 信号
~10x 增益 单端信号 带通放大 单端信号
16位模数转换器, AIN <10K赫兹
-5V 减法放大器
SPI
微处理器
-5V
电极负-
+5V
VREF
-5V
Synchronous Demodulation Ctrl Pulse
基准电压 源
传感器线圈 励磁控制信 号
•对前级放大器的要求是高共模抑制比，高
输入阻抗，低噪声，低漂移。
120dB
5
•例如输入阻抗RIN ≥1012Ω, 共模抑制比大于
电磁流量传感器信号输出的共模电压
传感器电极输出的共模电压来源之一是电极和导电流体之间的电化学反应
•
如下示波器截图显示出280毫伏的共模电压和 100毫伏的共模噪声，安50毫米测量管口径 316不锈钢电极安装在常温水管道上产生的输出。.
电极差分输出正端 V+ 共模电压 287毫伏 99.8毫伏峰峰值 算数 = ”V+” – “V-”
共模电压286毫伏 电极差分输出负端 V-
99.8毫伏峰峰值
6
传感器信号调理电路结构: 模拟放大同步解调
电磁流量计脉冲频率输出PLC接线图
一体式传感器 脉冲信号输出接口接线方式一
C 深圳一市体式 众恒测控技术有限公司 C
B U1A
TP1521-4
电磁流量计内部线路板
I+
4~20mA输出
COM
P+
GR
COM
BK
PLC控制柜
DC24V+ COM
DC0V
DI
PLC DI模块
脉冲信号输出接口接线方式二 一体式
20ms
DC24V
1.脉冲输出方式：体积单位脉冲输出
ddbdrawnr110kbkgrdc24vdc0vcom420ma输出脉冲信号输出接口接线方式一电磁流量计oc输出接线图一体式传感器gndcomcomahalu1atp15214plcdi模块com一体式plc控制柜ac220vdc24v脉冲频率输出信号接口在参数窗口内选择设置20ms1
D
U1A TP1521-4
A
A
Title
电磁流量计OC输出接线图
Size
B
Date: File:
Number
28-Oct-2014 E:\常常常常\实常常常.Ddb
Revision
Sheet of Drawn By:
说明：
1.当脉冲当量设置为0.001m3(1L/Pluse)时,最大的测量流体瞬时流量为90.00m3/h;
2.当脉冲当量设置为0.01m3(10L/Pluse)时,最大的测量流体瞬时流量为900.00m3/h;
B
DC24V
2.脉冲输出方式：瞬时流量频率输出
频率最大为5KHz(占空比50%)
说明： 1.当频率脉冲设置为5KHz,测量量程设置为200.00m3/h时；则在瞬时流量显示100.00m3/h，输出频率为2.5KHz. 2.当频率脉冲设置为2KHz,测量量程设置为100.00m3/h时；则在瞬时流量显示75.00m3/h，输出频率为1.5KH
电磁流量计的设计和误差调整
电磁流量计的设计和误差调整作者：李丽霞来源：《电子世界》2012年第06期【摘要】通过介绍电磁流量计，以及它的特点和工作原理，提出该流量计在测量煤浆流量会产生一定的误差。
我们在此电磁流量计测量时会产生误差的原因进行了主要分析，加强技术改进，促使电磁流量计运用到更多的领域和行业中去。
【关键词】电磁流量计；误差；原因调整一、引言随着科学技术的发展，电磁流量计的技术也在一天比一天进步，它应用的领域越来越多，比较的广泛。
特别是其对液体有比较强的适应性，在现代工业生产中，它的应用范围尤其广，它几乎是测量液体流量的首选仪表，如测煤浆用的煤浆电磁流量计。
二、流量测量的意义流量测量是一门迅速发展的技术，为了满足各行各业、各种工况的各种流体的流量测量需要，仪表研究机构研究开发了各种原理的流量计，制造厂每年都有新型流量计供应市场。
过去难以解决的流量测量问题，如今有的获得了解决。
尤其是近30年以来，微电子技术、计算机技术和通信技术进入流量测量仪表，使流量仪表出现一次飞跃，仪表的功能更加丰富，可靠性得到显著提高，测量精确度获得大幅度的提升，于是0.1级科氏力质量流量计、精确度优于±0.3%R的电磁流量计等相继问世。
据统计，目前市场上能买到的流量计种类已达百种以上，各种不同类型的流量计相互竞争，并以各自特有的优势占据着一定的市场份额。
直至今日，凡是被人们应用的类型，都是因为它们在某些方面有相对优势，而在竞争中取胜的后起之秀也并非十全十美，不能期望用一种流量计覆盖所有的应用领域。
三、关于电磁流量计特点、工作原理和量程范围（一）电磁流量计能源计量用流量计往往跟企业的效益有直接的联系，是进行贸易结算的依据，进行能源的科学管理、提高经济效益的重要手段。
电磁流量计图1（Electromagnetic Flowmeter）是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同时在电磁流量计上采用CAN现场总线。
电磁流量计设计
流量传感 器
AD转换
步进电机 控制阀
单片机
显示电路
键盘电路
图2-1 系统结构框图
系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号 ，经AD转换器将模拟电信号转化为数字信号，传给单片机，单片机软件系统根据 事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号来控制阀门的动作， 从而调节流量，实现流量的精确控制。
Keywords: Flowmeter Electromagnetic induction A/D converter
目录
目录
摘 要 ..............................................................I ABSTRACT ...........................................................II 第一章 绪论 ........................................................1
编号
毕业论文
题目
电磁流量计设计
摘要
摘要
本课题研究的内容主要是利用电磁感应原理对各种液体如石油、水等的 流量进行检测与控制。主要由流量传感器采集流量信号，然后经过A/D转换器 将连续的模拟信号转化为离散信号后传给单片机运算，单片机在软件系统的 控制下，根据预先的设置和预期的控制要求，将控制命令发送到步进电机， 然后通过步进电机来精确控制阀门的开关,实现对流量的精确控制，并通过 显示单元实时显示。在设计过程中，从总体方案、单元电路、元器件选择和 设计等都进行了细致的介绍。
I
目录
ห้องสมุดไป่ตู้II
第一章 绪论
低频矩形波电磁流量计信号处理电路的设计
低频矩形波电磁流量计信号处理电路的设计周美兰;鲁登科;李亚辉;符燕辉【摘要】Aiming at eliminating the influence of various interferences on the system accuracy and stability during the measurement process of electromagnetic flowmeter, the paper proposed a new signal processing method. First we analyzed the mechanisms and characteristics generated by several interference resources, and designed the electromagnetic flowmeter excitation circuit, the signal acquisition circuit, voltage enhancement circuit and precious full-wave rectifier circuit. Then combining with the analog switch technology, we gave the disposal approach of signal waveform. Experiments showed that this method can effectively suppress interference and increase system stability and measurement accuracy.%针对电磁流量计测量过程中各种干扰对系统测量精确度和稳定性的影响,提出了一种新的信号处理方法.首先分析了几种干扰产生的机理和特征,然后设计了电磁流量计励磁电路,信号采集电路,电平提升电路和精密全波整流电路.并结合模拟开关技术给出了信号波形的处理方法.实验证明,这种方法能够有效地抑制干扰,提高系统稳定性和测量精确度.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2013(018)001【总页数】5页(P104-108)【关键词】电磁流量计;模拟开关;干扰;测量精确度【作者】周美兰;鲁登科;李亚辉;符燕辉【作者单位】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TH8140 引言电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种仪表.由于其内部无可动部件、测量值具有与液体流速成线性、测量范围宽、精确度高等优点，一直以来就受到人们的重视.目前已在石油、化工、冶金、医药、环保等方面得到广泛应用.但是国内生产的电磁流量计测量精确度不高，与国际水平有很大差距，所以成为制约我国智能仪表发展的瓶颈.电磁流量计按照激励划分已经经历了直流电磁流量计，交流电磁流量计，低频矩形波电磁流量计和双频电磁流量计四个阶段［1－3］.但是目前市场上以低频矩形波电磁流量计居多，本文设计的电磁流量计也是一种低频二值矩形波激励的电磁流量计.1 电磁流量计测量原理和干扰源分析1.1 电磁流量计的测量原理电磁流量计的原理是基于法拉第电磁感应定律.图1为电磁流量计的测量原理图.当导电流体在磁场中作切割磁感应线运动时，流体中的带电粒子受洛伦兹力的作用，在与流速和磁场两者相垂直的方向产生与流速成正比的感应电动势，该感应电动势由电磁流量计管壁上的一对电极检测到，其值为式中:E为感应电动势（V）;B为磁场强度（T）;D为测量管道的直径（m）;V为流体的速度（m/s）.由式（1）可知，当磁场强度恒定时，感应电动势与流体的流速成线性关系，与流体的压力、温度、密度、粘度等物理参数无关［4－5］.图1 电磁流量计原理图1.2 干扰源的分析对于采用低频矩形波激励的电磁流量计，虽然它不会像直流励磁方式那样，产生很大的极化现象，也不会像交流励磁方式，产生很强的正交干扰，但是在实际测量过程中，电极上所得到的电压不仅仅是与流速成正比的感应电动势，也包括各种干扰成分在内.其中包括工频干扰、微分干扰、共模干扰、串模干扰和电化学干扰等.可以建立以下的信号模型来表示电磁流量计电极上实际得到的电压信号.式中:BVD称为流速信号，是电磁流量计需要得到的真实测量值.是微分干扰，由于矩形波激励也存在上升沿和下降沿，在上升沿和下降沿必然会引入微分干扰，而且沿越陡微分干扰越大，但是这个微分干扰会随着磁场的稳定，很快消失.同相干扰，同相干扰是微分干扰的再次微分得到的，微分干扰越大，同相干扰也就越大，尽量降低正交干扰，同相干扰也会降低，而且同相干扰也是零点漂移的根源之一.ec共模干扰，是由于电磁屏蔽缺陷，接地不良，杂散电容等，引起返回电流不平衡而产生的，它是造成电磁流量计零点漂移的重要原因之一.ed串模干扰，串模干扰的来源是电磁干扰和静电干扰.电磁干扰主要是因为在流量计附近有功率磁场设备存在，由于设备漏磁，周围产生较强的交变磁场，就会在回路中感应出电动势，形成串模干扰.ez电化学干扰，由于电极感应电动势在两极极性不同，而导致电解质在电极表面出现极化现象，虽然采用矩形波励磁能显著减弱极化电势，但是不能从根本上完全消除极化电势干扰.工频干扰，首先是工作现场存在有大量的工频信号;另外还有励磁绕组和流体、电极、放大器输入回路的电磁耦合产生的工频干扰［6－7］.在以上各种干扰中，串模干扰可以通过使用双绞线、静电屏蔽和良好的接地，使其得到很好的抑制.电化学干扰是比较微弱的，可以忽略不计.微分干扰和同相干扰是电磁流量计的主要干扰，但是共模干扰和工频干扰也不可忽略.这些干扰往往会影响测量精确度，甚至使测量无法进行，所以有效的消除这几种干扰是提高测量精确度的关键.2 系统硬件电路设计本文设计的电磁流量计采用低频矩形波作为励磁信号，控制信号由单片机产生，其频率f=6.25 Hz.硬件电路主要包括四部分:励磁电路、信号采集电路、电平提升电路和精密全波整流电路.2.1 励磁电路励磁电路主要功能是为电磁铁提供一定频率、一定压降的脉宽电压.本文励磁电路的频率为1/8工频，即f=6.25 Hz，驱动电压幅值Vs=12 V.励磁电路如图2所示. 励磁电路主要由L298N和HD74HC04P两款芯片组成，图2是两款芯片的内部简化原理图.L298N是SGS公司生产的一款内部具有两个H桥的高电压大电流的双全桥式驱动器.能够驱动46 V，2 A以下的感性负载，工作温度从－25℃ ～130℃.L298N的引脚4是电感器件电源正端，引脚1和引脚15是电感器件电源负端，因此引脚4与引脚1和引脚15可形成闭合回路;引脚9是逻辑控制电源的正端，引脚8是逻辑控制电源的负端;引脚6－EnA和引脚11－EnB分别是第一H 桥和第二H桥使能引脚;引脚5－IN1和引脚7－IN2是第一个H桥电路的控制引脚，它们的不同状态值来决定H桥引脚2－OUT1和引脚3－OUT2的电压输出方向.第一H桥输入引脚状态与输出引脚状态真值关系如表1所示.图2 励磁电路表1 输入引脚状态与输出引脚状态真值表注:H代表高电平，L代表低电平.IN1IN2 U23 H L U23=Vs U23=－Vs H/L H/L U23 L H=0HD74HCO4P是一款逻辑非门芯片，具有6路非门.利用一款HD74HCO4P芯片就可以满足两个H桥的控制输入引脚的不同状态要求.当从Vi端口输入低频矩形波信号时，就会使两个电磁铁同时产生交替互补的低频交变磁场.2.2 信号采集电路由于传感器传回的信号非常微弱，一般在几十μV到1 mV左右，且内阻较大，只有选用输入阻抗非常高的仪用放大器，才能有效的抑制干扰并将有用的信号放大.信号采集电路如图3所示.图3 信号采集电路该电路由前置放大电路、滤波电路和二级放大电路三部分组成，灰色部分代表模拟开关CD4052BE.滤波电路利用运放LM358N芯片实现.其中滤波电路的前半部分是一个二阶低通滤波器，它的截止频率是20 Hz左右，后半部分是一个二阶高通滤波器，它的截止频率是1 Hz左右，它们共同组成一个带通滤波器，对电路中混入的低频干扰和高频干扰（包括工频干扰在内）有很好的抑制作用.前置放大电路和二级放大电路利用两个仪用放大器AD620AN芯片实现.AD620AN芯片是一款精确度高、低噪声、高输入阻抗、使用简单的仪用放大器，它的最大增益为1 000.增益值计算公式如下:在式（3）中，RG是AD620AN的增益电阻，可通过调节RG来调节AD620AN 放大增益.在一级放大电路和二级放大电路中，电阻R11和R21分别是AD620的增益电阻RG.为了消除微分干扰，在前置放大电路和滤波电路之间加入了模拟开关CD4052BE，模拟开关用单片机进行控制.当微分干扰产生的尖刺到来时，关闭模拟开关，避免尖刺进入后面的电路，由于后面滤波电路中的电容对之前的信号具有保持作用，就算切断信号，也不会对后面的电路造成影响.当尖刺过去后，再接通模拟开关，继续对后续的信号进行滤波和放大.2.3 电平提升电路电路中由于同相干扰和共模干扰的存在，使输出的波形向下或者向上漂移，相对于零线上下不对称.可以引入电平提升电路对其进行补偿，使其关于零线对称，电平提升电路如图4所示.图4 电平提升电路2.4 精密全波整流电路由于电磁流量计采用的是低频矩形波励磁方式，所以流量传感器传回的也是低频正负交替电压信号，而单片机PIC16F877A模拟量接口的电压范围是0 V～5 V，因此负电压模拟信号不能被单片机模拟量接口识别，而导致对电磁流量计电压信号采集失真，极大的影响了单片机对流量计电压信号的A/D转换结果.精密全波整流电路的功能是将输入电压取绝对值并以正电压的形式输出，这样信号采集电路输出的电压经过精密全波整流电路后，就能满足PIC16F877A模拟量接口的电压范围，可以直接输入给PIC16F877A的A/D接口.精密全波整流电路由两个运算放大器LM358N和七个精密电阻组成.当输入端电压Vi为正时，A1的1端输出电压为负，此时，D2截止，D1导通，A1回路为反相放大器，经D1输出－Vi给A2.此时A2为一加法电路，R5和R7组成的电路部分比例系数为－2，于是－Vi经过该部分后变成了2Vi;由R4和R7组成的电路部分比例系数为－1，于是Vi经过该部分后变成了－Vi，将两部分相加得到A2的输出为Vi.当输入端电压Vi为负时，此时，D1截止，D2导通，关闭了A1的反馈回路，A2的R4和R7组成的电路部分组成反相放大器，得到的输出信号为－Vi，即精密全波整流电路如图5所示.Vi是输入信号，Vx为A2的输出信号，为了使输出信号平滑稳定，后面加了一个由R8和C1组成的滤波电路，VO为最终的输出信号.图5 精密全波整流电路3 系统软件设计3.1 励磁控制信号的产生本文的励磁控制信号由单片机发出，单片机使用定时器0进行计数延迟，每间隔80 ms，单片机在中断程序中使普通I/O口的高低电平发生一次跳变，于是该端口便模拟出一个频率为f=6.25 Hz，即周期T=160 ms的矩形波信号.3.2 微分干扰的消除.微分干扰，也就是常说的“毛刺”，它一般出现先在高电平向低电平跳变和低电平向高电平跳变两处，它是实际测量信号中的错误部分.由前置放大电路输出的波形可知，毛刺持续的时间为10 ms左右，幅值为300 mV，几乎是有用信号幅值的3倍.为了消除毛刺，除了硬件方面选用模拟开关外，软件方面也要在适当的时间对模拟开关的关闭和导通进行严格的控制，既要能有效避开毛刺，又不会使有用信号失真.由于励磁电路的控制信号是由单片机产生的，所以模拟开关的控制信号也可以由同一块单片机产生，并且实现与励磁信号的同步控制.在每次励磁信号跳变的时刻，启动定时器1，当定时器1延迟75 ms时（也就是毛刺即将到来的时刻）进入中断程序，用普通I/O口发出控制信号，使模拟开关断开，模拟开关断开的时间为10 ms，避开毛刺后，单片机再发出控制信号让模拟开关闭合.3.3 A/D 转换A/D转换使用PIC16F877A自带的A/D转换器.它采用逐次逼近法，可以将模拟量转换成10位数字量表示的值.对于5V的系统，10位A/D能够分辨的最小电压值为4.88 mV，完全可以满足本系统的要求.3.4 数字滤波技术数字滤波技术是智能仪表中最常采用的技术.该方法是在单片机的RAM中建立一个缓冲区，依次存放N次采样的数据，（可以把这一组数看成一个队列，队列的长度为N），每次新采集到的数据存放在队尾，并将最早采集的数据剔除，然后取平均值.这样每采集一次数据就进行一次求平均值计算，既提高了计算精确度，又大大加快了单片机的数据处理能力.4 实验结果本文采用的是二值励磁方式，所以产生的感应电动势也是一个方波信号.由于传感器传回的感应电动势是非常微弱的，仅有几十μV左右，一般示波器很难直接检测到.经过前置放大电路AD620AN放大后的信号如图6所示.图6 经过一级放大后的信号波形由图6可知，仅经过前置放大电路的波形，微分干扰非常大，几乎是有用信号的三倍多.经过本文设计的采集电路后的最终波形如图7所示.图7 经过信号采集电路的波形从图7可以看出，经采集电路后，之前由于微分干扰产生的毛刺已经消除.能够消除毛刺的主要原因就是因为电路中采用了模拟开关CD4052BE.如果采集电路中不加模拟开关，则在同样的条件下得到的波形如图8所示.对比两幅图可以看出，加和不加模拟开关的差别是非常大的，所以模拟开关对于消除微分干扰，效果是非常明显的.图8 采集电路中不加模拟开关的波形图为了消除同相干扰和共模干扰引起的零点漂移.硬件电路中，引入了电平提升电路，它可以有效的使波形关于零线上下对称，然后就可以应用精密全波整流电路，将其转换成直流信号，以便单片机采集.经过电平提升电路和精密全波整流电路后的波形图如图9所示.图9中曲线1的矩形波是感应电动势经过信号采集电路和电平提升电路后的波形;曲线2是曲线1经过精密全波整流电路后的波形.可以看出经过精密整流电路后的波形几乎是一条直线，这样有利于单片机对信号进行A/D采样.图9 经过电平提升电路和绝对值电路后的波形5 结语本文设计了电磁流量计的励磁电路和信号处理电路.重点对电磁流量计中的微分干扰、同相干扰、共模干扰和工频干扰进行了分析和处理.实验结果表明，本文设计的电路能够有效的抑制电磁流量计中的主要干扰，使电磁流量计抗干扰能力增强，其测量误差由原先的21.02%减小到3.13%，并且剔除了信号中错误的部分（即“毛刺”），测量精确度和可靠性显著提高，具有很大的实用价值.参考文献:【相关文献】［1］苏升，杨瑞峰.电磁流量计信号调理电路设计［J］.计量与测试技术，2010，37（9）:40 －42.［2］CLARKE D W，HEMP J.Eddy-current Effects in an Electromagnetic Flowmeter［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2009，3:22 －37.［3］黄皎，姚春，丁婷，等.基于新型励磁方式的电磁流量计设计［J］.传感技术学报，2010，23（2）:215－216.［4］钱欣，尹树春，曹登场.智能插入式电磁流量计的研制［J］.承德石油高等专科学校学报，2008，10（3）:31－34.［5］赵忻，赵辉.电磁流量计前置放大电路的设计与分析［J］.自动化与仪表，2008（1）:11 －13，36.［6］何伟，陈廷云，贺昌蓉.智能电磁流量计抗干扰技术的研究［J］.中国测试技术，2004，30（3）:33 －35.［7］张艳，陈仁文.电磁流量计中的抗干扰技术［J］.计算机技术与发，2010，20（5）:242 －244.。
低频矩形波电磁流量计信号处理电路的设计
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｌ ｏ ｗ－ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ Ｒ ｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ Ｗａ ｖ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ Ｆ ｌ ｏ ｗｍｅ ｔ ｅ ｒ
ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎｅ ｔ ｉ ｃ ｌｏ ｆ ｗｍｅ ｔ ｅ ｒ ｅ ｘ ｃ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ，ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅｉ ｒ ｃ ｕｉ ｔ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｏ ｕ ｓ
２ ０ １ ３年 ２月
低 频 矩 形 波 电磁 流 量 计 信 号 处 理 电 路 的设 计
周美 兰， 鲁登科 ， 李亚 辉 ， 符 燕 辉
（ 哈尔滨理工大学 电气与 电子工程学院 ， 黑龙江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ８ ０ ）
摘
要： 针 对 电磁 流量计 测 量过程 中各种 干扰 对 系统测 量精确 度和稳 定性 的影 响 ， 提 出了一种
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｌｏ ｆ ｗｍｅ ｔ ｅ ｒ ；ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ；ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ； ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｅ ｌ ｉ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｌｕ ｆ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｄ ｕ ｒ －
电磁流量计基本参数设置及接线
目录一、操作指南1．基本设置 (5)1.1 流量单位 (5)1.2 流量显示分辨率 (5)1.3 总量单位 (5)1.4 总量显示分辨率 (5)1.5 阻尼时间(s) (5)2．信号处理设置 (6)2.1 刻度流量 (6)2.2 小信号切除% (6)3．脉冲输出设置 (7)3.1 频率上限 (7)3.2 脉冲当量 (7)3.3 脉冲宽度 (7)3.4 脉冲电平 (8)3.5 频率/脉冲输出选择 (8)4．RS485输出设置 (8)4.1 通讯协议选择 (8)4.2 波特率 (8)4.3 数据位 (9)4.4 校验方式 (9)4.5 设备地址 (9)5．累计管理 (9)5.1 清累计 (9)5.2 预置累计 (9)6．仪表校准 (10)6.1 4mA校准 (10)6.2 20mA校准 (10)6.3 零点校准 (10)7．工厂设置 (11)7.1 传感器口径 (11)7.2 转换器系数 (11)7.3 传感器系数 (12)7.4 励磁频率 (12)7.5 低流量报警开关 (12)7.6 高流量报警开关 (12)7.7 空满管检测开关 (12)7.8 高流量报警点% (13)7.9 低流量报警点% (13)7.10 RS485功能开关 (13)7.11 非稳态时间 (13)7.12 响应极限 (14)7.13 响应时间 (14)7.14 保存设置 (14)二、接线说明及接线一、操作指南1．基本设置Basic Setup2．信号处理设置Singal Setup3. 脉冲输出设置Pulse Output4. RS485输出设置R485 Output5．累计管理Total Set6．仪表校准Calibration7工厂设置Factory Set请输入我司指定密码，禁止随意更改，需要时请联系我司！二、接线说明及接线1、接线端子布置示意图2、接线端子说明标示功能备注+AC 220v 供电 +电源220v+ -AC 220v 供电-电源220v-AO+4~20mA 输出+ AO-4~20mA 输出-负载电阻≤500ΩPO+频率或脉冲输出+PO-频率或脉冲输出-频率或脉冲输出为无源，负载电流≤20mA RS+RS485输出+RS-RS485输出-RS485输出3、电源接线图220V(L)220V(N)4、4-20mA电流输出接线（不需要外部电源）。
电磁流量计校准的步骤和装置系统图
电磁流量计校准的步骤和装置系统图（2）校准的步骤①按进行检定试验的管路口径及流量大小，选择相应的水泵；②如系统采用压缩空气动力，开启空压机，达到系统要求的气源压力，以保证换向器的快速切换和夹表器的正常工作；③流量计正确安装联线后，应按照检定规程的要求通电预热30min左右；④如采用高位槽水源，应查看稳压水塔的溢流信号是否出现。
在正式试验前，应按检定规程要求，用检定介质在管路系统中循环一定时间，同时检查一下管路中各密封部位有无泄漏现象；⑤在开始正式检定前，应使检定介质充满被检流量计传感器，再关断下游阀门进行零位调整；⑥在开始检定时，应先打开管路前端的阀门，慢慢开启被检流量计后的阀门，以调节检定点流量。
⑦在校准过程中，各流量点的流量稳定度应在1％～2％之内——流量法，而总量法则可在5％以内。
在完成一个流量点的检定过程时检定介质的温度变化应不超过1℃，在完成全部检定过程时，应不超过5℃。
被检流量计下游的压力应足够高，以保证在流动管路内（特别在缩径短内）不发生闪蒸和气穴等现象；⑧每次试验结束后，都应首先将试验管路前端的阀门关闭，然后停泵，以免将稳压设施放空。
同时必须把试验管路中的剩余的检定介质都放空，最后关闭控制系统与空压机。
（3）校准时间和校准点每次测量时间应不少于装置允许的最短测量时间，最短时间一般应不少于30s，且对A类仪表（指带频率输出的电磁流量计，带频率输出的插入式电磁流量计）应保证一次检定中流量计输出的脉冲数的相对误差绝对值不大于被检流量计重复性的1/3。
评定仪表性能时的校准点一般规定为：对A类仪表，校准点应包括qmin，0.07qmax,0.15qmax,0.25qmax,0.4qmax,0.7qmax和qmax,当后几个校准点流量小于qmin时，此校准点可不计。
对B类仪表（指输出模拟信号或可直接显示瞬时流量的电磁流量计），校准点应包括qmin和qmax在内的至少5个检定点，且均匀分布。
非评定仪表性能校准（如制造厂出厂校准）时，可规定较少校准点。
电磁流量计信号调理电路设计
运算放大器选用美国AD公司的OP90，它是一种低电压微功耗器件, 单、双电源 两种供电模式。测量信号属于微小信号, 采用单电原供电, 供电范围是+1.6V ~ +36V。此外, 它的开环增益最小700V/mV, 较高的共模抑制比, 非常适合电池供 电系统。 电路具有同相输入结构, 集成运放接成电压跟随器的形式, 直流输入电阻很高, 输 出电阻很低, 具有很强的带负载能力。由于电路对于RC网络呈现很高的输入阻抗 , 因此, 整个电路的选频特性基本上取决于RC网络。
2.低通滤波电路
由传感器测量电极检测到的电压信号, 经过仪表放大电路后变为单端信号 。由于测到的电压信号属微弱信号, 干扰信号的幅度相对较大, 为保证前 置放大器工作在线性区域, 所以前置放大器的输出幅度仍然很低, 不能直 接进信号采样, 还需要再经数百倍的放大。同时需要注意的是, 高倍多级 的放大必须预防放大器的自激振荡。此外, 测量电路及器件本身存在噪声 外, 还有电磁干扰、静电干扰等因素, 流量信号中仍然可能含有多种频率 成分的噪声。严重时这些噪声可能淹没真正的流量信号, 使得测量系统无 法获取有用的流量信号。因此, 在采集信号前需要进行滤波处理, 将不需 要的噪声干扰信号抑制掉, 用以增加测量系统的信噪比。 设计中流量信号的频率是6.25Hz, 属低频信号, 所以设计使用低通滤波电 路。 由集成运放和RC网络共同组成的滤波电路, 由于集成运放是有源器件, 属 于有源滤波电路, 具有选择性好、带负载能力强的特点，因此采用二阶有 源低通滤波电路。
MA属于三运放拓扑结构, 三运放拓扑的真正优势是 能够进行真正的差分测量(高CMR) , 同时又有非常高的输入阻抗, 这些特点 使其得到了广泛应用, 特别是在信号源阻抗非常高的场合。
外接增益设置电阻是仪表放大器的关键部件, 要具有较好的温度系数 和温度一致性, 它的精度及温度稳定性直接影增益, 对于放大器的总体 性能有较大影响。特别是增益较大时( G >100) , 连线及插口的电阻也 会对增益带来附加误差。也就是说, 式中的RG值应为外接电阻与连线 等杂散电阻的总和。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, 取RG为5.5K。
低噪音电磁流量计用信号电缆的结构设计
低噪音电磁流量计用信号电缆的结构设计摘要：随着电磁流量计测量系统中电路的日趋复杂和对信号传输要求的逐步提高，传统电磁流量计用信号电缆的性能已无法满足使用要求。
本文在分析传统电缆性能现状的基础上，提出了新型电缆的设计意见，希望能对同行业的研究提供意见和参考。
关键词：低噪音电磁流量计；信号电缆；结构设计在石油化工、冶金、食品饮料、制药、造纸、染料等众多领域，通常采用电磁流量计对流动的各种混浊、悬浮液体介质（水煤浆、泥浆污水、水泥混凝土浆、纸浆、金属流体等）的流量进行测量。
电磁流量计用信号电缆主要用于将电磁流量计的实际测量结果信号传输至显示系统。
随着电磁流量计测量系统中电路的日趋复杂和对信号传输要求的逐步提高，传统电磁流量计用信号电缆的性能已无法满足使用要求，因此开展了一种新型低噪音电磁流量计用信号电缆的研制。
一、传统电缆性能现状根据调查，传统电磁流量计用信号电缆的性能主要存在以下缺点和不足：1.电缆易受电磁干扰，造成传输信号不稳定。
现有电磁流量计主要由流量传感器、转换显示器和励磁电源三大部分组成，其中励磁电源与流量传感器一般组装在一起，这样传输信号的信号电缆必然会受励磁电缆的电磁场干扰，影响传输信号的稳定性。
针对这种情况，虽然在电磁流量计工程安装和应用时明确规定，信号电缆和励磁电缆必须严格分开（即不能同管敷设、不能平行敷设、不能一起绞合），应分别单独穿管敷设，以进行有效的电磁隔离，但造成安装敷设成本较高，而且使用不便。
2.电缆内部产生较大噪音，造成信号的分辨率和精度较低。
实际应用中，传统电磁流量计用信号电缆易因受振动、冲击、弯曲以及外界温度变化，造成内部摩擦，从而产生噪音。
当噪音夹在信号中一同输出时，则将影响传输信号的分辨率和精度，这种影响在电磁流量计用于黏稠甚至难于流动的固液两相流介质（如煤焦油、渣油、食物浆、纸浆、乳胶、混合胶）及脉动流介质等多种流体的微量精确计量时更加突出，将造成计量误差较大和计量不准确。
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MAX4194
MAX4194 低功耗仪表放大器属于三运放拓扑结构, 三运放拓扑的真正优势是 能够进行真正的差分测量(高CMR) , 同时又有非常高的输入阻抗, 这些特点 使其得到了广泛应用, 特别是在信号源阻抗非常高的场合。
外接增益设置电阻是仪表放大器的关键部件, 要具有较好的温度系数 和温度一致性, 它的精度及温度稳定性直接影增益, 对于放大器的总体 性能有较大影响。特别是增益较大时( G >100) , 连线及插口的电阻也 会对增益带来附加误差。也就是说, 式中的RG值应为外接电阻与连线 等杂散电阻的总和。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, 取RG为5.5K。
2.低通滤波电路
由传感器测量电极检测到的电压信号, 经过仪表放大电路后变为单端信号 。由于测到的电压信号属微弱信号, 干扰信号的幅度相对较大, 为保证前 置放大器工作在线性区域, 所以前置放大器的输出幅度仍然很低, 不能直 接进信号采样, 还需要再经数百倍的放大。同时需要注意的是, 高倍多级 的放大必须预防放大器的自激振荡。此外, 测量电路及器件本身存在噪声 外, 还有电磁干扰、静电干扰等因素, 流量信号中仍然可能含有多种频率 成分的噪声。严重时这些噪声可能淹没真正的流量信号, 使得测量系统无 法获取有用的流量信号。因此, 在采集信号前需要进行滤波处理, 将不需 要的噪声干扰信号抑制掉, 用以增加测量系统的信噪比。 设计中流量信号的频率是6.25Hz, 属低频信号, 所以设计使用低通滤波电 路。 由集成运放和RC网络共同组成的滤波电路, 由于集成运放是有源器件, 属 于有源滤波电路, 具有选择性好、带负载能力强的特点，因此采用二阶有 源低通滤波电路。
3.信号放大电路
经过前置放大器的差动放大、二阶低通滤波电路之后,被测流量信号的共 模干扰以及其他干扰频率的噪声得到了大大的削弱。但是, 其信号幅值仍 然很小, 需要进行幅值的高倍数放大后, 才能进行信号的采集与分析。 采用可调节高增益电压放大电路来实现信号放大。该电路由MAX4197和 MAX4194 组成, MAX4194的外接精密电阻用来调节放大器的增益。
总结
设计了一种用于电磁流量计的信号调理电路, 包括仪表放大 电路, 低通滤波电路和信号放大电路, 可以有效地抑制干扰, 对信号进行放大, 从而达到测量要求。 电路中使用的运算放大器均采用低电压微功耗器件, 大大降 低了电路的功耗。该信号调理电路也使用与其他电池供电的 便携式测试系统。
运算放大器选用美国AD公司的OP90，它是一种低电压微功耗器件, 单、双电源 两种供电模式。测量信号属于微小信号, 采用单电原供电, 供电范围是+1.6V ~ +36V。此外, 它的开环增益最小700V/mV, 较高的共模抑制比, 非常适合电池供 电系统。 电路具有同相输入结构, 集成运放接成电压跟随器的形式, 直流输入电阻很高, 输 出电阻很低, 具有很强的带负载能力。由于电路对于RC网络呈现很高的输入阻抗 , 因此, 整个电路的选频特性基本上取决于RC网络。
1.仪表放大电路
由激磁线圈产生的三值矩形波信号的频率为6.25Hz, 则感应电动势也为同 频率的交流信号, 即被测信号。 由于被测信号属于低频信号, 需要用频带从零开始的直流放大器。那么直 流放大器将面临两个问题: 一是前级和后级的静态工作点互相影响, 二是 零点漂移问题。前级引起的零点漂移电压, 再被后级放大, 最终将掩盖正 常的信号输出。而差动放大电路因其具有特殊的电路结构, 能够有效地抑 制零点漂移, 因此测量电路的第一级采用仪表放大器。 仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器, 它具有差分输入、单端输出 、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。仪表放大器所采用的基础部件(运 算放大器) , 它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放 大器是单端器件, 其传输函数主要由反馈网络决定; 而仪表放大器在有共 模信号条件下能够放大很微弱的差分信号, 因而具有很高的共模抑制比( CMR) 。
对于高增益放大电路, 为了满足输出信号幅值的设计要求, 放 大倍数通常较大, 而作为测量电路本身的噪声也会被放大, 因 此只有通过负反馈环路, 消除共模信号的干扰, 才能确保电路 对被测信号的放大作用。当流量测量信号进入测量电路时, 放大器与电容形成负反馈闭环电路, 测量电路的固有噪声信 号反馈到输入端, 即电容C3上的电压值, 被测信号与电容上 的噪声构成差动信号, 从而去除固有噪声干扰信号, 有效减少 噪声信号的干扰。由于是两级放大, 完全可以满足电路对信 号的放大要求,使得整体放大倍数达到1 万倍左右, 输出信号 幅值可以达到0.4V~ 2.5V, 进入后续的A/D采样部分。
电磁流量计信号调理电路设计
电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律, 导电流 体在交变磁场中做切割磁力线运动产生感应电动势, 通过测 量感应电动势达到测流量的目的。 由于感应电动势是一种低频, 低电压信号, 并且参杂有很多干 扰信号, 在进行AD采样前必须经过处理才能达到要求。 这里设计了一种在电池供电电磁流量计系统中使用的信号调 理电路,可以实现对微小信号的调理, 同时电路功耗较低。该 信号调理电路主要由仪表放大器, 低通滤波电路和信号放大 电路三部分组成。