基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)及其勵(lì)磁方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)，包括電磁流量傳感器和勵(lì)磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述勵(lì)磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括勵(lì)磁電路模塊、單片機(jī)、信號(hào)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(lì)磁線圈，其特征在于所述勵(lì)磁線圈上采用梯形勵(lì)磁電流波形，測(cè)量時(shí)，勵(lì)磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)開始供電，當(dāng)梯形電流勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電路模塊中的H橋由低壓電源供電，不測(cè)量時(shí)，H橋不供電，而單片機(jī)處于低功耗休眠模式，本發(fā)明大大降低了微分干擾和同相干擾，提高了電磁流量的信噪比，使兩節(jié)電池至少工作5年，大大滿足了很多無(wú)市電供電或必須由電池供電、且需要電磁流量計(jì)測(cè)量流量需求的場(chǎng)合。
【專利說(shuō)明】基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)及其勵(lì)磁方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子儀器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是一種基于梯形勵(lì)磁電路的低功耗電磁流量計(jì)及其勵(lì)磁方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，現(xiàn)在北方城市冬天取暖，大都采用集中供暖，按照用戶建筑面積計(jì)算收費(fèi)方式不利于節(jié)能減排，也不適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，所以，采用一戶一表方式計(jì)量熱量成為趨勢(shì)?，F(xiàn)有的熱量表通常包括超聲流量計(jì)和電磁流量計(jì)兩種，超聲波流量計(jì)目前還處于主流產(chǎn)品，其不足是如超聲波流量計(jì)核心部件超聲換能器容易因外殼被腐蝕而損壞；在實(shí)際測(cè)量時(shí)水中的雜質(zhì)往往較多，雜質(zhì)會(huì)偏移超聲波的入射角，測(cè)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(jì)表體不與水介質(zhì)接觸，相對(duì)于超聲波流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)明顯，其包括電磁流量傳感器和勵(lì)磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述勵(lì)磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括勵(lì)磁電路模塊、MCU單片機(jī)、信號(hào)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(lì)磁線圈，MCU單片機(jī)通過(guò)電源電路模塊和勵(lì)磁電路模塊控制電磁流量傳感器，電磁流量傳感器將檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后上傳給MCU單片機(jī)，MCU單片機(jī)串口通信電路，鍵盤和IXD顯示模塊通過(guò)數(shù)據(jù)線與MCU單片機(jī)相連接，所述勵(lì)磁電路模塊、MCU單片機(jī)、信號(hào)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(jīng)鋰電池供電，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)部無(wú)阻流部件、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電介質(zhì)流體流量的測(cè)量中，特別是各種含有雜質(zhì)的水煤衆(zhòng)、紙衆(zhòng)的流量測(cè)量，請(qǐng)參 考文獻(xiàn)-Shercliff J A.The theory of electormagneticflow-measurement【M】.QJP Archive, 1962。由于現(xiàn)有的很多流量檢測(cè)，如野外、油田等流量的計(jì)量，特別是家庭應(yīng)用的熱流量計(jì)量，必須以電池作為電源供電，因此，整個(gè)系統(tǒng)電路由鋰電池提供電源，其實(shí)質(zhì)性不足是:由于電磁流量計(jì)是基于電磁感應(yīng)定律工作的，當(dāng)導(dǎo)電的流體流經(jīng)電磁流量測(cè)量管時(shí)，切割傳感器內(nèi)磁場(chǎng)的磁力線，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，流速與感生電壓成正比。現(xiàn)在主流電磁流量傳感器都采用直流線圈勵(lì)磁，所以在采樣時(shí)，電磁流量傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度通常是恒定的，勵(lì)磁線圈通恒定電流，產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，通常勵(lì)磁線圈電壓較高、電流比較大，無(wú)法采用電池供電。
[0003]電磁場(chǎng)的磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式如下:
L L
φ.^ = φ -- = β …^( I )
μΑ μ
式中為磁動(dòng)勢(shì);/為勵(lì)磁電流為線圈匝數(shù)-,Re為磁阻'Φ為磁通'L為磁路長(zhǎng)度，U磁導(dǎo)率。通常傳感器設(shè)計(jì)完成后，I //、Z都為固定值，只要J恒定，就產(chǎn)生恒磁感應(yīng)強(qiáng)度。為了降低功耗，在2005年，作者靳笑宇，蘇兆棠，莫德舉發(fā)表的《儀器儀表用戶》中的“便攜式低功耗電磁流量計(jì)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)” 一文中講述了電磁流量傳感器采用三值低頻矩形方波的勵(lì)磁方式，三值低頻矩形方波勵(lì)磁的作用是產(chǎn)生感應(yīng)強(qiáng)度，這種勵(lì)磁信號(hào)的周期選為160ms，即勵(lì)磁頻率為6.25Hz，為工頻的八分頻，可對(duì)工頻干擾起到正負(fù)抵消的作用，但是，但勵(lì)磁電流I (即磁感應(yīng)強(qiáng)度B)躍變時(shí)，從下列式中可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度的微分和二次微分趨向于無(wú)窮大，導(dǎo)致流量信號(hào)加入的干擾很大，請(qǐng)參看下列分析:
電磁流量傳感器電極兩端輸出信號(hào)由下式表不:
【權(quán)利要求】
1.一種基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)，包括電磁流量傳感器和勵(lì)磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述勵(lì)磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括勵(lì)磁電路模塊、單片機(jī)、信號(hào)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(lì)磁線圈，所述電磁流量傳感器電極兩端輸出的信號(hào)包括流量信號(hào)、微分干擾信號(hào)、同相干擾信號(hào)、共模干擾信號(hào)、串模干擾信號(hào)和直流極化電壓，其特征在于所述勵(lì)磁線圈上采用梯形勵(lì)磁電流波形，當(dāng)梯形電流勵(lì)磁恒定時(shí)，勵(lì)磁電路模塊中的H橋產(chǎn)生低壓供電，當(dāng)梯形電流上升或下降時(shí)，電磁流量傳感器中的微分干擾是一個(gè)常數(shù)，而同相干擾為零，所述共模和差模干擾采用放大器引線以雙絞線纏繞方式來(lái)降低干擾，所述串模干擾采用接地方式去除，所述勵(lì)磁電路模塊中的H橋工作過(guò)程為:場(chǎng)效應(yīng)管Tl與T4導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管T2與T3截止，給勵(lì)磁線圈加一個(gè)正向梯形勵(lì)磁電流；場(chǎng)效應(yīng)管Tl與T4截止，場(chǎng)效應(yīng)管T2與T3導(dǎo)通，給勵(lì)磁線圈加一個(gè)反向梯形勵(lì)磁電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)，其特征在于所述勵(lì)磁電路模塊中的運(yùn)算放大器采用低功耗軌對(duì)軌運(yùn)算放大器作為比較器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)，其特征在于所述MCU單片機(jī)采用MSP430F4793單片機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)，其特征在于所述電源電路模塊采用TPS65130雙輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方法，其特征在于具體步驟為:電池 向高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓的電源Vch供電，輸出相同勵(lì)磁電流，在相同時(shí)間內(nèi)電池消耗能量減低，勵(lì)磁電源Vch為勵(lì)磁電路模塊中的H橋供電，所述勵(lì)磁電路的電源模塊由MCU單片機(jī)控制，當(dāng)電源電路模塊中的單片機(jī)端口線P2.3、單片機(jī)端口線P2.4為低電平時(shí)，勵(lì)磁電路不供電，沒(méi)有能量損耗；當(dāng)電源電路模塊中的單片機(jī)端口線P2.3、單片機(jī)端口線P2.4高電平，勵(lì)磁電路模塊開始工作，當(dāng)勵(lì)磁電路模塊中的單片機(jī)端口線P2.1低電平、單片機(jī)端口線P2.2高電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Tl導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管T3截止；場(chǎng)效應(yīng)管T2截止，場(chǎng)效應(yīng)管T4導(dǎo)通，勵(lì)磁電路模塊中的單片機(jī)端口線P2.0由低電平變成高電平時(shí)，電源電路中的電阻R1、電容Cl為串聯(lián)電路，電容Cl的交流電壓VCl按照指數(shù)曲線上升，在勵(lì)磁線圈的基準(zhǔn)電壓LM385達(dá)到穩(wěn)壓之前，呈近線性上升，電壓V+線性增加，其控制恒流源Is電流線性增加，其電流從電源Vch加到勵(lì)磁線圈LI上，電流沿著場(chǎng)效應(yīng)管Tl、線圈A端至B端、場(chǎng)效應(yīng)管T4、電壓Vc、場(chǎng)效應(yīng)管T5、電阻R3方向流動(dòng)，產(chǎn)生梯形上升邊沿；當(dāng)電壓VCl大于電壓Uz時(shí)，基準(zhǔn)電壓LM385開始穩(wěn)壓，此后恒流源電電流保持恒定，延時(shí)一段時(shí)間MCU單片機(jī)開始采樣；采樣后單片機(jī)端口線P2.0由高電平變?yōu)榈碗娖?，電容Cl儲(chǔ)存的電荷經(jīng)過(guò)Rl進(jìn)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(lì)磁電流按照線性減小，產(chǎn)生梯形下降邊沿，單片機(jī)端口線P2.1高電平、單片機(jī)端口線P2.2低電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Tl截止，場(chǎng)效應(yīng)管T3導(dǎo)通；場(chǎng)效應(yīng)管T2導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管T4截止，電流源(勵(lì)磁電流)將由Vch流經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管T2、線圈B端至A端、場(chǎng)效應(yīng)管T3、電壓VC、場(chǎng)效應(yīng)管T5、電阻R3，勵(lì)磁電流變成負(fù)向，控制單片機(jī)端口線P2.0變成高電平、低電平，輸出一個(gè)負(fù)向的梯形勵(lì)磁電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種一種基于梯形勵(lì)磁的低功耗電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方法，其特征在于所述場(chǎng)效應(yīng)管采用低開通域值電壓的耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，其飽和導(dǎo)通電壓低于.0.05V。
【文檔編號(hào)】G01F1/58GK103900648SQ201410123998
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】杜清府, 任文建 申請(qǐng)人:山東大學(xué)（威海）