低功耗電磁流量計的設計與實(shí)現

0 引言

電磁流量計是一種基于法拉第電磁感應定律測量導電液體體積流量的儀表。由于其測量不受介質(zhì)性能的影響、無(wú)壓力損失和抗腐蝕性等特點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應用。傳統電磁流量計功率大、耗能高，無(wú)法滿(mǎn)足低功耗的要求，且大多采用低頻兩值矩形波勵磁，由于矩形波存在電平突變，磁場(chǎng)變化率dB/dt過(guò)高，引入微分干擾和同相干擾，同時(shí)兩值勵磁容易引起零點(diǎn)不穩導致電磁流量計無(wú)法測量小流量導電液體，測量范圍受到限制。

本文在對傳統電磁流量計大量研究的基礎上，設計了一種鋰電池供電的低功耗電磁流量計，供電電壓為3.6V，勵磁電流僅有30mA，功耗大大降低，相對于傳統勵磁方式，采用三值梯形波勵磁，減小了微分干擾和同相干擾，同時(shí)提高了零點(diǎn)穩定性和測量精度。

1 原理

電磁流量計的傳感器電極兩端輸出信號由式（1）表示：

    （1）

式中：BvD為流量信號；為微分干擾信號；為同相干擾信號；e_c為共模干擾信號；e_d為串模干擾信號；e_s為直流干擾信號。

由式（1）可知傳感器的輸出信號除了感生出的有用信號BvD外，還包含了微分干擾、同相干擾等各種干擾信號，根據以往的資料和經(jīng)驗，共模干擾e_c、串模干擾ed和直流干擾e_s可以通過(guò)電路靜電屏蔽、良好接地等方法得到很好的抑制和降低。傳統低頻矩形波勵磁時(shí)，電平躍變，磁感應強度B躍變，磁感應強度的微分和二次微分趨向于無(wú)窮大，即微分干擾和同相干擾趨向于無(wú)窮大，測量導電液體時(shí)會(huì )覆蓋有用信號，影響測量精度。為了減少躍變引起的干擾，采用新型的低頻三值梯形波勵磁，勵磁頻率設定為6.25Hz，為工頻的，可對工頻干擾起到正負抵消的作用。如圖1所示，電流不是陡升或陡降，而是有一定的斜度，減小了因電平突變引入的干擾。每隔10s測量一次信號，減少功耗，延長(cháng)電池的使用壽命。

圖1 三值梯形波勵磁

2 系統硬件設計

整個(gè)系統框圖如圖2所示，主要由DC-DC升降壓電路、勵磁電路、流量信號調理電路以及MSP430F4794單片機等部分構成。鋰電池為整個(gè)電路提供電源，選用兩節一次性鋰電池并聯(lián)使用，型號ER34615H，標稱(chēng)電壓3.6V，標稱(chēng)容量為19AH，儲存壽命超過(guò)10年；鋰電池輸出電壓經(jīng)DC-DC升降壓電路轉換成3.3V和±5V供勵磁電路、信號處理電路、單片機、液晶等使用；勵磁電路輸出恒定電流給電磁流量傳感器的勵磁線(xiàn)圈，線(xiàn)圈感生出恒定磁場(chǎng)，流體流過(guò)測量管道切割磁力線(xiàn)，傳感器的一對電極感生出電壓；電壓信號經(jīng)信號調理電路濾波放大后，由單片機A/D采集；超低功耗的MSP430F4794單片機為系統電路的控制核心，控制勵磁電路輸出三值梯形波，完成流量信號的運算以及液晶的顯示和按鍵輸入的反饋等。

圖2 系統框圖

2.1 DC-DC升降壓電路

DC-DC升降壓電路分為兩種DC-DC電路，分別產(chǎn)生3.3V和±5V，如圖3所示。TPS65130芯片產(chǎn)生5V，該芯片在低負載時(shí)有Power-SaveMode，由于±5V主要使用在放大器上，所以電路中使能此種模式，轉換效率達90%以上，同時(shí)該芯片可通過(guò)單片機的P1.0和P1.1來(lái)使能轉換電路，當關(guān)閉轉換電路時(shí)，該芯片會(huì )與負載斷開(kāi)，進(jìn)一步減少功耗。TPS62736芯片產(chǎn)生3.3V，該芯片是超低功耗的降壓轉換器，針對50mA的輸出電流進(jìn)行了優(yōu)化，靜態(tài)電流只有380nA，轉換效率在90%以上，與TPS65130一樣可以通過(guò)單片機的P1.3來(lái)切換芯片的兩種狀態(tài)BuckMode和StandbyMode，BuckMode為正常轉換狀態(tài)，StandbyMode則關(guān)閉轉換器以減少功耗，同時(shí)該芯片可以檢測輸入電壓的高低，當低于設定值時(shí)，可以通過(guò)P1.2向單片機發(fā)送信號，從而當電池沒(méi)有電的時(shí)候提醒用戶(hù)更換。

圖3 DC-DC升降壓電路

2.2 梯形波勵磁電路

梯形波勵磁電路如圖4所示。電壓3.3V為DC-DC芯片降壓后得到，傳統電磁流量計大多采用24V勵磁，此電路只需要3.3V是由于采用了DMC2004芯片，該芯片內部含有1個(gè)NMOS管和1個(gè)PMOS管，開(kāi)啟電壓小于1V，當Vgs大于1.2V時(shí)，NMOS導通電阻小于0.035Ω，PMOS的導通電阻小于0.065Ω，耗能少，符合低功耗的要求。

圖4 梯形波勵磁電路

恒流源電路采用低功耗放大器TLC2252，電流大小為Uz/R3，該電路取R3=39Ω，恒流源約為30mA.LM385、R1和C1是梯形波形成的關(guān)鍵，LM385為低功耗的參考電壓芯片，C1充電到參考電壓1.235V，形成梯形的一邊，放電時(shí)形成另一邊。

P2.0、P2.1、P2.2的邏輯曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 邏輯曲線(xiàn)

t1時(shí)段，P2.1高電平，P2.2低電平，T2、T3導通，T1、T4截止，勵磁線(xiàn)圈L1上的電流由B到A（假設從B到A為正），T2、T3導通的同時(shí)，P2.0由低電平變?yōu)楦唠娖�，電容C1開(kāi)始充電，Uz由0近似線(xiàn)性增加，上升速率由R1，C1參數決定，當電壓增加到1.235V時(shí)，LM385開(kāi)始導通，穩定在1.235V，這個(gè)過(guò)程勵磁線(xiàn)圈電流也由0上升到30mA，并穩定在30mA；t2時(shí)段，P2.1、P2.2電平維持不變，P2.0由高電平變成低電平，C1放電，Uz線(xiàn)性降低，電流也從30mA降到0；t3時(shí)段，P2.1、P2.2都為高電平，T1、T2都截止，勵磁線(xiàn)圈L1上的電流為0；T4時(shí)段，P2.1低電平、P2.2高電平，T1、T4導通，T2、T3截止，勵磁線(xiàn)圈L1上的電流由A到B，T1、T4導通的同時(shí)，P2.0由低電平變?yōu)楦唠娖�，電容C1充電，電流從0下降到－30mA，并穩定在－30mA；t5時(shí)段，P2.1、P2.2電平維持不變，P2.0由高電平變成低電平，C1放電，Uz線(xiàn)性降低，電流也從－30mA上升到0；t6時(shí)段，P2.1、P2.2都變?yōu)楦唠娖�，T1、T2截止，勵磁線(xiàn)圈L1上的電流又變?yōu)?。經(jīng)過(guò)t1到t6一個(gè)周期，形成了1—0—－1—0的三值梯形波。

2.3 流量信號調理電路

電磁流量傳感器電極兩端輸出的感應電壓信號相當微弱，屬于微伏級信號，測量難度大，且感應信號中包含了各種各樣的干擾成分，如式（1）中的共模干擾、串模干擾等。本文設計了圖6所示的流量信號調理電路，把流量信號從干擾中檢測出來(lái)，電路包括儀用放大電路、低通濾波電路、二次放大電路以及電位提升電路等。

圖6 信號調理電路

信號在進(jìn)入處理電路前使用對稱(chēng)的電容進(jìn)行簡(jiǎn)單的預濾波，去除夾雜在信號中的直流分量。傳感器流量信號內阻可達MΩ級別，所以在選用放大器時(shí)應選擇輸入電阻高的放大器，同時(shí)為消除共模干擾，電路中使用低功耗的INA128儀用放大器來(lái)進(jìn)行放大，INA128只需要改變電阻Rg的值就可獲得不同的放大倍數，但在這里，信號中仍然含有干擾信號，所以放大器的放大倍數不宜取得太高，防止信號放大失真，為此取Rg為5kΩ的精密電阻，設計信號放大倍數為11倍，放大后的信號中仍含有多種頻率成分的噪聲，在這種情況下就要采用濾波措施，增加系統的信噪比。濾波電路采用單位增益的二階巴特沃斯低通濾波器，在梯形波形勵磁電路中勵磁頻率為6.25Hz，所以有用信號的頻率也應該為6.25Hz，在此設計的低通濾波器的截止頻率為33.9Hz。二次放大電路采用簡(jiǎn)單的同向放大電路，放大倍數100倍。信號經(jīng)兩次放大后，仍不滿(mǎn)足A/D采樣的要求，所以采用加法電路把電壓提升，在電路中，放大后的信號與VREF（由LM385得到）相加，使流量信號在0.6V上下波動(dòng)。

2.4 單片機及外圍電路

單片機采用超低功耗的MSP430F4794，該單片機有一種活動(dòng)模式和五種低功耗模式，在活動(dòng)模式最大電流僅有560μA，在低功耗模式最小電流可達0.1μA.在勵磁時(shí)，每隔10s單片機進(jìn)入活動(dòng)模式，且只持續160ms，其它時(shí)間則進(jìn)入低功耗模式。芯片內部自帶16位的A/D，測量精度高。內部配備了最大可驅動(dòng)160個(gè)段的LCD驅動(dòng)模塊，與低功耗的段式液晶相連，實(shí)現流量的顯示。電路中設置了4個(gè)按鍵，可以在流量和累計流量之間切換，可以實(shí)現參數的設置等。

3 軟件設計

在軟件設計上，采用模塊化設計思想，主要包括主程序、初始化子程序、中斷子程序、按鍵子程序、液晶顯示子程序等。

圍繞低功耗，程序流程圖如圖7所示。程序中每隔10s進(jìn)行一次勵磁，單片機A/D采樣，計算顯示后單片機休眠，進(jìn)入低功耗模式。由于傳感器是感性線(xiàn)圈，即使采用三值梯形波勵磁，在勵磁電流變化時(shí)仍然會(huì )產(chǎn)生波動(dòng)，圖5中的電壓曲線(xiàn)即為此在程序中A/D采樣時(shí)忽略這部分波動(dòng)，只采樣中間的部分，多次采樣取平均值同時(shí)采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補償的方法求得最終的勵磁電壓U=（u1－u2）－（u12－u11），這種方法可以消除動(dòng)態(tài)的零點(diǎn)漂移，提高了測量精度。

圖7 軟件設計流程圖

4 實(shí)驗結果

實(shí)驗中，使用的實(shí)驗裝置可以調節流速，一段時(shí)間內流過(guò)的液體質(zhì)量可以稱(chēng)重，通過(guò)計算來(lái)標定流速和累積流量，實(shí)驗中測量管的直徑為50mm，得到以下幾組數據，通過(guò)Matlab軟件生成曲線(xiàn)，如圖8所示。從圖中可以看出，在流量較大時(shí)測量誤差控制在0.5%以?xún)�，在流量較小時(shí)誤差也控制在3%以?xún)�，該方案在保證測量精度的基礎上實(shí)現了儀表的低功耗。

圖8 相對誤差絕對值曲線(xiàn)圖