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电磁流量计

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低功耗电池供电电磁流量计的设计与实现

来源:作者:发表时间:2017-09-16 09:28:17

 摘要:传统电磁流量计大多采用交流220V或直流24V供电,励磁电流高达250mA左右,耗能高,成本高。文中设计了一种基于MSP430F4794单片机的低功耗电磁流量计,采用3.6V锂电池供电,励磁方式采用三值梯形波励磁,励磁电流仅为30mA。围绕低功耗详细叙述了DC-DC升降压电路、三值梯形波励磁电路、信号处理电路、MSP430F4794单片机控制及外围电路。经实验测试,该电磁流量计能够满足用户需求。

 
引言
       电磁流量计是一种基于法拉第电磁感应定律测量导电液体体积流量的仪表。由于其测量不受介质性能的影响、无压力损失和抗腐蚀性等特点,得到了越来越广泛的应用[1]。传统电磁流量计功率大、耗能高,无法满足低功耗的要求,且大多采用低频两值矩形波励磁,由于矩形波存在电平突变,磁场变化率dB/dt过高,引入微分干扰和同相干扰,同时两值励磁容易引起零点不稳导致电磁流量计无法测量小流量导电液体,测量范围受到限制。
 
       本文在对传统电磁流量计大量研究的基础上,设计了一种锂电池供电的低功耗电磁流量计,供电电压为3.6V,励磁电流仅有30mA,功耗大大降低,相对于传统励磁方式,采用三值梯形波励磁,减小了微分干扰和同相干扰,同时提高了零点稳定性和测量精度。
 
1原理
       电磁流量计的传感器电极两端输出信号由式(1)表示
20170916092854.jpg
       式中:BvD为流量信号;20170916092914.jpg为微分干扰信号;20170916093034.jpg为同相干扰信号;ec为共模干扰信号;ed为串模干扰信号;es为直流干扰信号。
       由式(1)可知传感器的输出信号除了感生出的有用信号BvD外,还包含了微分干扰、同相干扰等各种干扰信号,根据以往的资料和经验,共模干扰ec、串模干扰ed和直流干扰es可以通过电路静电屏蔽、良好接地等方法得到很好的抑制和降低。传统低频矩形波励磁时,电平跃变,磁感应强度B跃变,磁感应强度的微分和二次微分趋向于无穷大,即微分干扰和同相干扰趋向于无穷大,测量导电液体时会覆盖有用信号,影响测量精度。为了减少跃变引起的干扰,采用新型的低频三值梯形波励磁,励磁频率设定为6.25Hz,为工频的1/8,可对工频干扰起到正负抵消的作用。如图1所示,电流不是陡升或陡降,而是有一定的斜度,减小了因电平突变引入的干扰。每隔10s测量一次信号,减少功耗,延长电池的使用寿命。
三值梯形波励磁
2系统硬件设计
       整个系统框图如图2所示,主要由DC-DC升降压电路、励磁电路、流量信号调理电路以及MSP430F4794单片机等部分构成。锂电池为整个电路提供电源,选用两节一次性锂电池并联使用,型号ER34615H,标称电压3.6V,标称容量为19AH,储存寿命超过10年;锂电池输出电压经DC-DC升降压电路转换成3.3V和±5V供励磁电路、信号处理电路、单片机、液晶等使用;励磁电路输出恒定电流给电磁流量传感器的励磁线圈,线圈感生出恒定磁场,流体流过测量管道切割磁力线,传感器的一对电极感生出电压;电压信号经信号调理电路滤波放大后,由单片机A/D采集;超低功耗的MSP430F4794单片机为系统电路的控制核心,控制励磁电路输出三值梯形波,完成流量信号的运算以及液晶的显示和按键输入的反馈等。
系统框图
2.1DC-DC升降压电路
       DC-DC升降压电路分为两种DC-DC电路,分别产生3.3V和±5V,如图3所示。TPS65130芯片产生5V,该芯片在低负载时有Power-SaveMode,由于±5V主要使用在放大器上,所以电路中使能此种模式,转换效率达90%以上,同时该芯片可通过单片机的P1.0和P1.1来使能转换电路,当关闭转换电路时,该芯片会与负载断开,进一步减少功耗。TPS62736芯片产生3.3V,该芯片是超低功耗的降压转换器,针对50mA的输出电流进行了优化,静态电流只有380nA,转换效率在90%以上,与TPS65130一样可以通过单片机的P1.3来切换芯片的两种状态BuckMode和StandbyMode,BuckMode为正常转换状态,StandbyMode则关闭转换器以减少功耗,同时该芯片可以检测输入电压的高低,当低于设定值时,可以通过P1.2向单片机发送信号,从而当电池没有电的时候提醒用户更换。
DC-DC 升降压电路
2.2梯形波励磁电路
       梯形波励磁电路如图4所示。电压3.3V为DC-DC芯片降压后得到,传统电磁流量计大多采用24V励磁,此电路只需要3.3V是由于采用了DMC2004芯片,该芯片内部含有1个NMOS管和1个PMOS管,开启电压小于1V,当Vgs大于1.2V时,NMOS导通电阻小于0.035Ω,PMOS的导通电阻小于0.065Ω,耗能少,符合低功耗的要求。
梯形波励磁电路
恒流源电路采用低功耗放大器TLC2252,电流大小为Uz/R3,该电路取R3=39Ω,恒流源约为30mA.LM385、R1和C1是梯形波形成的关键,LM385为低功耗的参考电压芯片,C1充电到参考电压1.235V,形成梯形的一边,放电时形成另一边。P2.0、P2.1、P2.2的逻辑曲线如图5所示。
逻辑曲线
       t1时段,P2.1高电平,P2.2低电平,T2、T3导通,T1、T4截止,励磁线圈L1上的电流由B到A(假设从B到A为正),T2、T3导通的同时,P2.0由低电平变为高电平,电容C1开始充电,Uz由0近似线性增加,上升速率由R1,C1参数决定,当电压增加到1.235V时,LM385开始导通,稳定在1.235V,这个过程励磁线圈电流也由0上升到30mA,并稳定在30mA;t2时段,P2.1、P2.2电平维持不变,P2.0由高电平变成低电平,C1放电,Uz线性降低,电流也从30mA降到0;t3时段,P2.1、P2.2都为高电平,T1、T2都截止,励磁线圈L1上的电流为0;T4时段,P2.1低电平、P2.2高电平,T1、T4导通,T2、T3截止,励磁线圈L1上的电流由A到B,T1、T4导通的同时,P2.0由低电平变为高电平,电容C1充电,电流从0下降到-30mA,并稳定在-30mA;t5时段,P2.1、P2.2电平维持不变,P2.0由高电平变成低电平,C1放电,Uz线性降低,电流也从-30mA上升到0;t6时段,P2.1、P2.2都变为高电平,T1、T2截止,励磁线圈L1上的电流又变为0。经过t1到t6一个周期,形成了1—0—-1—0的三值梯形波。
 
2.3流量信号调理电路
       电磁流量传感器电极两端输出的感应电压信号相当微弱,属于微伏级信号,测量难度大,且感应信号中包含了各种各样的干扰成分,如式(1)中的共模干扰、串模干扰等。本文设计了图6所示的流量信号调理电路,把流量信号从干扰中检测出来,电路包括仪用放大电路、低通滤波电路、二次放大电路以及电位提升电路等。
信号调理电路
       信号在进入处理电路前使用对称的电容进行简单的预滤波,去除夹杂在信号中的直流分量。传感器流量信号内阻可达MΩ 级别,所以在选用放大器时应选择输入电阻高的放大器,同时为消除共模干扰,电路中使用低功耗的 INA128 仪用放大器来进行放大,INA128 只需要改变电阻 R g 的值就可获得不同的放大倍数,但在这里,信号中仍然含有干扰信号,所以放大器的放大倍数不宜取得太高,防止信号放大失真,为此取 R g 为5 kΩ的精密电阻,设计信号放大倍数为 11 倍,放大后的信号中仍含有多种频率成分的噪声,在这种情况下就要采用滤波措施,增加系统的信噪比。滤波电路采用单位增益的二阶巴特沃斯低通滤波器,在梯形波形励磁电路中励磁频率为 6. 25 Hz,所以有用信号的频率也应该为 6. 25 Hz,在此设计的低通滤波器的截止频率为 33. 9 Hz。二次放大电路采用简单的同向放大电路,放大倍数 100 倍。信号经两次放大后,仍不满足 A/D 采样的要求,所以采用加法电路把电压提升,在电路中,放大后的信号与VREF(由 LM385 得到)相加,使流量信号在 0. 6 V 上下波动。
 
2. 4 单片机及外围电路
       单片机采用超低功耗的 MSP430F4794,该单片机有一种活动模式和五种低功耗模式,在活动模式最大电流仅有 560 μA,在低功耗模式最小电流可达 0. 1 μA. 在励磁时,每隔 10 s 单片机进入活动模式,且只持续 160 ms,其它时间则进入低功耗模式。芯片内部自带 16 位的 A/D,测量精度高。内部配备了最大可驱动 160 个段的 LCD 驱动模块,与低功耗的段式液晶相连,实现流量的显示。电路中设置了 4 个按键,可以在流量和累计流量之间切换,可以实现参数的设置等。
 
3 软件设计
       在软件设计上,采用模块化设计思想,主要包括主程序、初始化子程序、中断子程序、按键子程序、液晶显示子程序等。围绕低功耗,程序流程图如图 7 所示。程序中每隔 10 s 进行一次励磁,单片机 A/D 采样,计算显示后单片机休眠,进入低功耗模式。由于传感器是感性线圈,即使采用三值梯形波励磁,在励磁电流变化时仍然会产生波动,图 5 中的电压曲线即为此在程序中 A/D 采样时忽略这部分波动,只采样中间的部分,多次采样取平均值同时采用动态零点补偿的方法求得最终的励磁电压 U = (u 1 - u 2 ) - (u 12 - u 11 ),这种方法可以消除动态的零点漂移,提高了测量精度。
软件设计流程图
4 实验结果
       实验中,使用的实验装置可以调节流速,一段时间内流过的液体质量可以称重,通过计算来标定流速和累积流量,实验中测量管的直径为 50 mm,得到以下几组数据,通过 Matlab 软件生成曲线,如图 8 所示。从图中可以看出,在流量较大时测量误差控制在 0. 5% 以内,在流量较小时误差也控制在 3% 以内,该方案在保证测量精度的基础上实现了仪表的低功耗。
相对误差绝对值曲线图