低频矩形波电磁流量计信号处理电路的设计

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电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的- 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，-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 .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-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收稿日期：2011-O7-12基金项目：黑龙江侍育厅科学技术研究项 目(1 1551072) 作者简介：周美兰(1962-)，女，教授，E-mail：zhoumeilan001###163.corn；鲁登科(1985-)，男，硕士研究生；李亚辉(1985-)，男，工程师。

第 1期 周美兰等：低频矩形波电磁流量计信号处理电路的设计 105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-对电极检测到，其值为EB-D·V (1)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(nl/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l4 J。

1-磁极；2-电极；3-管道图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。

EBVD dt dt(2) Ⅱ 、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。

idB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-。

e 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-。

e 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。

e：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 。 J。

在以上各种干扰中，串帧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f6.25Hz.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-定频率、- 定压降的脉宽电压.本文励磁电路的频率为 1/8工频，即f6.25 Hz，驱动电压幅值 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-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106 哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 l8卷11- EnB分别是第- H桥和第二 H桥使能引脚；引脚 5-IN1和引脚7-IN2是第-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- H桥输入引图2 励磁电路脚状态与输出引脚状态真值关系如表 1所示。

表 1 输入引脚状态与输出引脚状态真值表往 ：H代表商电平 ，L代表低 电平。

HD74HCO4P是-款逻辑非门芯片，具有 6路非门.利用-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 端口输人低频矩形波信号时，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，-般在几十V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。

V- f l ：妁 R 12/ f -Ru 10k 2r. 。.-16I0IN- l - ， e轴的职Ij--匕3------ . 1M J.- 。

- 12V前置放大 滤波电路 二级放大图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 CIM052BE。

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-个二阶低通滤波器，它的截止频率是2O Hz左右，后半部分是-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-个带通滤波器，对电路中混人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-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：G ㈤ 在式(3)中， 是 AD620AN的增益电阻，可通过调节 来调节 AD620AN放大增益.在-级放大电路和二级放大电路中，电阻 和 分别是 AD620的增益电阻尺 。

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，避免尖刺进人后面的电路，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.可以引人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。

第 1期 周美兰等：低频矩形波电磁流量计信号处理电路的设计 107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人电压萨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 为正时，A 的1端输出电压为负，此时，D 截止，D。导通，A，回路为反相放大器，经 D 输出- 给A .此时 A2为-加法电路， 和马 组成的电路部分比例系数为 -2，于是 - 经过该部分后变成了2v，；由尺 和R 组成的电路部分比例系数为-1，于是 经过该部分后变成了- ，将两部分相加得到A 的输出为 .当输入端电压 为负时，此时，D 截止，D 导通，关闭了A 的反镭路，A 的 和马 组成的电路部分组成反相放大器，得到的输出信号为 - ，即 ㈩ 精密全波整流电路如图 5所示. 是输入信号， 为A：的输出信号，为了使输出信号平滑稳定，- 5V图5 精密全波整流电路后面加了-个由 和 c。组成的滤波电路， 为最终的输出信号。

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 m8，单片机在中断程序中使普通 I/O口的高低电平发生-次跳变，于是该端口便模拟出-个频率为f-6.25 Hz，即周期 T160 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-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 Ins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-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)进人中断程序，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 ins，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 PIC16P877A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 l0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4I 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-个缓冲区，依次存放 Ⅳ次采样的数据，(可以把这-组数看成-个队列，队列的长度为Ⅳ)，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-次数据就进行-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。