基于電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器的校驗(yàn)器設(shè)計方法研究

 一 前言：

     電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器的校驗(yàn)器是一種對電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器進(jìn)行性能測試及標(biāo)定的裝置，已有的電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器是由一系列高精度的電阻網(wǎng)絡(luò)組成，一般只能進(jìn)行定點(diǎn)的測試及標(biāo)定，不同廠家的轉(zhuǎn)換器的放大倍數(shù)等參數(shù)不同，因此，這樣的電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器的校驗(yàn)器只能在無監(jiān)測條件下對特定電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器進(jìn)行定點(diǎn)的測試及標(biāo)定。限制了電磁流量計應(yīng)用

二 設(shè)計思路：

     設(shè)計的電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器的校驗(yàn)器包括待校驗(yàn)的外部電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器和輸出模擬電磁流量計要測量的流體流速信號的電阻網(wǎng)絡(luò)。利用電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器輸出的勵磁電流提供電源及同步信號，得到模擬電磁流量計傳感器的輸出信號，該模擬信號相對大小可無級調(diào)整及測量；并且可以根據(jù)不同類型的轉(zhuǎn)換器調(diào)整輸出信號，可以模擬不同的流速信號及不同的流體阻抗，輸出信號的相對幅值可以用普通數(shù)字電壓表測量，可用于不同廠家的電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的校驗(yàn)。

三 實(shí)現(xiàn)方案：

    本設(shè)計包括待校驗(yàn)的外部電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器和輸出模擬電磁流量計要測量的流體流速信號的電阻網(wǎng)絡(luò)，外部電磁流量計信號輸轉(zhuǎn)換器的勵磁電流輸出，經(jīng)一個雙向穩(wěn)壓器連接一個變壓器的初級輸入，變壓器的次級輸出連接電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入，電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出經(jīng)一個全波整流器后，分別連接一個續(xù)流電路的輸入和一個恒流源電器的輸入，恒流源電路的輸出連接一個取樣電阻；所述的電阻網(wǎng)絡(luò)同時輸出模擬電磁流量計要測量的流體流速信號，連接到外部電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器的信號輸入。

四 校驗(yàn)器電路實(shí)現(xiàn)過程：

電路原理圖如圖2所示

1）將電磁流量計勵磁電流S1 的兩個輸出端分別與雙向穩(wěn)壓電路兩端及變壓器的初級線圈的兩個輸入端并聯(lián)，變壓器次級線圈輸出與S1電氣隔離的信號同步源和工作電源S2 。

2）變壓器次級線圈輸出信號S2的兩個輸出端分別接電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入端和全波整流器的交流輸入端，全波整流器的直流輸出端為由可調(diào)恒流源和取樣電阻串聯(lián)形成的負(fù)載回路提供電源，其中全波整流器的陽極接可調(diào)恒流源的輸入及續(xù)流電路的一端，全波整流器的陰極接續(xù)流電路的另一端，取樣電阻的另一端接恒流源電路的輸出。當(dāng)續(xù)流電路的開關(guān)SW1斷開時，由可調(diào)恒流源確定的電流I值A(chǔ)決定了流經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)輸入端的正負(fù)交變電流I的正負(fù)幅值A(chǔ)，使電阻網(wǎng)絡(luò)輸出校驗(yàn)器的輸出信號S3，S3信號有正負(fù)幅值B；
                     B=KХA
K為衰減系數(shù)，由電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值決定；
3）由電容和開關(guān)SW1組成的續(xù)流電路并聯(lián)在全波整流器的直流輸出端，續(xù)流電路的開關(guān)SW1接通時，使可調(diào)恒流源確定的電流I值A(chǔ)在取樣電阻上形成可直接測量的直流電壓信號S4，通過信號S4可以得到信號S3交變電流I的正負(fù)幅值A(chǔ)，A=S4/R，R是取樣電阻的阻值。
4）通過在續(xù)流電路的開關(guān)SW1斷開時，由可調(diào)恒流源電流i值A(chǔ)確定校驗(yàn)器的輸出信號S3，再在續(xù)流電路的開關(guān)SW1閉合時，通過在對信號S4的測量，得出實(shí)際校驗(yàn)器輸出信號S3的正負(fù)幅值B：
B=KХS4/R

    工作時各部分電流波形如圖3所示。
    全波整流電路D2輸出為U1提供電源，U1為可調(diào)恒流源電路，本例中選用LM334，通過調(diào)整R4可對其電流進(jìn)行調(diào)整，電流的大小可通過測量R6兩端的電壓得到。當(dāng)用普通電壓表測量通過該電壓時，要將開關(guān)SW1接通，電容C1 接入電路起到濾波作用，使電流源電路得到穩(wěn)定的電源輸入，從而在R6兩端得到

    穩(wěn)定的可準(zhǔn)確測量的電壓，測量完畢斷開SW1。
    在圖2所示的電路中，通過調(diào)整恒流源電流，得到的電流為2微安至4毫安，可在S3得到輸出電壓范圍約為0毫伏至40毫伏，相應(yīng)在測量電阻R6兩端產(chǎn)生的電壓大小約為200微伏至400毫伏，可用普通數(shù)字電壓表測量，調(diào)整R3及R4，可使本裝置適應(yīng)不同廠家的電磁流量計轉(zhuǎn)換器的校驗(yàn)。設(shè)計的電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器的校驗(yàn)器工作時，其各部分的電流波形示于圖3。

五．基于校驗(yàn)器的測量電路

    利用PIC18LF2520等芯片就可以對電阻R6兩端的電壓信號和S3上的方波信號進(jìn)行測量。從而可以獲得調(diào)節(jié)電壓值和流速信號值。其電路框圖如圖4所示。電路的硬件設(shè)計主要包括信號調(diào)理，A/D轉(zhuǎn)換，LCD顯示及單片機(jī)相關(guān)的外圍電路等部分。電磁流量傳感器得到的電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后，由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由CPU進(jìn)行數(shù)值處理，采用液晶顯示器顯示相應(yīng)的流速。各個模塊的只要功能如下：

傳感器信號采集和信號調(diào)理電路：核心和難點(diǎn)在于將極化電壓控制到重復(fù)穩(wěn)定的值，提取出微弱的感應(yīng)電動勢，并將其調(diào)整到后續(xù)電路可處理的適當(dāng)范圍。由于采用自動跟蹤反饋控制的思想，信號調(diào)理電路由單片機(jī)控制。

     A/D轉(zhuǎn)換電路：為了保證測量的精度和穩(wěn)定性，采用了16位的∑-△型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)。

     單片機(jī)相關(guān)外圍電路：時鐘，復(fù)位電路，鍵盤和LCD顯示。鍵盤輸入記錄初始零點(diǎn)，LCD實(shí)時顯示流量。

     電源：整個流量測量系統(tǒng)的供電部分，采用能量密度很高的鋰電池供電。

      基于該校驗(yàn)器的電磁流量計軟件設(shè)計主程序流程圖如圖5所示

六．結(jié)論

    本設(shè)計與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：利用勵磁電流提供電路工作的電源，省去了通常模擬信號發(fā)生器所需用的電池；采用輸出電阻網(wǎng)絡(luò)與恒流電路串聯(lián)方式，所得到的輸出信號嚴(yán)格對稱，能模擬流體在管道中勻速流動的狀態(tài)；輸出信號與勵磁信號同步，信號大小能無級調(diào)整并能測量相對大小，可以適應(yīng)不同廠家的轉(zhuǎn)換器，特別適合電磁流量計信號轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)過程進(jìn)行性能校驗(yàn)。基于該校驗(yàn)器所設(shè)計的電磁流量計，經(jīng)過實(shí)踐證明，效果良好。測量精度得到了很大的提高。