基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统，包括串联谐振电路、控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路、压流转换电路、检流电路和电源电路。采用正弦波励磁，励磁电流不需要平稳段，可以进一步提高频率抑制浆液噪声的影响、提高信噪比；采用正弦波励磁，与矩形波励磁相比可有效降低励磁系统功耗；针对励磁线圈的感性负载特性，串联互补容性器件，使其工作在串联谐振状态，补偿励磁无功损耗，降低励磁系统发热；采用电流源激励，避免励磁系统受温度等环境因素的影响，增强励磁系统的抗干扰能力。该励磁控制系统能显著提高励磁频率，降低系统功耗，有助于浆液流量的可靠测量。

【技术实现步骤摘要】
基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统
本专利技术涉及流量检测领域，具体涉及一种基于高频正弦波励磁、采用串联谐振的电磁流量计励磁控制系统。和传统矩形波励磁系统相比，该励磁系统能降低系统功耗和实现更高频率励磁。
技术介绍
电磁流量计是一种依据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表。其工作原理为，在垂直于测量管道方向的一对励磁线圈通以励磁电流，产生垂直于管道的磁场。测量管道中的导电介质切割磁力线后，将在垂直于磁场和流向的方向上感应出正比于流速的电动势信号，通过嵌在管壁的一对电极读出，用于后续流量计算。电磁流量计由一次仪表(传感器)和二次仪表(变送器)组成，因其流量管内无阻挡物、性能可靠、耐腐蚀性强、测量精度高、不受流体密度、粘度、温度、压力变化的影响等优点，广泛应用于流程工业和市政工程等领域。电磁流量计的励磁技术决定了电磁流量传感器工作磁场的特征和检测精度。现阶段，电磁流量计主要采用矩形波励磁，即周期性的改变励磁电流方向，从而周期性的改变磁场方向。电极式电磁流量计在测量浆液等固液两相导电性流体时，会产生频域1/f分布的随机干扰，即浆液噪声。浆液噪声的频率分量随着频率增加而减小。因此，可通过高频励磁来减少叠加在流量信号上的浆液噪声分量。矩形波励磁时，在励磁方向改变时会产生较大的微分干扰，因此需要选择在平稳段对流量信号进行采样，从而减少微分干扰的影响。此时，励磁电流在上升和下降阶段均需要3τ～5τ才能进入平稳段。当矩形波励磁频率提高时，励磁电流每周期的时间相对减少，平稳段信号提取也相对困难。因此，矩形波励磁时励磁频率不能太高，不利于抑制浆液噪声干扰。正弦波励磁时，通过正交解调抑制微分干扰，不需要平稳段提取流量信号。因此在进行浆液测量时，可适当提高励磁频率提高信噪比，抑制浆液干扰的影响。文献“电磁流量计信号转换器硬件系统的研究与开发”(王军延，东北大学，60-61)中给出了通过变压器将电网电压降压后驱动励磁线圈的方案，此方案虽然简化了励磁系统，但也引入了电网电压输入性干扰；文献“MSP430F149单片机在新型电磁流量计中的应用”(王俭，张宏建.机电工程，2006，第23卷，第6期)和文献“基于低频正弦波励磁方式的电磁流量计设计”(王守志.传感器与微系统，2011，第30卷，第2期)分别采用单片机控制专用波形产生芯片和DAC产生低频正弦波信号，通过运算放大器对产生的低频正弦波信号进行放大，再通过互补对称的功率放大电路对放大的低频正弦波信号进行电流放大并驱动励磁线圈，此方案励磁频率低且励磁系统发热严重，功耗较高。文献“DSP-basedElectromagneticFlowmeterwithSinusoidalExcitation”(A.Gorgenyi,L.Sujbert,I.Bogar,K.Molnar,andT.Daboczi，InstrumentationandMeasurement，2005，第2卷)给出了一种采用DSP通过查找表生成正弦波激励信号，通过D类放大器将电压转换成电流驱动励磁线圈的方案，此方案能降低系统功耗，但没有介绍关键技术细节。瑞士ABB公司推出了高频正弦波励磁的电磁流量计FSM-4000系列产品，励磁频率约70Hz，可用于浆液流量测量，同样没有介绍关键技术细节。
技术实现思路
为了提高正弦波励磁电磁流量计的励磁频率，降低励磁系统消耗的功率，本专利技术提供一种基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统，具有励磁频率高且励磁系统功耗低的特点。本专利技术所采用的技术方案是：采用正弦波励磁，选择合适的电容与励磁线圈串联，组成串联谐振电路，产生稳定交变的励磁磁场；正弦波信号由控制信号产生电路控制波形产生电路产生；产生的正弦波信号经放大滤波电路调理后，再经压流转换电路转换成电流源，驱动串联谐振电路；检流电路检测流过串联谐振电路的励磁电流信号；电源电路为控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路和压流转换电路提供合适电源电压，保证系统稳定工作。基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统，包括串联谐振电路1、控制信号产生电路2、波形产生电路3、放大滤波电路4、压流转换电路5、检流电路6和电源电路7。所述串联谐振电路由传感器励磁线圈和外加串联电容组成，通过励磁线圈产生励磁磁场，通过串联电容容抗分量抵消励磁线圈感抗分量，减少整个励磁回路的阻抗，补偿励磁系统产生的无功损耗。所述控制信号产生电路由数字处理器芯片U1组成，由U1的外设I/O接口模块产生波形产生电路的控制信号。所述波形产生电路主要由数字时钟频率产生电路和直接数字频率合成(DDS)电路组成，数字时钟频率产生电路由有源晶振U2和施密特触发器U3组成，直接数字频率合成(DDS)电路由U4组成，数字时钟频率产生电路为直接数字频率合成(DDS)电路的数字时钟输入引脚提供高质量的时钟信号。根据控制信号的设置，直接数字频率合成(DDS)电路输出频率可调且稳定的正弦波信号。所述放大滤波电路由运算放大器U5A、U5B组成，U5A构成前级反相放大，U5B构成后级同相放大滤波。放大滤波电路将产生的正弦波信号幅值放大到合适的转换电压，并将波形产生电路转换正弦波过程中叠加的高频噪声滤除，然后将放大滤波后的正弦波信号提供给压流转换电路。所述压流转换电路由功率放大器U6、电阻R11、R12、R13、R14A、R14B、Rs、Cs组成，将放大滤波电路输出的电压转换成稳定输出的励磁电流，驱动串联谐振电路产生稳定交变的磁场。所述检流电路由电阻R组成，电阻R跨接在励磁线圈和参考地之间，用来检测流过串联谐振电路的电流信号。所述电源电路由低压差线性稳压芯片U7、基准源U8、跟随运放U9、稳压芯片U10、U11、U12、U13、U14组成，低压差稳压芯片U7输出的电压DVCC1、DVCC2、VCCFL给数字信号处理器U1供电，同时DVCC2给有源晶振U2、施密特触发器U3供电；基准源U8输出经跟随运放U9后给DDS芯片U4供电，为DDS输出稳定的励磁信号提供高质量供电电源；稳压芯片U11、U12为放大滤波电路运算放大器U5A、U5B提供正负电源VCC1、VEE1，采用固定输出；稳压芯片U13、U14为压流转换电路功率放大芯片U6提供正负电源VCC2、VEE2，采用可调输出，便于适应不同口径的传感器；电源DVCC、VIN1+、VIN1-、VIN2+、VIN2-由外部电路提供，VCC由VCC1通过稳压芯片U10转换产生。本专利技术的工作过程为：根据励磁线圈电感值和串联电容值设置扫描频率范围和间隔，由控制信号产生电路控制波形产生电路输出正弦扫频信号，扫频信号经放大滤波、压流转换后驱动串联谐振电路，分别采集串联谐振电路电压信号Es和检流电路电压信号Er，通过快速傅里叶变换(FFT)计算得到两路信号在同一个频率点的相位差，两路信号相位差为零的频率点即为系统固有频率点。然后通过控制信号产生电路输出控制信号，设置波形产生电路产生以固有频率点为最终励磁频率的正弦波信号，同样经放大滤波、压流转换后驱动串联谐振电路，产生稳定交变的励磁磁场。最后，进行水流量标定实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统，包括串联谐振电路、控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路、压流转换电路、检流电路和电源电路；其特征在于：/n采用正弦波励磁，选择合适的电容与励磁线圈串联，组成串联谐振电路，产生稳定交变的励磁磁场；正弦波信号由控制信号产生电路控制波形产生电路产生；产生的正弦波信号经放大滤波电路调理后，再经压流转换电路转换成电流源，驱动串联谐振电路；检流电路检测流过串联谐振电路的励磁电流信号；电源电路为控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路和压流转换电路提供合适电源电压，保证系统稳定工作。/n串联谐振电路由传感器励磁线圈和外加串联电容组成，通过励磁线圈产生励磁磁场，通过串联电容容抗分量抵消励磁线圈感抗分量，减少整个励磁回路的阻抗，补偿励磁系统产生的无功损耗。/n控制信号产生电路由数字处理器芯片U1组成，由U1的外设I/O接口模块产生波形产生电路的控制信号。/n波形产生电路主要由数字时钟频率产生电路和直接数字频率合成(DDS)电路组成，数字时钟频率产生电路由有源晶振U2和施密特触发器U3组成，直接数字频率合成(DDS)电路由U4组成，数字时钟频率产生电路为直接数字频率合成(DDS)电路的数字时钟输入引脚提供高质量的时钟信号。根据控制信号的设置，直接数字频率合成(DDS)电路输出频率可调且稳定的正弦波信号。/n放大滤波电路由运算放大器U5A、U5B组成，U5A构成前级反相放大，U5B构成后级同相放大滤波。放大滤波电路将产生的正弦波信号幅值放大到合适的转换电压，并将波形产生电路转换正弦波过程中叠加的高频噪声滤除，然后将放大滤波后的正弦波信号提供给压流转换电路。/n压流转换电路由功率放大器U6、电阻R11、R12、R13、R14A、R14B、Rs、Cs组成，将放大滤波电路输出的电压转换成稳定输出的励磁电流，驱动串联谐振电路产生稳定交变的磁场。/n检流电路由电阻R组成，电阻R跨接在励磁线圈和参考地之间，用来检测流过串联谐振电路的电流信号。/n电源电路由低压差线性稳压芯片U7、基准源U8、跟随运放U9、稳压芯片U10、U11、U12、U13、U14组成，低压差稳压芯片U7输出的电压DVCC1、DVCC2、VCCFL给数字信号处理器U1供电，同时DVCC2给有源晶振U2、施密特触发器U3供电；基准源U8输出经跟随运放U9后给DDS芯片U4供电，为DDS输出稳定的励磁信号提供高质量供电电源；稳压芯片U11、U12为放大滤波电路运算放大器U5A、U5B提供正负电源VCC1、VEE1，采用固定输出；稳压芯片U13、U14为压流转换电路功率放大芯片U6提供正负电源VCC2、VEE2，采用可调输出；电源DVCC、VIN1+、VIN1-、VIN2+、VIN2-由外部电路提供，VCC由VCC1通过稳压芯片U10转换产生。/n...

【技术特征摘要】
1.基于串联谐振的电磁流量计励磁控制系统，包括串联谐振电路、控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路、压流转换电路、检流电路和电源电路；其特征在于：
采用正弦波励磁，选择合适的电容与励磁线圈串联，组成串联谐振电路，产生稳定交变的励磁磁场；正弦波信号由控制信号产生电路控制波形产生电路产生；产生的正弦波信号经放大滤波电路调理后，再经压流转换电路转换成电流源，驱动串联谐振电路；检流电路检测流过串联谐振电路的励磁电流信号；电源电路为控制信号产生电路、波形产生电路、放大滤波电路和压流转换电路提供合适电源电压，保证系统稳定工作。
串联谐振电路由传感器励磁线圈和外加串联电容组成，通过励磁线圈产生励磁磁场，通过串联电容容抗分量抵消励磁线圈感抗分量，减少整个励磁回路的阻抗，补偿励磁系统产生的无功损耗。
控制信号产生电路由数字处理器芯片U1组成，由U1的外设I/O接口模块产生波形产生电路的控制信号。
波形产生电路主要由数字时钟频率产生电路和直接数字频率合成(DDS)电路组成，数字时钟频率产生电路由有源晶振U2和施密特触发器U3组成，直接数字频率合成(DDS)电路由U4组成，数字时钟频率产生电路为直接数字频率合成(DDS)电路的数字时钟输入引脚提供高质量的时钟信号。根据控制信号的设置，直接数字频率合成(DDS)电路输出频率可调且稳定的正弦波信号。
放大滤波电路由运算放大器U5A、U5B组成，U5A构成前级反相放大，U5B构成后级同相放大滤波。放大滤波电路将产生的正弦波信号幅值放大到合适的转换电压，并将波形产生电路转换正弦波过程中叠加的高频噪声滤除，然后将放大滤波后的正弦波信号提供给压流转换电路。
压流转换电路由功率放大器U6、电阻R11、R12、R13、R14A、R14B、Rs、Cs组成，将放大滤波电路输出的电压转换成稳定输出的励磁电流，驱动串联谐振电路产生稳定交变的磁场。
检流电路由电阻R组成，电阻R跨接在励磁线圈和参考地之间，用来检测流过串...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁利平，杨义，高海潮，秦晓文，齐飞燕，王鸣，柴玲宾，杨双龙，徐科军，黄云志，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34