（微电子学与固体电子学专业论文）智能电磁流量计设计.pdf

摘要 摘要 电磁流量计是一种利用法拉第电磁感应定律测量导电性液体的仪表。最早由 法拉第在1 8 3 2 年提出，发展到现在已经有一百多年。随着传感器技术、信号处理 技术的发展，电磁流量计不断更新，在流量仪表的占有率也不断上升。 本文在分析国内外电磁流量计发展现状和趋势基础上，采用i n t e l16 b i tm c u 、 系统可编程器件等高性能集成电路，设计出一种新型智能电磁流量计。 在系统硬件电路的开发中，采用频率可调的低频矩形波励磁技术，用m c u 实 现对励磁系统进行控制，并设计出新颖的信号转换放大电路、液晶显示电路和系 统抗干扰电路。为满足电磁流量检测仪表与系统发展需要，增强系统开放性、可 靠性和通讯功能，选用r s 4 8 5 标准总线来实现仪表和外部系统的通信。 在系统数字部分的设计中，m c u 外部的逻辑电路全部在c p l d 内实现，极大 的缩小了系统的体积、提高了系统的稳定性。 在系统软件设计中，我们采用c 1 9 6 来开发系统软件，采用模块化程序设计方 式，设计出了励磁方式控制子程序、a d 采样控制子程序、程序监视系统等模块 化程序。 本项目的开展，对提高我国电磁流量检测技术水平具有积极意义和重要的应 用价值。 关键词：电磁流量计m c uc p l dc 1 9 6 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ( e m f ) ，w h i c hi sb a s e do nf a r a d a y si n d u c t i o nl a w , i s a ni n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n gt h ef l o wo fe l e c t r i c a l l yc o n d u c t i n gl i q u i d s a f t e rp r o p o s e d b ym i a c h a e lf a r a d a yf o rt h ef i r s tt i m ei n18 3 2 ，m o r et h a n 10 0y e a r sh a sp a s s e d d u et o t h eg r e a tp r o g r e s si ns e n s o rt e c h n i q u ea n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ef o re m f , n e w t y p e so fe m f w e r ed e v e l o p e d c o n s t a n t l y o nt h eb a s eo fa n a l y s i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n to fe m f ， w eu s ei n t e l16 b i tm c ua n dc p l dt od e s i g nan o v e li n t e l l i g e n te l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e l i nt h ec o u r s eo fe x p l o i t i n gt h es y s t e mh a r d w a r e ，w ea d o p tt h el o w 矗e q u e n c y r e c t a n g l ew a v ee x c i t a t i o nt e c h n o l o g yw h o s ef r e q u e n c yi sa l t e r a b l e ，a n ds c h e m eo u tt h e n e ws i g n a lc o n v e r s i o n & a m p l i f y i n gc i r c u i t t h en e wl c dc i r c u i ta n dt h en e ws y s t e m a n t i i n t e r f e r e n c ec i r c u i t i no r d e rt om e e ts y s t e m sn e e d s ，e n h a n c es y s t e m so p e n i n g ， r e l i a b i l i t ya n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n , r s 4 8 5s t a n d a r db u si sa p p l i e dt of l o wm e a s u r e & s y s t e m o nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r es y s t e m ，a l lo u t e rl o g i cc i r c u i t so fm c ua r e i m p l e m e n t e di nc p l d t h a tm a k et h ev o l u m eo ft h es y s t e ms m a l l e ra n di m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo fs y s t e m o nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r es y s t e m ，w ea d o p tt h ec19 6l a n g u a g ea st h ep r o g r a m t 0 0 1 a sar e s u l t ，t h ef o l l o w i n gs u b r o u t i n e sa r ep r o g r a m m e d ：t h eo p t i o n a le x c i t a t i o n m o d e l s ，a ds a m p l e ，t h ek e y b o a r dm a n a g e m e n t ，a n dt h el c dd i s p l a y t h ed e v e l o p m e n to ft h i si t e mw i l lb eb e n e f i c i a lt oi m p r o v i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i c f l o wm e a s u r et e c h n o l o g yo fo u rc o u n t r y k e yw o r d s ：e m fm c uc p l d c 1 9 6 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：超氢名日期銎磕因 导庙日期垄缉主厦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 检测技术不论是在工业生产、科学研究，还是在我们的日常生活中都起着非 常重要的作用。通过检测可以对生产和实验过程中某些参数的大小进行监督和精 确控制，从而达到预期的结果。 仪器仪表是实现检测技术的重要工具。过程变量的自动化检测仪表是工业自 动化实现的关键。随着科技的发展，对检测技术的快速性、准确性、可靠性和抗 干扰性等方面提出了更高的要求，而检测技术也发展成一门内容广泛，和多种学 科相互交叉的自动化技术先行学科【。 流量作为一个工农业生产过程中的重要参数，对它的精确检测直接关系到整 个过程的精确控制。流量检测方法种类繁多，至今为止，供工业用的流量仪表种 类有6 0 种之多，每种产品都有它的适用性和局限性。 按照目前最流行、最广泛的分类法，可以分为：容积式流量计、差压式流量计、 浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量 流量计和插入式流量计。 电磁流量计作为一种测量流体流速的速度式流量计，推向市场后，它的性能 不断完善，己经成为一种技术成熟而又应用广泛的新一代流量仪表。同时在新技 术层出不穷和工业过程要求日益提高的情况下，电磁流量计的性能还将进一步得 到提升。 1 2 电磁流量计优缺点 电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体的仪表【2 卅。 它具有有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易解决的问题，如脏污流、腐蚀 流的测量。7 0 、8 0 年代电磁流量在技术上有重大突破，使它成为应用广泛的一类流 量计，在流量仪表中其占有率不断上升。 优点： 1 、测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体， 如纸浆、泥浆、污水等； 2 、不因流量检测造成压力损失，压力损失极小，无可动部件； 3 、所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的 明显影响； 2 智能电磁流量计设计 4 、可对多相流进行测量，精度高，量程宽； 5 、输出电动势正比与流体的截面平均流速，且动态范围不受限制； 6 、输出电动势与流速变化同步，响应速度快； 7 、可测流体的正反向流量。 缺点： 1 、不能测量电导率很低的液体，如石油制品； 2 、不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体； 3 、流速分布影响测量精度，对直管段有要求。 应用概况： 电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程：中小口径常 用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液 和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆：小口径、微小口径常用于医 药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。 1 3 电磁流量计发展动态 近十余年来电磁流量计发展较快，在世界范围内其销售额己跃居流量仪表的 首位【3 8 】。近年发展主要集中在拓宽应用领域、改善性能和增加功能。比如：降低 电导率阈值( 电容电极检测信号仪表) ：降低功耗( 干电池供电仪表，二线制仪表 ( 2 0 0 2 年前后已占3 4 ) ) ；降低价位( 电磁水表，水行业专用仪表) 等。此外 最近在增加自诊断方面又有进展，新型的仪表相继面世；非满管仪表向更低下限 流量延伸；探索用电磁流量计测量原理在线检测液体粘度。 1 、电磁流量计自诊断方面的进展 电磁流量计是无阻扰测量，且接液部件易做耐腐蚀处理，所以较多用于腐蚀 液体和液固双相流体。这类测量介质容易在传感器测量部位( 电极和衬里壁) 结 垢、附着污秽、磨损，妨碍测量获影响准确性，需要定期维护，必要时要拆卸检 查清扫。流量传感器卸下检查影响生产，而且很麻烦，于是人们用通用仪表检查 电极接触电阻、绝缘电阻等作出判断，看是否真正需要卸下管线处理。横河电机 在m i c o n e x 2 0 0 3 展会上展示的a d m a ga x f 型电磁流量计，就有电极玷污自诊 断功能。当电极被绝缘物玷污后，从所检测信号源阻抗发出4 个等级污染程度的 预警信号，提示人员及时清洗，以确保仪表正常运行。 2 、非满管电磁流量计 具有自由表面自然流动的非满管电磁流量计，自1 9 9 1 年有f i c h e r + p o r t e r 公司 第一章绪论 投放市场以来，至少有4 家企业提供定型产品。对于非满管流量测量，由于管内的 流体截面面积是变化的，故流量的测量需要测量流过传感器流体的平均速度和流 过传感器的流体截面积，也即非满管流量测量需要测量管内流体流速和液位这两 个参数 3 、用电磁流量计测量液体粘度 德国k 撕s r u h e 大学研制出一种用于在线实时测量液体粘度的专用电磁流量 计。 1 4 本课题研究意义 虽然近十多年来我国的流量仪表产业得到了较快的发展，但主要集中在流量 仪表需求的增长和对应的流量仪表企业的增长上。在开发方面由于起步迟、起点 低、缺少核心技术，还处于相对落后的阶段，表现在以下几个方面【5 8 l o 】： 1 、功能单一。目前国产的流量检测仪表一般只有信号放大、转换、积算、记 忆保存及显示等基本功能，而缺少正反向流量检测、空管检测等高级功能。 2 、检测精度低。国产流量仪表多数缺乏量程自动切换、零点自校准、小信号 切除、非线性补偿以及数字滤波等高级信号处理能力，影响了流量检测精度。 3 、可靠性不高。系统设计存在不足，信息转换环节多，增加了信号处理的中 间环节和信号之间的连线，易引入干扰信号，影响系统的检测精度和抗干扰能力。 另外，没有很好地采用有效的软硬件容错、隔离等抗干扰措施。 4 、开放性差。目前的电磁流量计在硬件结构上多由分离式模拟器件构成，未 采用新型集成芯片，使仪表的结构、功能扩充性和使用维护都较困难；软件设计 采用过程化软件设计思想，其可读性和可扩展性较差；网络通讯接口一般只配置 r s 2 3 2 类串行接口，只有物理联接上的规定，缺乏数据通讯和校验等链路层协议 标准，因此，难以满足用户开放性、易组态的要求。如采用新型微处理器、可编 程器件及其它新型集成电路能够弥补以上不足。 我们设计的智能电磁流量计以1 6 位m c u 、系统可编程器件和各种新型集成 电路芯片为核心进行设计，充分利用单片机系统良好的软硬件资源和可编程器件 的便于修改性达到增强仪表功能、提高测量精度、可靠性及开放性的目的。因此， 本项目的开展不但能有力地提高我国电磁流量仪表产品的性能质量，更广泛地满 足用户需求，同时在工业控制、环境检测等场合具有实际应用价值。 1 5 本论文任务及安排 我们采用新型微处理器、高性能集成电路及成熟的通信技术，研究开发出具 4 智能电磁流量计设计 有组网通信功能的智能化电磁流量检测仪表。开发出的电磁流量计符合国外电磁 流量计智能化、网络化、一体化等发展趋势，本文主要涉及e m f 的硬件电路部分， 在本项目的研发过程中，应主要完成以下方面的任务： 1 、以i n t e l 公司1 6 位m c u8 0 c 1 9 6 k c 为核心器件构筑出功能强大的智能单元， 增强电磁流量计系统的智能性和运算控制能力； 2 、数字逻辑电路使用c p l d 实现，使系统具有可扩展性和易维护性； 3 、采用可编程励磁方式，增强系统励磁的灵活性，适应不同测量的需要； 4 、采用高精度仪器放大器和高性能a d 转换器来实现信号转换，提高系统抗 干扰能力和检测精度，减少测量误差； 5 、采用r s 4 8 5 标准总线做为系统的通信接口，增强系统组网能力和通讯的 可靠性； 6 、在系统硬件电路及软件设计中增加可靠性设计。 基于以上任务，我们对本文各章内容作出如下安排： 第一章：简要介绍了电磁流量计优缺点和发展动态，探讨了研究和开发电磁 流量计的意义，给出全文的研究内容及其安排。 第二章：通过对电磁流量计开发所涉及到的关键技术分析、研究，确定系统 开发所采用的技术实施方案，为后续设计奠定基础。 第三章：详细介绍所用到的8 0 c 1 9 6 k c 和i s p l s l l 0 3 2 ，对系统各个模块：复 位电路、放大电路、a d 转换电路、键盘接口电路、显示模块、通信模块逐一分 析，给出各部分的实际电路。 第四章：采用c 1 9 6 语言对系统软件进行模块化设计，同时给出作为节点设 备的电磁流量计和控制站内p c 机间通信所用的通信协议及通信规程，为多台电磁 流量计协同工作做出探索。 第五章：对全文进行总结和展望。 第二章电磁流量计测量理论 第二章电磁流量计测量理论 2 1 电磁流量计基本原理 电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律来测量导电液体流量的仪表 2 , 4 , 1 0 - - 1 5 】。 自1 9 3 2 年第一台圆形管道的电磁流量计问世以来，随着材料科学、电子学及微型 计算机的飞速发展和广泛应用，电磁流量计的性能不断完善，己经成为解决流量 测量问题的重要手段，具有可靠性高、耐腐蚀性强、容易变更测量范围等特点， 无论国内外都是重点发展的产品。本节将对电磁流量计的基本原理进行介绍。 2 1 1 电磁感应定律 1 8 3 1 年法拉第在一个实验中，使用两个线圈，对其中的一个通上电流，另一 个线圈经过检流计接成一个闭合回路。他发现，当加在第一个线圈中的电流发生 变化时，另一个圈中产生了感应电动势，从而出现了电流，使检流计发生偏转。 1 8 3 4 年俄国的楞次给出了感应电流方向的明确表述。在此基础上，f e 诺曼于1 8 5 4 年给出了法拉第感应定律的数学表达式： s ：一塑( 2 1 ) 衍 其中是回路上产生的感应电动势，为穿过回路的磁通量。 2 1 2 传感器测量原理 电磁流量计的基本原理是基于法拉第电磁感应定律【2 ，4 ，9 ，1 2 1 。下面以常用的圆形 管道为模型来讨论其基本原理。圆形管道水平放置如图2 1 ，液体沿管道水平流动。 在管道垂直方向加磁场b ，同时在管道侧壁与磁场方向、管道方向三者垂直位置分 另j j j i 两个点电极，电极与管内液体接触。 6 智能电磁流量计设计 图2 1 电磁流量传感器原理图 当液体以速度v 从管内流过时，与垂直方向的磁场相互作用，在磁场内切割 磁力线，从而在管道侧壁的电极上产生感应电动势，其大小反应了流经管道的液 体流速。在流体切割磁力线的同时，由于两电极间的电势差，会在液体内产生电 流，电流受磁场影响又会对流过的液体产生作用力。为了便于研究，通常对工作 条件做如下假设： l 、假设磁场b 恒定、均匀分布，即忽略了感应电流对磁场的影响和电流对流 过的液体的作用力。 2 、假设被测液体没有磁性，同时它的磁导率和真空磁导率一致，这样就可 以忽略液体磁性和磁场b 的相互作用对流过液体流速的影响。 3 、假设液体流速轴对称分布，产生的感应电流和电场对称且平行与液体轴向。 4 、假设液体的导电率均匀、各向同性，且不受电场或液体流动的影响。 基于以上假设，在测量时我们可以认为产生的感应电动势和液体流速v 成 正比。其两者关系如式( 2 2 ) 。 s ：一塑：一b d d l ：一b d v v( 2 2 )s = 一= 一= 一l z - z j d td l 其中d 为管道内径。 2 2 电磁流量计传感器输出阻抗 通常对电磁流量计传感器进行分析时将侧壁上的两个电极看做点电极，但实 际上它也是有一定的尺寸，两个电极与被测液体接触时有一定的电阻，这就是信 号源的内阻【1 1 】。信号源内阻和放大电路输入阻抗共同组成分压电路，为了减少传 感器信号电压损失，需要放大电路的输入阻抗远远大于信号源内阻，这样才能最 大限度减少测量误差。 第二章电磁流量计测量理论 a 电极 p + 2 b 电极 p 2 图2 2 电磁流量计传感器内阻等效模型 信号源内阻模型如图2 2 。管道侧壁装有一对点电极，电极为圆柱形，其直径 为d ，两电极间距为d ，即管道内径，被测液体电导率为仃。假设管道足够长，电极 与被测液体的阻抗用圆板电极与半无线宽流体接触的模型计算。电极与被测液体 1 的接触阻抗为，由于管道直径远大于电极直径，信号源内阻为两电极与被测液 z 口c r 1 体的接触电阻之和即。可见电极大小与被测液体电导率决定了信号源内阻。通 d c r 常被测液体电导率从l o s m 到1 0 - 6 s m ，电极大小为c m 级，这样信号源内阻从十 几欧到几百兆欧。 2 3 电磁流量计励磁系统 励磁系统产生传感器所需要的工作磁场，它直接决定了感应电动势的产生， 同时决定了整个系统的测量精度 1 6 - - 1 8 l 。励磁系统由两部分组成：励磁线圈和励磁电 路。励磁线圈的作用是产生工作磁场，两个励磁线圈分别安装在测量管道的上下， 当通上励磁电流后，即可产生磁场。励磁电路的作用是产生励磁线圈的工作电流。 励磁电流一般有直流励磁、工频正弦波励磁、低频矩形波励磁、三值低频矩形波 励磁、双频矩形波励磁等。 l 、直流励磁 出现最早，在1 9 5 1 年由荷兰科学家研制成功。直流励磁使用永磁体或给励磁 线圈施加直流电来产生固定的磁场。因为它的这些特性，产生了以下问题：感应 智能电磁流量计设计 电动势在两电极表面形成固定正负极，持续作用与被测液体，使其电解，在电极 表面产生极化现象，这样会使流量信号的感应电动势变小，信号源内阻变大；同 时，直流励磁在电极间所产生的不均衡的电化学干扰电势叠加在流量信号中，影 响测量精度，而且随着时间、被测液体特性以及流体流动状态等变化而变化；再 次，直流励磁存在着零点漂移等问题很难解决。它的上述这些问题决定了直流励 磁目前主要应用在液态金属测量。 l 一 图2 3 直流励磁 2 、工频正弦波励磁 工频正弦波励磁的真正实现始于上世纪5 0 年代，它的出现促进了电磁流量计 的广泛应用。它利用工频5 0 h z 正弦波电源给励磁线圈供电，励磁波形如下图2 4 。 工频正弦波基本可以消除电极的极化现象，降低电极电化学现象和传感器内阻； 另外，得到的流量信号也是工频正弦波信号，便于信号处理。然而，它也存在很 多缺点：首先是工频干扰问题，同时存在电源电压幅值和频率波动干扰。 b 八八八。 vv 7 图2 4 工频正弦波励磁 3 、低频矩形波励磁 低频矩形波同时具有直流励磁和工频正弦波励磁的特点，最早由a b d e n i s o n 、 m p s p e n c e r 和h d g r e e n 在1 9 5 5 年提出。该技术不但继承了直流励磁不产生涡流 效应、正交干扰和同相干扰的优点，而且具有工频正弦波励磁基本不产生极化效 应，便于放大信号处理的优点，同时避免了直流放大器零点漂移、噪声、稳定性 等问题，得到了广泛的应用。 第二章电磁流量计测量理论9 厂 厂 厂 t 。 b 图2 5 a 单极性低频矩形波励磁 图2 5 b 双极性低频矩形波励磁 4 、三值低频矩形波励磁 1 9 8 3 年，三值低频矩形波励磁技术被成功研制出来，它采用工频频率的八分 之一为周期，励磁电流按正一零一负一零一正变化，波形如图。它的最大特点是 零点自校准，具有更好的零点稳定性。不过由于励磁电流积分干扰的影响，该技 术在测量含有颗粒的液体( 比如泥浆、纸浆、矿浆等) 时表现不足。 厂t 。 uu 7 图2 6 三值低频矩形波励磁 5 、双频矩形波励磁技术 为了解决三值低频矩形波励磁不能同时消除低频尖峰噪声、液体流动噪声和 零点稳定的矛盾，1 9 8 8 年日本横河电机株式会社提出双频励磁技术来解决含有颗 粒的液体( 泥浆、纸浆、矿浆等) 的测量。不过由于其转换器复杂、成本增加、 1 0 智能电磁流量计设计 功耗大，所以并没有得到广泛应用。 厂 广 厂。 juuu 7 图2 7双频矩形波励磁 综合分析上面各种励磁方式后，可以发现正弦波励磁存在工频干扰和正交干 扰，经常淹没流量信号；低频矩形波虽解决了这些问题，但存在微分干扰，同时 有涡电流的影响；双频矩形波励磁又太过复杂；三值低频矩形波改善了微分干扰， 只是不能应用在某些领域。基于以上情况，我们这里采用的是三值低频矩形波励 磁技术，采用m c u 控制产生所需要的励磁电流，这样还可以通过编程随时改变 励磁方式，增加了系统的灵活性。励磁电路如下图2 8 。 图2 8 励磁电路不意图 从上图可以看出该电路主要由恒流源、电子开关、励磁线圈等电路组成，恒 流源是该电路的核心，它的稳定性关系到测量的精度。四个电子开关受m c u 控制， 两个一组交替打开。k 1 、k 4 打开时( k 3 、k 2 断开) 励磁电流从k 1 向左流过励 磁线圈；k 2 、k 3 打开时( k 1 、k 4 断开) 励磁电流从k 3 向右流过励磁线圈。开 关k 1 、k 4 和k 2 、k 3 分别受励磁控制脉冲n e g a t i v e 和p o s i t i v e 的控制，这样m c u 通过对n e g a t i v e 和p o s i t i v e 的控制就能产生需要的工作磁场。 第二章电磁流量计测量理论 2 - 4 1 干扰信号 2 4 系统抗干扰设计 1 、正交干扰 传感器两电极、被测液体、放大器内阻构成一个闭合回路如下图2 9 ，这相当 与一个一匝的变压器次级绕组，励磁线圈相当与初级线圈，闭合回路相当与次级 线圈。由于闭合回路不可能完全平行与磁场，总有部分磁力线穿过，这样即使流 速为零，也会产生感应电压，这就是“变压器效应 。 b ： 电磁流量计转换器； - ： 图2 9 变压器效应示意图 根据楞次定律得到干扰电动势： = 一警= 一吃c 。s c o t = 一吃s i n 呼一c o t ) ( 2 - 3 ) 可见p 。与励磁频率相关，与被测液体流量无关。干扰信号比流量信号相位要 滞后9 0 。，所以把干扰电动势称为正交干扰，由于正交干扰是磁感应强度b 对时间 t 的微分，它又叫做微分干扰。 2 、同相干扰 交变的电场产生交变的磁场，同时交变的磁场又产生交变的电场，两者之间 相互影响，相互转换。这可以用磁场对时间的二次微分描述，对磁场进行二次微 分得到： 铲害：亟笔型：刃z 跏i n 刁r t = ( 2 n f ) z b ms i n 研( 2 - 4 ) 。出2西2 “。”。1一 7 其中p ，为同相干扰电动势，可以看出它与磁场b 同相位，也就是同时也与流 量信号同相位。因为它的大小与流速无关，所以是一种干扰，叫做同相干扰。由 ( 2 - - 4 ) 可看出同相干扰是正交干扰对时间的微分，正交干扰大，同相干扰也就大， 两者还可以相互转换。 1 2 智能电磁流量计设计 3 、串模干扰 单端信号输出形式中混入的干扰称为串模干扰。实际上双端信号输出类似于 两个单端输出回路，也有串模干扰。串模干扰大多与电源频率一致。采用低频矩 形波励磁可以使采样的串模干扰正、负面积相等，互相抵消，从而抑制串模干扰。 4 、共模干扰 共模干扰定义：相对与公共点位基准点，放大器两个输入端同时出现的干扰。 虽然差分电路可以抑制共模干扰，但当两电极受到不对称污染，共模干扰转化成 串模干扰影响测量。解决共模干扰要从源头解决，由于交流共模干扰大多由静电 干扰引起，流量计节点和静电屏蔽可以降低交流共模干扰。 2 4 2 抗干扰设计1 1 9 2 3 】 一、硬件抗干扰技术 l 、新型励磁技术是提高电磁流量计抗干扰能力的重要手段 电磁流量计励磁技术的发展，不仅减弱了电极极化电势、泥浆干扰、流动噪声 的影响，又能改变工频干扰的形态，便于同步采样技术处理工频干扰噪声，以避免 工频干扰的影响。我们采用的三值低频矩形励磁技术极大的提高了电磁流量计整 体的抗干扰能力，提高了电磁流量计的测量精度和可靠性。 2 、前置放大器的设计是提高抗干扰能力的首要环节 电磁流量传感器输出流信号十分微弱，内阻抗较高，因此高输入阻抗、低漂移、 低噪声的前置放大器才能满足抗同相共模干扰的要求。前置放大器采用j f e t 高输 入阻抗电压缓冲器，低漂移低噪声减法器，精密电阻精心匹配组成仪用放大器，并 采用输入保护技术，共模电压自举技术和接地技术大大提高抗共模干扰的能力，抑 制零点漂移的影响。 3 、同步采样的频率补偿技术 同步采样和工频电源频率监视补偿技术，是提高抗流量信号电势中混入工频 干扰和工频电源频率波动产生工频干扰能力的有效方法。同步采样技术，其采样脉 宽为工频周期的整数倍，使流量信号电势中工频干扰平均值等于零，以消除工频干 扰的影响：工频电源的频率波动补偿是保证频率的动态波动中，励磁电源和采样脉 冲得以同步调整，真正实现同步采样技术和同步励磁技术，同步a d 转换，以降低 工频干扰的影响。 4 、微处理器系统电源电压监视技术 智能电磁流量计中微处理器系统当电源瞬态欠压，励磁开关脉冲动作都会造 成微处理器误动作，数据丢失等现象，因此必须采用可靠的复位电路和电源电压监 第二章电磁流量计测量理论 视技术。最简单实用的方法是采用低成本电源配合高灵敏度的电源电压监视器，提 高微处理器系统和抗干扰能力。 二、软件抗干扰技术 1 、数字滤波技术 数字滤波技术是智能仪器中最常采用的技术，能够完成模拟滤波器不能完成 的功能，很容易解决脉冲干扰剔除、数字电路毛刺干扰消除、a d 转换器的抗工频 能力以及输入微处理器数字的可靠性问题。数字滤波的主要方法为：1 ) 程序判断滤 波：2 ) 中位值滤波：3 ) 算术平均值滤波：4 ) 递推平均滤波：5 ) 防脉冲干扰平均值滤 波：6 ) 一阶滞后滤波。 2 、程控放大器技术 程控放大器技术即解决电磁流量计量程自动转换问题，同时利用增益控制方 法有效削弱微分干扰峰值使放大器过载的问题，便于流量信号电势处理，提高抗微 分干扰的能力。 3 、微处理器硬件故障自诊断技术 微处理器硬件故障自诊断技术是采用软件容错设计，极大地提高硬件系统的 可靠性，从而提高整个智能电磁流量计的抗干扰能力。具体包括c p u 自诊断，定时 器诊断，中断功能诊断，r a m 诊断，a i d 通道诊断和校正，d a 通道诊断，数字i o 口通道的诊断等部分，涉及到智能电磁流量计的关键部件。 4 、微处理器抗干扰技术 上述各种抗干扰措施是解决输入、输出通道中的各种干扰问题，当干扰噪声没 有作用到微处理器本身时，微处理器正确无误地执行各种抗干扰软件，消除或者削 弱干扰噪声对电磁流量计输入输出通路的影响，当干扰噪声通过三总线等作用到 微处理器本身，c p u 将不能按正常状态执行程序，导致智能电磁流量计整个工作 混乱，为了提高微处理器自身的抗干扰能力采用硬件和软件相配合的多种抗干扰 措施。多种复位方式解决失控的c p u 最简单的方法，掉电保护技术，软件指令冗 余措施，软件陷阱抗干扰方法也是排除智能电磁流量计微处理器失控的有效方法。 5 、程序监视系统 系统程序因干扰而跑飞后可能陷入“死循环”。指令冗余技术、软件陷阱技术 不能使跑飞的程序摆脱“死循环”的困境，因此必须采取程序监视技术，既“看 门狗”技术，使程序脱离“死循环 。所谓“看门狗”技术，就是当系统发现程序 运行时间超过设定时间时，系统应用强制措施使自己产生复位，从而使系统运行 纳入正轨的方法。 分析表明，每种抗干扰措施都有其针对性，只具有一定的干扰能力。因此。 在流量计设计中必须综合使用各种抗干扰技术，以提高系统的抗干扰性能。 1 4 智能电磁流量计设计 2 5 前置放大电路 传感器得到的测量信号很弱，一般为微伏、毫伏级别，要进行精确测量就需 要对其进行放大处理【弘2 6 1 。前置放大电路的作用就是把传感器得到的微弱的流量信 号放大，同时还可以抑制变送器两电极对地之间存在的同相干扰。前面提到放大 电路输入阻抗r 和信号源内阻尺。组成分压电路如图2 1 0 。 r 图2 1 0 传感器输入阻抗和信号源内阻关系 为了降低信号源内阻的影响，放大电路要采用高输入阻抗。同时为了解决供 电电源干扰耦合到输入回路所带来的工频干扰以及励磁磁场的交变变化所产生的 其它干扰( 共模干扰) ，我们采用差分电路来减少共模干扰的影响。线路如图2 1 1 该电路特点是一个差分电路，只对两信号差值进行放大，它的差分能力用抑制比 来表示。两个输入对地电位相异时的增益和电位相同时的增益之比即称为“抑制 比 ，理想上抑制比可以无穷大。这样我们就能用这个电路测量传感器两个电极 之间的电位，这样两电极对地的干扰电压( 同相干扰) 可以在放大时受到抑制。 综合起来，此电路具有放大放大差模信号、抑制共模信号、输入阻抗高、输出阻 抗低、失调小、温漂小、线性好和增益稳定可调等优点。 图2 1 1 前置放大电路 第二章电磁流量计测量理论 该电路f h - - - - 个放大器组成。4 、a ：、r 1 、r ：和r g 组成的第一级放大电路为 同相放大电路，该电路实际是两电压跟随器，它们两个反相端由恐相连，具有非 常高的输入阻抗，适合放大微信号；r ，、r 。、r ，、r 。和a ，组成第二级基本差动 放大器，它可以消除第一级的共模信号，整个电路通过对r g 的改变来调整放大倍 数。 按照差模和共模输入的定义，可将巧。和巧：表示为： ，忙+ 三协5 ， l 巧：一委 令运算放大器4 、a 2 、a 3 的输入失调电压分别为v , o l 、v , 0 2 、t l , 0 3 ，a ，和彳2 相互失调电压为v , o ，失调电流为，d ；其中v , o = v , o 。一：，这样简化得到图2 1 2 。 图2 1 2 日i j 置放大电蹯，寺，双电路图 1 、闭环差模电压增益么玎 令v k = 0 ，假设电路完全平衡对称，a 。和a 2 匹配；v , o 和1 1 0 均为零；r l = r 2 ， r ，= r 。，r ，= r 。由理想运放基本特性= k 得 r 圪= 一等( 。一：刮p ( r 1 + r g + r 2 ) ( 2 - 6 ) l 铲万1 。i 1 _ ( - 吉) 】 上式解得理想条件下闭环差模电压增益彳玎： 铲丽v o = 苦一等净 协7 ， 由4 和a 2 组成差动输入、差动输出的电压增益a 盯。为： 1 6 智能电磁流量计设计 锄= 警小2 丢 p 8 ， 由a 3 和r 3 、r 。、r 5 、r 。组成的差动输入、单端输出电压增益彳玎2 ： 锄= 去一鲁( 2 - 9 ，锄：2 酉最一蓄 由上面可以看出，通过对比的调节可以改变放大倍数，而且这样不会改变整 个电路的对称性，不会降低共模抑制特性。 由式看出整个电路电阻采用精密电阻( 例如o 0 1 ) 且温度匹配到小于 2 p p m 。c 时，a 咿精度可以达到0 0 1 ，a 断5 p p m 。c 。 2 、闭环差模输入阻抗r 。， 的中心点是差模信号零电位点，从彳，和a ：的同相端看输入闭环差模输入电 阻如为： r 矿= r 耐l ( 1 + a o d l e ) r 时l 】+ 【r 耐2 ( 1 + , , 4 0 d 2 e ) r 捃2 】 ( 2 1 0 ) 其中r 埘l 、r 心：和r 七。、r 缸2 分别为a 1 、a ：的差模输入电阻和共模输入电阻； a o d 。、：分别是a ，、a ：的开环差模电压增益；e 和e 是电压反馈系数。 互啦孟1r = 彘p11r ， u 互= 五= 午= 而 丁 ( 2 ) l + 去如 削利k 由于运放有很高的差模输入阻抗，选择合适的运放可以使r ，达1 g 以上。 3 、输入失调特性和温漂 令= 0 ，只有作用，设，= 0 。由图写出a 。、a ：的输入偏流k 、，馏： 和整个放大器的输入偏流、失调电流k 分别为： il 队= i i b + 三i | o i 2 i叫腰一吉 ( 2 - 1 2 ) 一 ) 4 2 多台电磁流量计协同工作 在实际应用中电磁流量计并不总是单独工作，往往需要多台电磁流量计共同 完成项任务。这就要考虑作为节点设备的电磁流量计和控制站内p c 机间通信所 用的通信协议及通信规程 4 2 - - 4 5 1 。 4 2 1 电磁流量计的网络接入 电磁流量计具有r s 4 8 5 串行通讯口，大多数p c 机只有常用的r s 2 3 2 标准总 线接口，而不具备r s - 4 8 5 标准总线接口，所以站内p c 机不能直接和具有r s 4 8 5 标准总线接口的电磁流量计进行通信。为了应用r s 4 8 5 标准总线实现两者通信， 可以在电磁流量计和p c 机间加装2 3 2 4 8 5 转换器，来实现两者间的信号转换。经 过如上处理，站内p c 机就可以在比较远的范围内同时对多个网络节点实施监控。 采用r s 4 8 5 标准总线后，站内p c 机和电磁流量计等节点设备的网络连接关系如 图4 3 所示。 第四章智能电磁流量计的软件实现4 1 图4 3 站内p c 机和节点设备的网络连接 4 2 2 电磁流量计和计算机间的通信协议 电磁流量计通过串行r s 一4 8 5 标准总线与站内p c 机连接。在进行数据传输 时，站内p c 机先发出地址帧对指定的节点设备寻址，在得到确认之后向选中的 节点设备发送命令及参数，或者接收节点设备采集的数据。为了满足简单实用 的要求，根据r s - 4 8 5 数据总线通信的特点可以将节点的电磁流量计和站内p c 机间的通信协议分为三层：物理层、数据链路层、报文层。 一、物理层 电磁流量计等节点设备和站内p c 机之间的通信符合r s - 4 8 5 电气规范。采 用平衡式差分长线驱动，半双工。通信介质采用双绞线或同轴电缆。 二、数据链路层 电磁流量计等节点设备和站内p c 机间的通信采用异步串行通讯控制规程， 并采用地址位唤醒握手协议。因此在协议中规定了传地址和传数据两种不同的 帧格式，如图4 4 所示。地址帧和数据帧都有1 1 位，其中第l 位和最后l 位相 同，分别为起始位和停止位，紧接起始位的是8 位数据位，第9 位为标志位， 用来区分所发送接受的帧信息是地址帧还是数据帧。第9 位为1 时，表示p c 机发送接受的是“地址帧 ：第9 位为0 时，表示主机发送接受的是“数据帧。 命令帧与校验和的发送格式与数据帧相同，因此可由数据帧演化得到。 4 2 智能电磁流量计设计 d 7d 6d 5 d 4 d 3d 2d ld o 起 始 位 图4 4 a 地址帧 d 7 d 6 d 5 d 4 d 3 d 2 d ld o 地 址停 帧止 标位 士 ，e 一 起 始 位 数 据停 帧止 标位 士 j l ! 一 图4 4 b 数据帧 三、报文层 在电磁流量计等节点设备和p c 机通信的过程中，由地址帧、命令帧、数据 帧、校验和可组成各种功能不同的报文。由于采用主从工作方式来实现通信， 电磁流量计等节点设备仅能接收并执行p c 机发送来的控制命令，而不能发送命 令给p c 机。因此，由p c 机发往流量计等节点设备的报文一般包括一个地址帧， 一个命令帧，若干个数据帧和一个校验和，其报文格式如图4 5 a 所示：而由流量 计等节点设备发往p c 机的报文一般包括一个地址帧，若干个数据帧和一个校验 和，其报文格式如图4 5 b 所示。 l bl b0 b x b l b 图4 5 ap c 机发给节点设备的报文 l b0 b x b l b 第四章智能电磁流量计的软件实现4 3 图4 5 b 节点设备发给p c 机的报文 地址命令帧 读电磁流量计总累积流量地址命令帧 读电磁流量计正向累积流量地址命令帧 读电磁流量计反向累积流量地址命令帧 读电磁流量计瞬时流量地址命令帧 图4 6p c 机和电磁流量计间的地址命令帧 由于r s 一4 8 5 电气标准规定每段只能联结3 2 个节点设备，因此可用地址帧 中的5 位表示这3 2 个地址，其余3 位用来表示命令，从而构成地址命令帧。对 于控制命令需求不超过八个的通信系统，采用地址命令帧可压缩报文长度提高 通信效率。电磁流量计和p c 机通信的主要目的是将流量计采集到的数据读到 p c 机中。这些数据包括：总累积流量、正向累积流量、反向累积流量、瞬时流 量。通信时，p c 机只需向电磁流量计发送读总累积流量、读正向累积流量、读 反向累积流量、读瞬时流量命令即