基于電磁流量計信號轉換器的校驗器設計方法研究

　　一、前言：
　　
　　電磁流量計信號轉換器的校驗器是一種對電磁流量計信號轉換器進行性能測試及標定的裝置，已有的電磁流量計信號轉換器是由一系列高精度的電阻網(wǎng)絡組成，一般只能進行定點的測試及標定，不同廠家的轉換器的放大倍數(shù)等參數(shù)不同，因此，這樣的電磁流量計信號轉換器的校驗器只能在無監(jiān)測條件下對特定電磁流量計信號轉換器進行定點的測試及標定。限制了電磁流量計的應用
　　
　　二、設計思路：
　　
　　設計的電磁流量計信號轉換器的校驗器包括待校驗的外部電磁流量計信號轉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。利用電磁流量計信號轉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換器產(chǎn)品的校驗。
　　
　　三、實現(xiàn)方案：

　　
　　本設計包括待校驗的外部電磁流量計信號轉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，外部電磁流量計信號輸轉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)絡的輸入，電阻網(wǎng)絡的輸出經(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換器的信號輸入。
　　
　　四、校驗器電路實現(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。當續(xù)流電路的開關SW1斷開時，由可調(diào)恒流源確定的電流I值A決定了流經(jīng)電阻網(wǎng)絡輸入端的正負交變電流I的正負幅值A，使電阻網(wǎng)絡輸出校驗器的輸出信號S3，S3信號有正負幅值B；
　　
　　B=KХA
　　
　　K為衰減系數(shù)，由電阻網(wǎng)絡中的電阻值決定；
　　
　　3）由電容和開關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SW1接通時，使可調(diào)恒流源確定的電流I值A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的正負幅值A，A=S4/R，R是取樣電阻的阻值。
　　
　　4）通過在續(xù)流電路的開關SW1斷開時，由可調(diào)恒流源電流i值A確定校驗器的輸出信號S3，再在續(xù)流電路的開關SW1閉合時，通過在對信號S4的測量，得出實際校驗器輸出信號S3的正負幅值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可對其電流進行調(diào)整，電流的大小可通過測量R6兩端的電壓得到。當用普通電壓表測量通過該電壓時，要將開關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，可使本裝置適應不同廠家的電磁流量計轉換器的校驗。設計的電磁流量計信號轉換器的校驗器工作時，其各部分的電流波形示于圖3。　　
　　五、基于校驗器的測量電路
　　
　　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。電路的硬件設計主要包括信號調(diào)理，A/D轉換，LCD顯示及單片機相關的外圍電路等部分。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轉換器進行模數(shù)轉換，再由CPU進行數(shù)值處理，采用液晶顯示器顯示相應的流速。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：核心和難點在于將極化電壓控制到重復穩(wěn)定的值，提取出微弱的感應電動勢，并將其調(diào)整到后續(xù)電路可處理的適當范圍。由于采用自動跟蹤反饋控制的思想，信號調(diào)理電路由單片機控制。
　　
　　A/D轉換電路：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)轉換器，測量精度高，抗*力強。
　　
　　單片機相關外圍電路：時鐘，復位電路，鍵盤和LCD顯示。鍵盤輸入記錄初始零點，LCD實時顯示流量。
　　
　　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。　　
　　基于該校驗器的電磁流量計軟件設計主程序流程圖如圖5所示　　
　　六、結論
　　
　　本設計與現(xiàn)有技術相比，具有如下顯而易見的突出特點和顯著優(yōu)點：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)絡與恒流電路串聯(lián)方式，所得到的輸出信號嚴格對稱，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，可以適應不同廠家的轉換器，特別適合電磁流量計信號轉換器生產(chǎn)過程進行性能校驗。基于該校驗器所設計的電磁流量計，經(jīng)過實踐證明，效果良好。測量精度得到了很大的提高。