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南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 1 的电磁流量计的研制 摘要 电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的速度式电磁流量计。电磁流量计 在很多领域都有着广泛的应用。 本文在分析国内外电磁流量计发展现状和趋势的基础上，采用新型单片机 和集成电路来开发电池供电的智能电磁流量计。本文简单介绍了电磁流量计的 测量原理，给出了设计的总体框图。 电路设计以高性能的混合信号芯片m s c l 2 1 1 为核心，从而简化了外围硬件 电路的设计，实现了液体流量的测量和累积。励磁方式采用了低频三值方波励 磁，在有效地提高了系统零点的稳定性的同时降低了系统的功耗。整个系统中， 设计了信号放大电路、滤波电路、液晶显示电路、键盘电路以及信号输入输出 电路。输出电路采用了r s 一2 3 2 通讯接口，既能用于与仿真器接口的连接，又可 以进行数据的传输，同时转换器还具有了标准模拟电流( 4 2 0 m a ) 输出、数字 频率信号输出和报警信号的输出等。电路设计过程中，利用m u l t i s i m 进行了仿 真。整个系统采用锂电池供电，系统具有结构简单、高精度和低功耗等特点。 在软件设计中，采用了模块化设计的方法，并对每一个模块的软件设计给 出了软件设计的流程图，同时给出了a d 转换的程序设计。 在完成系统的软硬件设计的基础上，分析了系统存在的各种干扰，提出了 有效的抗干扰技术。 关键词：流量计l s c l 2 11 励磁方式 南京信息工程大学硕士论文 基于m s c l 2 1 1 的电磁流量计的研镧 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 o r , 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 ni o w , i sa v e l o c i t y - t y p ef l o w m e t e r e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r s 、) l 惴w i d e l yu s e di nm a n y f i e l d s o nt h eb a s eo f a n a l y z i n g t h e d e v e l o p m e n t s t a t u sa n dt r e n do ft h e e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r st e c h n o l o g y , t h i sa r t i c l eu sm c u a n di ct od e s i g nt h e i n t e l l i g e n te l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r s w h i c hu s e sb a t t e r yf e e d n 坨m e a s u r i n g p r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e ri si n t r o d u c e d , a n dt h eg e n e r a ls c h e m a t i co f t h eh a r d w a r ed e s i g ni sg i v e n n 璩m s c l 2 1 1m i c r o c o n t r o l l e ri su s e di nt h e d e s i g n f o r l i q u i d f l o w m e a s u r e m e n ta n dc u m u l a t i n g s ot h eh a r d w a r es t r u c t u r ei ss i m p l i f i e d t h r e e v a l u e d l o w - f r e q u e n c ys q u a r e - w a v e f o r me x c i t i n g m o d ew a su s e d ，w h i c h e f f e c t i v e l y i m p r o v e dt h es t a b i l i t yo ft h en u l ld 0 i ma n dr e d u c e dp o w e rc o n s u m p t i o n i nt h i s s y s t e m ，s i g n a l sa m p l i f yc i r c u i t , f i l t e rc i r c u i t ，l c dc i r c u i t , k e y b o a r dc i r c u i ta n di o c i r c u i tw e t ed e s i g n e d 0 u t d u tc i r c u i tl i s t sr s 一2 3 2c o m m u n i c a t ei n t e r f a c ew h i c hc a l l b eu s e dt oc o n n e c tw i t he m u l a t o ra n da l s oc a nb eu s e dt ot r a n s m i td a t e s o u t p u t s t a n d a r dc u r r e n to f4 - 。2 0 m a , s i g n a l so ff r e q u e n c ya n da l a r mw a sd e s i g n e di nt h i s s y s t e m o nt h eb a s eo ft h i sd e s i g n , s o f t w a r em u l t i s i mw a su s e dt os i m u l a t ea l l h a r d w a r ec i r c u i t sa n da l lt h i sv a l i d a t et h es y s t e m sf e a s i b i l i t y 1 1 圮s y s t e mh a st h e a d v a n t a g eo f s i m p l es t r u c t u r e ，h i g hp r e c i s i o na n dl o wp o w e rd i s s i p a t i o n i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，m o d u l a r i z e dm e t h o d sw e r eu s e d , a n df l o wd i a g r a r a s o f e v e r yp a r t sw a sg i v e n , a l s ot h ed i a g r a mo f dc o n v e r s i o nw a sd e s i g n e d o nt h eb a s eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n , t h es y s t e m si n t e r f e r e sw a s a n a l y z e da n dt h er e s o l v em e t h o d sw a s 画v e n k e y w o r d ：e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r m s c l 2 1i e x c i t i n gm o d e i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意 作者签名：盆罂 日期：竺i ：盘。边 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：盎! 圭堡 日期：翘：翌： 南京信息工程大学硕士论文 基于m s c l 2 1 l 的电磁流量计的研制 1 1 流量计量和流量计 第一章前言 流量与温度、压力、物位等的测量同为热工量测量，是工农业生产过程控制中的重要 的测定参数之一。流量计量应用广泛，其应用遍及冶金、石油、化工、食品、医疗、环保、 航空、航天、农业灌溉等部门，与人们的日常生活有着密不可分的关系。 流量计量的目的“1 之一，是在生产过程中给管理者或者控制系统提供流量参量的准确 数值，以便做出合理的判断与调节，以提高产品的质量与产量；如在化工生产原料的配比 上，通过流量计量就能准确控制各种原料的比例，从而在有效提高产品质量的同时也能提 高劳动生产率。流量计量的另一目的是从经济利益出发，为供需双方交易的流体总量提供 合理的贸易结算数值。在部门内部，流量计量对于资源和能源的合理利用也有着很重要的 意义，通过流量计量可以节约资源，大大提高资源的利用率，仓造出更加可观的经济效益。 目前流量计量的发展方向有以下几个：采用新技术研制新型的流量计，将超声波、激 光、电磁，核技术等引入流量计量领域，同时使流量传感器趋向电子化和数字化；开发相 对于大流量、高粘性等特殊流体流量测量的研究 流量计是测量流体流量的仪表。流量计的使用由来已久，埃及人用尼罗河流量计来预 报年成的好坏；古罗马人修渠引水，采用孔板测量流量；到本世纪5 0 年代，工业生产中采 用孔板、皮托管、浮子流量计；随着经济和科学技术的发展，流量计量越来越受到重视， 流量计也随之发展起来以满足不同流体的计量，现在研制并投入使用的流量计种类繁多， 主要有速度式流量计、容积流量计，动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等。 1 2 流量计类型及原理简介 流量计是工业测量中重要的仪表之一。随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和 范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异。为了适应各种用途，各种类型的流量计相 继问世目前已投入使用的流量计已经超过1 0 0 种。从不同的角度出发，流量计有不同的 分类方法。常用的分类方法有两种：一是按流量计采用的测量原理分；二是按流量计的结 构原理进行分类 按测量原理分类铷 ( 1 ) 采用力学原理的有：利用伯努利定理的差压式、转子式流量计；利用动量定理的 冲量式、可动管式流量计；利用牛顿第二定律的直接质量式流量计；利用流体动量原 理的靶式流量计；利用角动量定理的涡轮式流量计；利用流体振荡原理的旋涡式、涡 街式流量计；利用总静压力差的皮托管式以及容积式、槽式等等 南京信息工程大学硕士论文摹于m s c l 2 1 l 的电磁流量计的研制 ( 2 ) 采用电学原理的有：电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式流量计等 ( 3 ) 采用声学原理的有；超声波式，冲击波式流量计等。 ( 4 ) 采用热学原理的有：热量式，直接量热式、问接量热式流量计等。 ( 5 ) 采用光学原理的有：激光式、光电式流量计等。 ( 6 ) 采用原子物理原理的有：核磁共振式、核辐射式流量计等。 按流量计结构原理分类：容积式流量计、叶轮式流量计、差压式流量计( 变压降式流 量计) ，变面积式流量计( 等压降式流量计) 、动量式流量计，冲量式流量计、电磁流量计、 超声波流量计、流体振荡式流量计、质量流量计 ( 1 ) 容积式流量计 在容积式流量计内部具有一个相当于标准容积的容器，通常称其为容积式流量计的 “计量空间”或“计量室”。容积式流量计的工作原理为：流体通过流量计，就会在流量 计进出口之间产生一定的压力差。流量计的转动部件( 简称转子) 在这个压力差作用下特产 生旋转，并将流体由入口排向出口，在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的， 只要测得转子的转动次数。就可以得到通过流量计的流体体积的累积值。容积式流量计测 量原理简单，适合用于测量高粘度、低雷诺数的流体，范围度宽；缺点：结果复杂，体积庞 大；被测介质种类、口径，介质工作状态局限性较大；不适用于高、低温场合；大部分仪 表只适用于洁净单相流体；产生噪声及振动 ( 2 ) 叶轮式流量计 将叶轮置于被测流体中，叶轮受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流 量的大小：流量计的结构可以是机械传动输出式或电脉冲输出式。机械传动输出式准确度 较低，误差约2 ，但结构简单，造价低；电脉冲输出式准确度较高。 ( 3 ) 差压式流量计 常用的测量方法是把节流装置装在管道内。利用物质流经节流装置前后产生的压力变 化来进行测量。应用最多的孔板式流量。结构牢围，性能稳定可靠，使用寿命长，应用范 围广；但测量精度普遍偏低，范围度窄。一般仅3 ：l 4 ：l ；现场安装条件要求高。 ( 4 ) 变面积式流量计 流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮 子组所，浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动，当此作用力与浮子的“显示重 量”( 浮子本身的重量减去它所受流体的浮力) 相平衡时，浮子即静止。浮子静止的高度可 作为流量大小的量度。压力损失相对大；污物易堵塞：安装维护相对复杂；受震动影响大 ( 5 ) 动量式流量计 利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计。由于流动流体的动量p 与流体的密度 p 及流速v 的平方成正比，即p p r ，当通流截面确定时，v 与容积流量q 成正比，故 = p 筑p 酽。设比例系数为a ，则q - - - - a4 ，p 因此，测得p ，即可反映流量q ( 6 ) 冲量式流量计 2 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 1 的电磁流量计的研翻 当散状物料进入导管，冲击在流量计的检测板时产生水平分力，使其偏移。在测量过 程中，物料无阻碍的通过，对生产过程无任何影响。物料流量仅与水平分力成正比。所以 只需测量出水平分力，就可得到物料相应流量。 ( 7 ) 超声波流量计 超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息因此通过接收到的超声波就可 以检测出流体的流速，从而换算成流量。非接触式测量；无流动阻挠测量，无压力损失；可 测量非导电性液体。缺点：只能用于清洁液体和气体。 ( 8 ) 流体振荡式流量计 流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡，且振荡的频率与 流速成比例这一原理设计的。当通流截面一定时，流速与容积流量成正比因此。测量振 荡频率即可测得流量转换过程没有可动元件，压力损失小，流量测量范围大，工作可靠， 寿命长。 ( 9 ) 质量流量计 利用流体在振动管中流动时。产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直 接式质量流量仪表。抗磨损、抗腐蚀、可测量多种介质及多个参数等 1 3 电磁流量计简述 电磁流量计( e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r s ) 是2 0 世纪5 0 6 0 年代随着电子技术的 发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表，它是根据法拉第电磁感应定律用来测量导电液 体体积流量的仪表。由于其独特的优点，目前已广泛地应用于工业过程中各种导电液体的 流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质、各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。 电磁流量计由传感器和转换器组成，由于原理和结构的特点，电磁流量计具有以下特 点： ( 1 ) 电磁流量计的变送器结构简单，没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部 件，所以当流体通过时不会引起任何附加的压力损失，同时它不会引起诸如磨损、堵塞等 问题，特别适用于测量带有固体颗粒的矿浆、污水等液固两相流体，以及各种枯性较大的 浆液等。同样，由于它结构上无运动部件，故可通过附上耐腐蚀绝缘衬里和选择耐腐材料 制成电极，起到很好的耐腐蚀性能。使之可用于各种腐蚀性介质的测量。 ( 2 ) 电磁流量计是种体积流量测量仪表，在测量过程中，它不受被测介质的温度、粘 度、密度以及电导率( 在一定范围内) 的影响，因此，电磁流量计只需经水标定以后，就可 以用来测量其它导电性液体的流量，而不需要附加其它修正。 ( 3 ) 电磁流量计的量程范围极宽，同一台电磁流量计的量程比可达1 ：1 0 0 。此外。电 3 南京信息工程大学硕士论文 基于m s c l 2 1 i 的电磁流量计的研制 磁流量计只与被测介质的平均流速成正比，而与轴对称分布下的流动状态( 层流或紊流) 无关。 ( 4 ) 电磁流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量瞬时脉动流量，而且线性好。因此， 可将测试信号直接用转换器线性地转换成标准信号输出，可就地指示，也可远距离传送。 ( 5 ) 电磁流量计耐腐蚀性好：可测量正、反两个方向的流动流体；使用可靠，维护方便， 寿命长。 电磁流量计虽具有上述优良特性，但目前它还有一些不足之处，以致在使用上受到一 定限制。不足之处主要有如下几点： ( 1 ) 电磁流量计不能用于测量气体、蒸汽以及含有大量气体的液体。 ( 2 ) 电磁流量计目前还不能用来测量电导率很低的液体介质，被测液体介质的电导率不 能低于l o “( s c m ) ，相当于蒸馏水的电导率对石油制品或者有机溶剂等还无能为力。 ( 3 ) 由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业电磁流量计还不能测量高温高压 流体。 ( 4 ) 电磁流量计受流速分布影响，在轴对称分布的条件下，流量信号与平均流速成正比， 所以，电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直管段。 ( 5 ) 电磁流量计易受外界电磁干扰的影响。 1 4 电磁流量计的基本原理 1 4 1 法拉第电磁感应定律 法拉第最早通过实验发现了电磁感应现象。实验表明，通过导体回路所包围的面积的 磁通量发生变化时，在回路中就会产生感生电动势及感生电流。感生电动势的大小正比于 与回路相交的磁通随时问的变化率，其方向由楞次定律决定。楞次定律表明感生电动势及 其所产生的感生电流总是力图阻止回路中的磁通量的变化。回路中感生电动势e 的大小和 方向可以表示为： e = 一警 删通量 此式就称为法拉第电磁感应定律。 实验表明磁通量的变化有两种表现形式；一种是导体在磁场中作切割磁力线的运动g 起磁通量的变化；另一种是导体回路所包含的磁通量交变引起的磁通量变化。 第一种表现形式，由公式( 1 - 1 ) 可以推出 4 南京信息工程大学硕士论文 基于m s c l 2 i 的电磁流量计的研制 e = - 皇生：一b d d ：一b d d l ：一b d ；( 1 - 2 ) d t出dt 式中b _ 磁感应强度，t ( 特斯拉) ； a _ 磁通量变化的面积，m 。； d 导体长度，l i t ； 讲一运动的距离，m v _ 运动的速度，m s ； p 感应电动势。v 。 公式( 1 - 2 ) 表明导体在磁场内作切割磁感应线运动，导体两端产生的感应电动势的大 小与此感应强度b 、导体的长度d 以及导体的运动速度成正比。 第二种表现形式可以用公式表示为： e 一警一警一4 鼍竽= - 2 ；, r f a b , 。c o s 耐 m 。， 班谢谢 1 4 2 传感器的基本工作原理和结构 电磁流量计的传感器是利用法拉第电磁感应定律的原理制造的，传感器的结构如图 卜1 所示。宏观上把导电液体看成导体，液体的流动看成导体作切割磁力线运动当导体 在磁场中作切割磁力线运动时，在导体的两端就会产生感应电动势电动势e 的方向由右 手定则确定，大小由下式给出： e = b d v( 1 - 4 ) 因此，流体的体积流量为： d ：丝；：一x d e ( 1 - 5 )一44 b 所以当测量管和磁场一定时，只要测得感应电动势e 即可算出体积流量q 。这是电磁流量 计的最大优点。 5 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1l 的电磁流量计的研制 图1 - 1 电磁流量计的传感器结构 传感器的结构”主要由四个部分组成：测量管、工作磁场、信号检出部分，壳体。 测量管：传感器内流过被测流体的通道。一般由内衬绝缘材料的非导磁、高电阻率金 属管子构成。 工作磁场：一般由励磁线圈通电产生。励磁系统主要有励磁线圈，磁轭、极靴等组成。 信号检出部分：包括电极、电极引出线、电极屏蔽罩和接线端子盒等零部件 壳体：将磁路与外界隔离，起到保护作用，一般由导磁材料制造，同时也起到磁路磁 轭的作用。 1 5 电磁流量计的现状及发展趋势 1 5 1 电磁流量计的研究现状 目前国内外关于电磁流量计的研究热点主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 励磁线圈及传感器内部磁场的优化设计：励磁线圈的大小及放置位置直接关系到 传感器内部磁场的情况。目前的电磁流量计基本是均匀磁场下的电磁流量计，其中磁场的 边缘效应对电磁流量计的测量准确度影响很大，因此，励磁线圈的优化设计成为了电磁流 量计的重要研究方向 ( 2 ) 绝缘介质流量测量：传统的电磁流量计使用低频矩形波励磁，无静电噪声，可测 量导电性流体。湍流流体带有静电噪音，且通过光诺密度实验测得噪声频率为厂。( f 为 励磁频率) ，电磁流量计应用于测量绝缘液体流量时，主要要考虑修正静电噪声，校正零点 迁移。 1 5 2 电磁流量计的发展趋势 ( 1 ) 非均匀磁场的电磁流量计 非均匀磁场电磁流量计是通过改变励磁线圈的尺寸、形状、增加附加线圈来改变磁场 6 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 11 的电磁流量计的研制 的分布；或通过改变电极形状来改变权重函数( 描述工作磁场的有效区域内各点产生的电 动势不能全部贡献给电极间流量信号，而由几何位置所造成的衰减系数) 的分布，使得非 均匀磁场的磁场强度和权重函数的乘积为一常数，也就是说通过该非线性磁场运动的每一 个流体微元所产生的感应电动势的大小相同，此时被测流体对称性受到破坏时也不至于影 响感应电动势的大小，即流量计可以用来测量非对称流体的流量。 非均匀磁场的电磁流量计同均匀磁场的电磁流量计一样，都是基于法拉第电磁感应定 律。但是非均匀磁场的电磁流量计的传感器的励磁线圈的设计涉及的大多是复杂的数学推 导的理论问题，由于问题的繁琐和复杂。所以至今仍没有什么进展，仍然处于发展阶段。 只要理论取得突破性进展，非均匀磁场的电磁流量计就有可能代替均匀磁场，进行非轴对 称流体的准确测量。 ( 2 ) 电容式电磁流量计 电容式电磁流量计又称为无电极电磁流量计。所谓的“无电极”并不是真正意义上的 没有测量信号的电极，而是说检测信号的元件不与被测介质直接接触。它的测量原理是： 在传感器中由于衬里的隔离作用，在流体和电极之间形成很小的静电电容，流体产生的电 动势通过电极和流体间的静电电容的耦合来实现流量信号的检测。 无电极式电磁流量计与电极式电磁流量计的不同点在于它的电极设置在衬里的外表面 上，被测流体与电极通过衬里隔离，不与流体直接接触。由于衬里的隔离作用，在流体与 电极之间形成很小的静电电容，流体产生的感应电动势通过电极和流体间的静电电容耦合， 从而实现了非接触监测 无电极式电磁流量计的优点是它适合于泥浆混入型流体，适用于低电导电性流体和附 着性流体。 无电极式电磁流量计由于其真正的非接触型测量，使得它能应用于一些电极式电磁流 量计难以胜任的场合。但是基于无电极式电磁流量计在静电电容检测方面存在难度，使得 它离工业化还有一定的距离，但是随着电予技术的不断发展和研究的深入，无电极式电磁 流量计将会得到更好的发展。 ( 3 ) 多电极电磁流量计 电磁流量计的测量准确度受流速分布对称式的影响。研究表明。两电极电磁流量计不 能用于测量非对称流型流体和小流量的测量，其根本原因在于靠近电极区域对流型变化的 。过度敏感”当流型为轴对称时，电极附近的过度敏感区被远离电极的欠敏感区域所平衡， 故流量计可以准确测量，而当流速分布偏离轴对称时，这种敏感平衡关系被破坏，测量将 会出现误差。 为了解决非轴对称流型条件下敏感平衡关系被破坏的问题，共有两种解决方案：非均 匀磁场电磁流量计，采用多对电极、多对感应线圈的多电极电磁流量计。由于前者在理论 和工艺水平方面的限制很难迅速发展起来，所以多电极电磁流量计有很大的发展空间。 多电极电磁流量计不但能解决非轴对称流型的流量测量，还可以用于流场速度分布求 解。 7 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 1 的电磁流量计的研制 1 6 本课题研究的意义和主要内容 本课题的研究在于通过优化各个阶段的设计，实现电磁流量计的低功耗和高稳定性。 本课题研究的主要内容： ( 1 ) 在分析各种励磁技术的基础上，采用三值方波励磁，实现电路的简单化设计 ( 2 ) 以新型的单片机m s c l 2 1 1 为核心设计电磁流量计的励磁、输入输出模块以及信号 的硬件处理和系统软件的设计。 ( 3 ) 对系统的软件设计部分提出了一个整体的框架。 ( 4 ) 对系统进行测试仿真，验证流量计的稳定性和准确度。 3 南京信息工程大学硕士论文 基于m s c l 2 1 l 的电磁流量计的研制 第二章励磁设计 2 1 励磁技术的发展过程 在传感器中，传感器的工作磁场是由励磁系统产生的而励磁的方式决定着电磁流量 计的抗干扰能力的大小和零点稳定性能的好坏。不同的励磁方式代表着不同时代的特征和 技术进步。 励磁技术的发展简史：法拉第在发现了电磁感应定律的第二年，利用地球磁场测量泰 晤士河畔滑铁卢桥下的河水。但并未获得成功此后许多学者开始致力于直流励磁技术的 研究；到了第二次世界大战之后，随着测量技术水平的提高，第一台使用直流励磁技术的 电磁流量计诞生了，多用于液态金属的测量，如原子能工业；到了1 9 2 0 年前后，史密斯和 斯皮雷安推荐使用交流励磁来克服水的极化影响，到了1 9 5 0 年工频正弦波励磁技术被采 用，真正实现了电磁流量计的大规模工业应用；1 9 7 5 年前后，工业发达国家研制成功了双 极性低频矩形波励磁的电磁流量计，低频矩形波励磁技术开始取代直流励磁，开始了低频 矩形波励磁电磁流量计的新时代；1 9 7 8 年前后，三值波励磁技术产生，到了1 9 8 3 年三值 低频矩形波电磁流量计研制成功；在此之后，随着工业的迅猛发展，对电磁流量计应用环 境的不同要求，高频矩形波励磁、可编程脉宽矩形波励磁、双频励磁技术也逐渐发展起来。 电磁流量计的励磁技术逐渐进入了智能化阶段。 2 2 各种励磁技术的特点和工作原理 在电磁流量计的发展过程中，励磁技术经历了直流励磁、低频矩形波励磁、双频矩形 波励磁等几个阶段。目前，国内外以三值波励磁和双频矩形波励磁技术为主流。下面就各 种励磁方式和特点做出分析比较 ( i ) 直流励磁技术 宣流励磁是利用永磁体或者直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供电，以形成恒定的 励磁磁场这种流量计感应的流量信号是直流电压信号，几乎没有电磁感应的干扰产生， 这是直流励磁技术的最大的优点。但是直流励磁容易引起测量管内的电解质流体极化，那 么电极上得到的将不只是信号电压，而是信号电压与极化电压的合成信号，后续转换电路 很难将流量信号分离出来，对最终获得的流量的准确性带来一定的影响 同时。直流电压 会导致电解质液体的正负离子的定向移动，使得电极处聚集的离子层不断加厚这就阻碍 了导电离子的继续移动，引起电极间的内阻增大，最终影响仪表的正常工作；直流放大器 的零点漂移、噪声、稳定性问题很难很好地解决，所以直流励磁产生的直流电压的放大比 交流电压的放大要复杂得多。以上这些都给直流励磁的电磁流量计的应用带来了很大的局 9 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 1 的电磁流量计的研制 限性，所以直流磁场只是应用在采用很强的永磁场、感应信号较大的特殊液态金属测量的 场合。 图2 一i 直流励磁 ( 2 ) 交流励磁 交流励磁通常是指使用5 0 h z ( 或6 0h z ) 正弦波的工频励磁的传感器，其励磁波形如 图2 2 所示。这种励磁很好地降低了直流励磁所带来的电解质液体对电极的极化作用，从 而大大降低了漂移的直流干扰对测量的影响；输出的感应电压也为交流信号，易于信号的 放大；同时励磁频率较高，测量反映速度迅速，适合用于测量浆液和脉动流。但是，交流 励磁技术仍然存在着不少的缺点。最大的缺点是由电磁感应造成的正交干扰、同相干扰， 这对流量计测量的线性度和零点的稳定性带来了一定的影响，同时由于交流励磁的电磁感 应，磁路、测量管和流体将产生涡流损失和磁滞损失，这就增加了仪表的功率损耗。 廿。 八八八 vvv 7 圈2 - - 2 交流励磁 ( 3 ) 低频矩形波励磁 低频矩形波励磁是目前电磁流量计的主流。它是一种介于直流励磁和交流励磁之间的 一种励磁方式。其励磁波形如图2 3 和图2 4 所示此励磁方式既能够克服直流励磁存在 的极化电压大的缺点，又避免了交流励磁存在的电磁感应干扰引起的正交干扰和同相干扰 的缺陷，是兼顾直流励磁和交流励磁两者优点的励磁方式。但是由于励磁线圈并非理想电 阻，励磁电流在上升和下降阶段存在的微分干扰使矩形波上升沿和下降沿趋于平坦，同时 在测量浆液等两相导电性液体时电极表面还会产生尖峰电势干扰，这些对低频矩形波励磁 技术的广泛应用都有一定的限制。 1 0 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 l 的电磁流量计的研制 图2 - 3 单极性低频矩形波励磁 厂 厂 厂。 uuuu 7 图2 - 4 双极性低频矩形波励磁 ( 4 ) 三值低频矩形波励磁 三值低频矩形波励磁技术使励磁电流按照正一零负一零一正的变化规律。其励磁波形如 图2 - 5 所示。此项技术的最大的优点是可以实现零态时的零点校正，具有更好的零点稳定 性。这种励磁技术通过一个周期内采样4 次可以近似认为极化电势恒定，同时采用周期间 歇性工作，能有效地降低功耗。本设计采用这种励磁技术，有效地消除了电磁感应出现的 微分干扰和工频干扰，进一步提高了测量精度，降低了励磁功耗，实现了电磁流量计的小 型一体化设计。 厂厂 uu 7 图2 5 三值低频矩形波励磁 ( 5 ) 双频矩形波励磁 双频矩形波励磁方式是日本横河电机公司研究开发的一种高、低频矩形波调制波的励 磁方式。研究表明，干扰噪声具有1 f 的频谱特征，所以可以通过提高电磁频率的方法降 低尖峰噪声和流体流动噪声对流量检测的影响。双频矩形波励磁采用低频有利于提高零点 的稳定性，而高频励磁大幅度降低了极化电压，减弱了测量输出的抖动。提高了测量的相 应速度。但是双频矩形波励磁的缺点在于，它使转换器结构变得复杂，成本增加，同时增 加了传感器的功耗，不利于流量计的低功耗、小型化设计。 南京信息工程大学硕士论文基于m $ c 1 2 1 l 的电磁流量计的研制 b 。 嘲呷唧嗍盯 删叫叫 7 1 图2 _ 6 双频矩形波励磁 ( 6 ) 可编程脉宽矩形波励磁 可编程脉宽矩形波励磁可能失掉一些低频矩形波励磁零点稳定性的特点，但是适合在 特定的场合应用，它的磁路结构与应用的磁性材料比低频矩形波励磁要求要高一些。 r 厂厂厂厂厂 一uu u uu 7 ， 2 3 励磁设计 图2 - 7 可编程脉宽矩形波励磁 通过对电磁流量计励磁技术的分析，本设计基于低功耗的要求，采用了三值低频方波 的励磁方式，励磁电压是由单片机周期性控制模拟电子开关实现的，有效地解决了交流分 频的不稳定因素和工频干扰。 本设计的励磁电路由场效应管及控制电路构成。设计中直接利用m s c l 2 1 1 ”的p 2 口可 以控制场效应管的通断以输出励磁电压。场效应管采用两对互补增强型功率n l l o s 、啪s 管分别连接励磁线圈的两输入端。p 2 口作为通用i o 口时，可以被配置成四种不同的i o 类型：标准8 0 5 1 模式、c l i o s 输出模式、开漏极输出模式、输入模式。本设计中设置成c m o s 输出模式用来直接驱动场效应管，同时通过设置p 2 4 、i 2 5 电平的高低来控制场效应管的 通断，如图2 - 8 所示，从而实现三值方波的输出。本设计中，场效应管性能的好坏，直接 影响到励磁电流的波形，所以在场效应管的选择上作了充分的考虑。 选择1 1 0 s 管首先是因为它是用电压来驱动。几乎没有什么损耗：第二，s f e t 的压降 ( r d s ( o n ) * i d ) 很小，而b j t 则需要用电流来驱动且压降在3 0 0 m y 范嗣内。在选择场设应管 1 2 南京信息工程大学硕士论文基于m s c 2 1 i 的电磁流量计的研制 的过程中重点考虑了开关的转换速度以及功耗。这里选择了i r f 5 4 0 n m o s 管以及 i r f 9 5 4 p m o s e 。 丐 图2 _ 8 励磁电路 设计中励磁频率采用6 2 5 h z ，单片机的引脚通过内部毫秒定时器定时4 0 m s ，通过编 程控制p 2 4 和p 2 ，5 脚的输出规律。通过仿真软件仿真“的结果如图2 - 9 所示。 图2 - 9 仿真的输出波形 在整个励磁设计中，三值方波励磁技术较好地消除了电极两端产生的极化效应，并能 在零点时动态校正零点，提高了零点的稳定性，同时在励磁部分的功耗上比其他励磁要小 得多。 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 l l 的电磁流量计的研制 第三章硬件电路设计 3 1 测量电路的总体设计 在结构上，电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。传感器安装在工业过 程管道上，它的作用是将流进管道内的液体体积流量线性地变换成感应电动势信号，并通 过传输线将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方，它将传感器送来的 流量信号进行放大。并转换成与流量信号成正比的标准电信号输出，以进行显示、累积和 调节控制。具体硬件结构框图如图3 - 1 所示。对于硬件设计，从成本和性能两方面考虑， 力求结构简单，成本合理，功能完善，有较好的稳定性。 传 感m c u 器 3 2 信号处理电路 图3 - 1 测量系统硬件结构图 信号处理电路的作用是将电磁流量输出的和流量信号成比例的毫伏级的电压信号转变 为单片机可以接受和处理的直流信号。信号处理电路是传感器和单片机系统的中介，本设 计中主要由前置放大电路和滤波电路组成。 3 2 1 前置放大电路 前置放大要有很高的输入阻抗和共模抑制比，它的作用是将传感器两电极间的电势差 进行放大，而对电极与地间的同相干扰进行抑制。本文采用运算放大器作前置放大，放大 1 4 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 1 的电磁流量计的研制 倍数为1 0 倍。选择运算放大器时，选择了低功耗高精度运算放大器0 p 9 7 “1 0 p 9 7 是工业 标准o p 0 7 系列的最新型号，它具有o p 0 7 的所有功能，但指标远远超过了o f 0 7 ”1 多用于 高精度积分电路及采样保持电路中。其低功耗、低噪声、低偏置电流、低失调的特点。使 之在电池供电、微弱信号的精确放大等领域的得到了广泛的应用。0 p 9 7 的具体性能指标如 下： 供电电压：3 v 1 8 v ； 功耗低，典型工作电流仅为3 8 0 a ，功耗为o p 0 7 的l 6 ； 温漂小，温度系数低于0 6 pv 。c ； 噪声低，适用于弱信号的放大l 高共模抑制比：最小为1 1 4 d b ，最大可以达到1 3 2d l h 3 2 2 低通滤波电路 = 圈3 - 2 前置放大电路 电压信号经前置放大后，由差动信号变换为单端信号，其输出幅度较小，依然不能直 接输入到模数转换电路，必须经过再次放大，由于测量电路器件本身存在噪声以及其他干 扰，而输入信号较小，因此加入一个二阶低通滤波电路来抑制杂散信号。 低通滤波电路选择压控电压源二阶低通滤波电路在电路中既引入了正反馈又引入了 负反馈 电路设计中。选取合适的电容、电阻值，确保有很好的低通滤波效果。电路如图3 - 3 所示。 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 l 的电磁流量计的研制 各个参数的计算如下： 1 + 监 娥加面磊丽竞两 s 2 墨3 墨5 c 刍c 3 3 + s 【( 玛，+ 局5 ) c 矗+ ! 岛3 c 3 2 】+ l 嘞2 疆蒸 ( 如喁) c 3 ，+ 每骗z 口= ；= = = = = = = = = j 兰= r 一 心3 恐，c 3 2 c 3 3 品质因数为o q = 石f o = i 1 励磁频率选为f = 6 2 5 h z ，取q ：娶= o 7 0 7 ，则 鳓= 2 衫= 3 9 2 5 综合上面几式，取讪f 通带增益为l + 鲁- 2 通过选取合适的数值计算得： 睇l = 1 0 8 k q ；如= 1 0 8 k q , 玛3 = 1 8 k 1 ) ；r 0 5 = 3 6 k f 2 ；c 3 3 = l u f 使得低通滤波 电路在6 2 5 h z 的特征频率下有很好的低通滤波效果。通过i l u l t i s i m2 0 0 1 软件仿真可以看 出此滤波电路对5 0 h z 的工频干扰有很好的滤波效果( 见图3 - 4 ) 。而对于频率小于6 2 5 h z 的波则可以完全通过( 见图3 - 5 以二值波为例仿真) 。 1 6 南京信息工程大学硕士论文 基于m s c l 2 1 i 的电磁流量计的研制 图3 4 对5 0 h z 1 2 频干扰的滤波效果 图3 - 5 频率小于6 2 5 h z 的波的滤波效果 经过滤波后的电压信号保证流量信号的范围在一1 5 v + 1 5 v 范围之内。由于选择的单 片机是单极性电源供电，输入信号的范围 1 3 1 为a g a n d - o 5 v a v d d + o 5 v ，也就是说信号的 输入范围为- o 5 v 5 5 v 。经过信号处理的毫伏级的电压信号放大之后仍然在这个范围之 内，所以可以直接进入单片机进行后续处理。 3 3 单片机的选择及特点 本设计中，考虑到单片机的价格、硬件资源、开发工具和功耗问题，选择了t i 公司的 1 7 南京信息工程大学硕士论文 基于m s c l 2 1 l 的电磁流量计的研制 i s c l 2 1 1 ( 见图3 - 6 ) ，它含有两个标准u a g l 接口，3 2 个多功能数字i o 口，3 个通用定时 计数器，看门狗电路，低电压检测电路，片内自动上电复位电路，四通道1 6 位数模转换 器等，数据处理能力满足要求，适合于本文中的电磁流量计的设计。该芯片的详细特征介 绍如下： ( 1 ) 增强的8 0 5 1 内核 m s c l 2 1 1 是基于8 0 5 1 内核的高性能、混合信号处理器。m s c l 2 1 1 的所有指令和标准的 8 0 5 2 内核完全兼容。除定时器外，所有的位操作、标志位操作和寄存器访问实现的功能与 8 0 5 2 相同。 标准的8 0 5 l 的一个指令周期是1 2 个时钟周期，而m s c l 2 1 1 是4 个时钟周期，如图3 7 所示。在同样的外部时钟频率下执行同样的代码，其指令执行速度比8 0 5 1 快1 5 3 倍 这样当用户在较低的外部时钟频率下运行m s c l 2 1 1 时，与使用标准的8 0 5 1 内核相比，不仅 降低了系统噪声和电源功耗，而且提高了处理能力。 m s c l 2 1 1 提供了双数据指针( d p t r o 和d p t r i ) 来加快数据块的移动速度。另外，为了 兼容不同速度的存储器和外设器件，可以将访问外部数据存储器的周期扩展为2 9 个指令 周期。i 脑c 1 2 1 1 使用1 6 位地址总线( p o 和p 2 ) 访问外部存储器。 片内外围功能模块也在标准8 0 5 2 的基础上进行了改进，减轻了内核和用户的处理压 力，提高了效率。 圈3 - 6 单片机的引脚图 1 8 南京信息工程大学硕士论文 基于m s c l 2 1 l 的电磁流量计的研制 a l e p s e n m s c l 2 1 i 时序a d o - a d 7 p 0 r t 2 a l e 疆丽 标准8 0 5 1 时序a d o a d 7 单字节单周期指令 p o r t 2 l 一 单字节单周期指令 图3 7m s c l 2 1 1 和标准8 0 5 1 指令周期比较 ( 2 ) 片内存储器 m s c l 2 1 1 内部存储器包括f l a s h 存储器、s p , a m 和启动r o m 三部分。 1 f l s h 存储器 m s c l 2 1 1 内部的f l a s h 存储器，根据型号不同其容量从4 k b ( y 2 ) 到3 2 k b ( y 5 ) 不等。 片内f l a s h 存储器划分为两个区，一个可以作为程序数据存储器，存储程序或数据；另一 个是一个1 2 8 b 的硬件配置存储器，它控制芯片的一些熏要功能。 2 s r a m m s c l 2 1 1 内部集成1 2 8 0 b 的s r a m ，其中包括2 5 6 b 内部r a m 和1 0 2 4 b 的片上s r a m 。芯 片内部2 5 6 b r a m 作为工作寄存器区、堆栈区，大部分不能由用户自由支配。真正可以供用 户使用的是1 0 2 4 b 的片上s h a m ，它可以作程序或数据存储器使用。 3 启动r 叫 在m s c l 2 1 1 程序存储空间的高2 k b 空间，有一段由芯片生产厂家固化到芯片中的程序 一启动r o m 。它在串行或并行编程时控制程序执行。 ( 3 ) 硬件配置存储器 硬件配置存储器是m s c l 2 1 1 的重要组成部分，它的大小为1 2 8 b ，分为两部分；一部分 是用户信息存储区，用来存放用户的出厂信息；另一部分就是硬件配置寄存器0 ( h c r 0 ) 和硬件配置寄