電磁流量計信號轉換器的校驗器設計方法研究

電磁流量計信號轉換器的校驗器設計方法研究
    摘要: 設計了一種電磁流量計轉換器的校驗器, 能直接利用電磁流量計信號轉換器輸出的勵磁電流來提供校驗器的電源及同步信號而不需要外接電源, 可用于各種電磁流量計信號轉換器的校驗。實踐證明, 該校驗器的使用, 將大大提高電磁流量計的測量精度。
  關鍵詞: 電磁流量計; 信號轉換器; 校驗器; 恒流源; 電阻網絡
  1 引言
   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等參數不同, 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。限制了電磁流量計應用
   2 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整及測量; 并且可以根據不同類型的轉換器調整輸出信號, 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品的校驗。
  3 實現方案
   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絡。外部電磁流量計信號輸轉換器的勵磁電流輸出, 經一個雙向穩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絡的輸入, 電阻網絡的輸出經一個全波整流器后, 分別連接一個續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, 該設計方案如圖1 所示。4 校驗器電路實現過程
  ( 1) 將智能電磁流量計勵磁電流S1 的兩個輸出端分別與雙向穩壓電路兩端及變壓器的初級線圈的兩個輸入端并聯, 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, 電路原理圖如圖2 所示。
  ( 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恒流源和取樣電阻串聯形成的負載回路提供電源, 其中全波整流器的陽極接可調恒流源的輸入及續流電路的一端, 全波整流器的陰極接續流電路的另一端, 取樣電阻的另一端接恒流源電路的輸出。當續流電路的開關SW1 斷開時, 由可調恒流源確定的電流I 值A 決定了流經電阻網絡輸入端的正負交變電流I 的正負幅值A, 使電阻網絡輸出校驗器的輸出信號S3, S3信號有正負幅值B:B=K×AK 為衰減系數, 由電阻網絡中的電阻值決定。
  ( 3) 由電容和開關SW1 組成的續流電路并聯在全波整流器的直流輸出端, 續流電路的開關SW1 接通時, 使可調恒流源確定的電流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) 通過在續流電路的開關SW1 斷開時, 由可調恒流源電流i 值A 確定校驗器的輸出信號S3, 再在續流電路的開關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=K×S4/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 為可調恒流源電路, 本例中選用LM334, 通過調整R4 可對其電流進行調整, 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定的電源輸入, 從而在R6 兩端得到穩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 兩端產生的電壓大小約為200 微伏至400 毫伏, 可用普通數字電壓表測量, 調整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。
   5 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。從而可以獲得調節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過信號調理電路處理后, 由A/D 轉換器進行模數轉換, 再由CPU 進行數值處理, 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理電路: 核心和難點在于將極化電壓控制到重復穩定的值, 提取出微弱的感應電動勢, 并將其調整到后續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定性,采用了16 位的Σ- Δ型的模數轉換器, 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6 結論本設計與現有技術相比, 具有如下顯而易見的突出特點和顯著優點: 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生器所需用的電池;采用輸出電阻網絡與恒流電路串聯方式, 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; 輸出信號與勵磁信號同步, 信號大小能無級調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過程進行性能校驗。基于該校驗器所設計的電磁流量計, 經過實踐證明, 效果良好, 測量精度得到了很大的提高。
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