0 引言

    电磁流量计(electromagneticflowmeter，EMF)是20世纪中叶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。电磁流量计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[1]。20世纪80年代以来，微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使电磁流量计制造技术更加成熟和完善，其应用领域更加扩大。当代的电磁流量计采用单片机技术，用数字信号处理等措施使电磁流量计的测量精度和性能不断提高，并可充分利用计算机具有信息存贮，分时处理，运算和控制能力的优势。因此，比较容易实现了双向测量，空管检测，多量程自动切换，人机对话，与上位机通信，自诊断等附加功能。由于其独特的优点，目前已广泛地被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[2]。

    1 电磁流量计测量原理

    电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律。即：导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电动势，其感应电动势E的计算公式为：

E=KBVD

    式中：K为仪表常数；B为磁感应强度；V为测量管截面内的平均流速；D为测量管的内径。

    测量流量时，流体流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动会感应出一个与平均流速(即体积流量)成正比的电压，此电压通过两个与液体直接接触的电极检出，传至放大器，然后转换成统一的输出信号。测量原理如图1所示。

图1　测量原理示意图

    这种测量方式具有以下特点：

    (1)测量管内无阻流体，因此无压力损失。

    (2)由于信号在整个充满磁场的空间中形成，它是管道截面上的平均值，因此所需直管段相对较短，前端长度为DN×5(DN为流量计通径)。

    (3)只有管道衬里和电极与被测液体接触，因此，只要合理选择电极和衬里材料，即可达到耐腐蚀、耐磨损的要求。

    (4)测量所得信号是一个与平均流速成线性关系的电动势，它与液体的压力、温度、密度、粘度、电导率(不小于最低电导率)等物理参数无关，所以测量精度高，工作可靠。

    2 电磁流量计硬件设计

    2.1 总体设计原理

    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，选择了美国德州仪器公司的MSP430系列的MSP430F149单片机。美国德州仪器公司(TI)公司的MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成，由五种低电压模式组成的结构被设计为可用电池工作，并可以有很长时间的应用[3]。它们具有16位RISC结构的CPU，16个寄存器和常数发生器能使微控制器达到最高的代码效率，数字控制振荡器使器件在少于6us的时间内从低功耗模式被唤醒到活动模式。MSP430F149单片机带有两个内置的16位定时器，一个快速的12位A/D转换器[4]。

    在系统总体设计中采用MSP430F149作为主控制MCU，利用TIP107等电路产生一个交变的励磁电流，加在传感器的励磁线包上，产生一个交变的磁场，当有流体流过时，管道内的流体切割磁力线产生一个电动势，经过信号处理电路处理后，数字信号送至单片机进行处理，运算，再通过流量标定系统计算出瞬时流量和累积流量送至液晶显示屏显示。并通过D/A转换电路转换为4～20mA电流量信号进行远传输出。其原理框图如图2所示。

图2　电磁流量计原理图

    2.2　信号处理电路

    信号处理电炉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。

    2.2.1　前置放大电路

    前置放大具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，而对电极与地面的同相干扰进行抑制。本文采用运算放大器作前置放大，放大倍数为10倍。选择运算放大器时，选择了低功耗高精度运算放大器OP97[5]。OP97是工业标准OP07系列[6]的最新型号，具有低功耗、低噪声、低偏置电流、低失调的特点。其电路如图3所示。

图3　前置放大电路图

    2.2.2　低通滤波电路

    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。其电路如图4所示。

图4　低通滤波电路图

    3 电磁流量计软件设计

    电磁流量计在相当长的时间里只能被动的接受传感器传来的流量信号，不能进行复杂的运算和做出相应的判断。随着单片机技术的不断发展，单片机越来越多地应用到电磁流量计中，逐渐实现了电磁流量计的单片机化，单片机应用到电磁流量计中，软件设计部分就成了系统设计的关键。

    系统主程序的流程图[7]如图5所示。

图5　电磁流量计主程序流程图

    4　结论

    本文设计的基于MSP430F149单片机的LDB型电磁流量计实物如图6所示，该流量计是用来测量各种导电液体或液固两相介质的体积流量，包括变送器和智能转换积算仪两部分。经实际应用表明，该仪表具有测量精度高、显示读数直观、功耗低、无可动件、可靠性强、寿命长、防爆、防酸、防碱等优点，基本满足设计要求。适合水、酸、碱、盐、泥浆等导电流体测量，可广泛适用于钢铁、石油、化工、水厂、医药、酿造等行业的流体测量及控制[8]。

　　参考文献

    [1]　蔡武昌.电磁流量计的现状和发展[M].北京：机械工业出版社，2002：6210.
    [2]　蔡武昌，马中元.电磁流量计[M].北京：中国石化出版社，2004：5216.
    [3]　胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗电量16位单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001：45273.
    [4]　魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：56262.
    [5]　LowPower，HighPrecisionOperationalAmplifiersOP97Datasheet[M].2003：325.
    [6]　UltraslowOffsetVoltageOperationalAmplifiersOP07Datasheet[M].2002：225.
    [7]　何立民.单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998：822104.
    [8]　温州诚展测控有限责任公司.LDB型电磁流量计使用说明书[M].2006：124.

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