随着微电子技术的快速发展，特别是一些性能稳定可靠的模块化、高集成度芯片及器件的问世，使得设计低功耗、便携式的现场检测仪表成为可能，也成为今后检测仪表及装置的发展趋势。而在流量测量应用中，电磁流量计作为无能量损耗的流量测量仪表， 以其独特的性能特征，已广泛地应用于工业过程中的各种导电液体的流量测量，形成了独特的应用领域，成为应用越来越广泛的流量测量仪表。目前国内的电磁流量计，普遍为工频交流供电或24V直流供电方式，功耗较大，在仪表便携式和低功耗的要求上没有得到实现。本文中的测量电路主要是应用于由电池供电的电磁流量计中，从励磁方式和测量电路方面进行了低功耗设计， 同时满足测量的精度要求，使得电磁流量计的电池供电成为可能，可以更好的适应非市电等野外现场作业等环境，满足仪表便携式、低功耗的要求。

      1 电磁流量计的工作原理

      电磁流量计的测量原理是利用法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时，会在其两端产生感应电动势。表达式为：

      Ue=BLv （1）

      式（1）中，B为磁感应强度，单位是特斯拉（T）；L为测量电极之间的距离，单位是米（m）；v为被测流体在磁场中运动的平均速度，单位是米每秒（m /s）；Ue为感应电动势，单位是伏特（V）。

      电磁流量计是依照该定律进行工作的。根据此定律，容易推得流体的体积流量为：

      Q=vA

      Q=（Ue/BD）（ΠD2/4）=（ΠD/4B）Ue            （2）

      式（2）中Ue为感应电压，单位为V；B为磁感应强度，单位为T，由电磁流量计的励磁系统提供；D为管道内径，即测量电极之间的距离，单位为m；Q为流体体积流量，单位为m3/s。由式（2）可知，只要获得电极感应电压就可推得流体的体积流量。

      2 励磁方式的低功耗设计

      电磁流量传感器采用三值低频矩形方波的励磁方式[1]，三值低频矩形方波励磁的作用是产生感应强度B，励磁波形如图1所示。

     励磁信号的周期选为160ms，即励磁频率为6.25Hz，为工频的八分频，可对工频干扰起到正负抵消的作用。且三值矩形方波可以较好地消除测量电极两端产生的极化效应。励磁部分的功耗约占整机功耗的多半部分，通过单片机对模拟开关进行控制，每三秒钟输出一次励磁信号，即三秒钟内正负电池分别提供时长为30ms且幅值等于50mA 的励磁电流，如图1所示。当采用正负两组电池供电时，正电池提供正向励磁电流，负电源提供反向励磁电流，估算得正负电池用于励磁部分每年的耗能均为（单位为Ah）：

      W=（30×103/3）×365×24×50×10-3=4.38Ah

      采用一次性锂电池供电，可以满足电池供电的低功耗要求。

      3 测量电路的设计

      本文中的测量电路是用于由电池供电的小口径电磁流量计中，采用了低功耗设计，不同于交流供电的电磁流量计[2]，它通过对单片机的输入输出口进行控制，实现了分时供电与休眠，选择三值低频矩形方波励磁，降低励磁部分的耗能，从而达到低功耗设计的要求。由于从前端传感器检测到的信号的内阻一般为几MΩ，要保证仪表的较高精度，故对整个放大电路的精度要求更高。设计测量电路图如图2所示。

      测量电路主要由前置放大电路、二阶低通滤波器、电压高增益放大级和A/D转换电路以及单片机组成。

      3.1 前置放大电路

      由于励磁产生的磁感应强度信号为6.25Hz，则感应电动势也为同频率的交流信号，它即是被测信号。由于被测流体的内阻很大（与流体的电导率直接相关），高达几MΩ，故测量电路的第一级A1采用美国MAXIM公司的高精度增益可调的仪表放大器MAX4194，输入阻抗为1000MΩ，±2.5双电源供电，外接元件少，功耗低，符合仪表小型化的要求，并可通过外接精密电阻Rg1（图2）来调节放大倍数。该放大增益的计算公式为：

      A=1+50kΩ/Rg1

      考虑到被测信号中强噪声的存在，减少噪声进入后续电路以及使得精密仪用放大器处于线性工作区，选第一级放大倍数约为10，即Rg1为4.7kΩ或5.1kΩ 。

      3.2 二阶低通滤波器

      第二级采用典型的二阶低通滤波器。

      图2中R1、R2、C1、C2、A2构成了二阶压控电压源有源低通滤波器[3]。A2为美国MAXIM 公司低温漂的运算放大器MAX4477。由电路可知，通带电压放大倍数为：

      AVF=1                                                   （3）

      传递函数为：

             （4）

      其中特征角频率

      ωn=1/R1R2C1C2                         （5）

      我们将 f=f0 时电压放大倍数的模与通带电压放大倍数之比称为Q值，即等效品质因素：

                  （6）

      根据式（4）求得低通滤波器的幅频特性：

                 （7）

      因此，当励磁频率选为6.25Hz时，取

      Q=0.707                                      （8）

       ωn=2Πf=2Π×6.25=39.27     （9）

      综合式（5）、（6）、（8）、（9），我们选取适合的数值：

      R1=47kΩ,R2=47KΩ,C1=0.75μf,C2=0.39μf

      使得低通滤波电路在6.25Hz的特征频率下有很好的低通滤波效果。

      3.3 高增益电压放大级

      第三级采用可调高增益电压放大电路。由MAX4197和MAX4194组成，MAX4194外接精密电阻用来调节放大器的增益。在这一级的输出端用电容C3，结合由单片机控制输出信号的模拟开关，形成反馈将噪声信号取回，与待测的流量信号形成差动信号，有效减少噪声信号的干扰。由于是两个放大器级联，故可以满足电路对信号的放大要求，使得整体放大倍数达到5万倍左右，输出信号的幅值达到0.4～2.4V，进入后续的A/D转换部分。在没有流量信号进入测量电路时，令单片机输出信号使得开关KA闭合，则放大器与电容形成负反馈闭环电路，把测量电路的固有噪声信号反馈到输入端；待到流量测量信号进入时，断开反馈回路，与电容上的噪声信号构成差动信号，有效抑制了干扰。

      3.4 双积分A/D转换器

      由于本设计采用电池供电，主要的噪声干扰来自于外部的工频干扰，为了降低功耗并有效滤除工频干扰信号，并不利用单片机的内部逐次逼近式A/D转换，而是采用独立的外接双积分A/D转换器[4]。双积分A/D转换器适用于转换速度要求不高，精度较高，尤其是对交流工频干扰有较强抗干扰的场合。通过选择高精度双积分转换器的基准电压源，利用单片机内部的定时器与计数器，并结合外部模拟开关的选通与截至达到对测量信号的A/D转换功能。

      双积分A/D转换器由R6、C4、A5、过零比较器以及单片机的内部计时器组成，双积分A/D转换器输入端的参考电压REF选用高精度的稳压基准电源LM285，A5为高增益低温漂的集成运放OP-90。过零比较器的输入端采用了输入保护，防止大电流损坏运放，输出端采用限幅措施，用以直接驱动后续的数字集成芯片。当开关KI闭合，在正向激磁信号下产生的正向流量测量信号被接入，积分电路对被测信号进行积分，经过T1的积分时间后，第一次积分结束，开关K-P闭合，积分器对参考电压-REF积分，同时单片机的内部计数器开始计时，当运放A5输出为零时，过零比较器的输出产生跳变，驱动与非门产生外部中断信号输入单片机，则单片机的内部计数器计数停止，第二次积分结束，由此被测的模拟信号电压值转变成了由单片机内部时钟脉冲CP计数的时间量，此计数值与被测输入信号的大小成比例关系。同理，当对反向激磁信号产生的正向流量测量信号进行测量时，即相应接通开关K-N，积分器对+REF进行积分，从而将测量信号的模拟电压值转换成时间量。

      双积分型A/D转换器的工作性能稳定，两次积分只要积分常数τ=R6C4不变，转换结果与τ=R6C4无关，若时钟脉冲CP周期Tc不变，且在T1=2nTc 条件下，转换结果也与时钟脉冲CP周期Tc无关：转换器使用双积分型A/D转换器，对交流噪声有极强的抗干扰能力，选积分时间为工频周期的整数倍时，就可以有效抑制工频干扰。由于本设计使用电池供电，故主要的交流干扰来自工频，所以使用双积分A/D转换器很好地滤除了50Hz的工频干扰。

      3.5 单片机选择

      一般CPU工作时要消耗较大量的功耗，电池供电电磁流量计的选型对CPU要求是严格的。我们选择低功耗单片机MICROCHIP公司的PIC系列单片机[5]。PIC16F877是PIC系列中的中高档产品，含有PWM，EEPROM 等丰富的接口模块和FLASH程序存储器。它的低功耗性能，在单片机时钟频率为2MHz，3V供电的情况下功耗低于1mA，适宜低功耗产品设计。

      单片机采用省电模式工作，每次输入，累计，显示处理后等待唤醒，这样工作功耗非常小。利用单片机输入输出口的脉冲信号对模拟开关进行控制，分时接通电源以及双积分转换电路的积分切换，使得测量电路功耗降至最低。

      4 结论

      本测量电路整体仪表通过实际的标定，与标准表测量结果相比对的数据如下表1所示。

      表1 实测流速与标定流速数据的比较 

标定流速m/s

0.46

1.07

2.30

4.18

6.79

实测流速m/s

0.40

1.1

2.34

4.16

6.84

相对误差δ%

-0.789

0.395

0.526

-0.263

0.658

      注：所用传感器内径为50mm

      本设计中由电池供电的电磁流量计的放大电路，采用了高性能的集成电路和先进的设计思想，对强干扰背景下微弱信号的放大与A/D转换方式进行了研究。励磁电路的间歇式工作以及测量电路的低功耗设计，经实验验证，该测量电路能够满足对前端传感器输出信号的测量要求，流速V在0.4～8m/s范围内，精度可以达到±1%，与目前工业应用中的交流供电的电磁流量计的精度相差无几。同时可显示瞬时流量和累积流量，进行正反向流量测量。采用两节容量为10Ah的锂电池，可以持续工作两年左右，能够实现电磁流量计电池供电的低功耗要求。

      参考文献

      [1] 彭端，彭珞丽. 智能电磁流量计抗干扰技术的研究. 广东机械学院学报， 1994，（3）：32-38
      [2] 李小京. 电磁流量计放大滤波电路的设计. 化工自动化及仪表，2000（2）：50-52
      [3] 童诗白. 模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社， 1987.
      [4] 童永承，顾家林. 电路-模拟-A/D转换及D/A转换. 北京：科学出版社，2002.
      [5] 李学海. PIC单片机实用教程. 北京航空航天大学出版社，2002.

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