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海水流量计空管报警检测模块设计
浏览:44 发布日期:2018-07-12
海水流量计传感器的空管状态指管道未被液体充溢,招致电极局部或全部暴露于空气中,该状态下仪表示数不规则,无法正确显现流量值[1]。
  现阶段电磁流量计完成对空管状态的检测,主要有增加电极、参数提取和附加鼓励三种办法[2-3]。增加电极的办法需对管道停止改造,在实践运用中可行性不高;参数提取经过丈量叠加于流量信号上的微分干扰和工频干扰两种信号,完成对管道的状态判别。由于干扰信号幅值受工况环境影响大,该办法适用范围较小;附加鼓励源的办法又分为电压源和电流源两类,电压源输出阻抗小,并联于电极回路,使仪表放大器输入阻抗减小,影响流量信号。电流源输出阻抗高,对流量信号的影响可疏忽,但电流源输出电流值不应过大,且电流方向应能够改动以防止电极极化惹起的零点漂移问题[4]。
  为了完成对传感器空管状态更精确、牢靠的报警功用,本文提出并设计了一种电流源鼓励方式的电磁流量计空管检测模块。
1电流源附加鼓励下传感器电极回路模型
  图1为电流源附加鼓励下的传感器电极回路模型图,E为磁场作用下表征流速信号的感应电动势,RL为丈量电极对地等效电阻,Ri为仪表放大器的输入电阻,Ie为电流源。
电磁流量计电流源附加鼓励下电极等效回路图
  电流源模块与传感器电极回路并联,由电流源输出阻抗无量大特性可知,电流源模块不对流量信号大小产生影响。思索实践运用状况下,不同流体类型的流体阻抗大小不一,关于低电导率类型流体,其流体阻抗大,为防止采样电势信号饱和,电流源输出值应依据流体类型大小可调,且输出电流大小在微安级。另外,为了防止电极长时间受同一方向电流影响而产生电极极化反响,招致仪表零点漂移影响仪表精度,电流源流向需可控。
  综上所述,为完成电流源附加鼓励方式的空管检测模块可以精确完成空管报警功用,电流源需满足如下三点约束条件:微小电流值恒流、电流方向可控、电流值可控。
2空管检测模块系统框架
电磁流量计空管检测模块系统框架图
  如图2所示,空管检测模块系统由精细电流源、电流控制电路、阻抗丈量模块三局部组成。其中,精细电流源输出恒定电流;电流控制电路完成对电流源输出电流大小和方向控制;阻抗丈量模块对电极电势停止采样与电势调整,后送入微处置器停止空管判别。下面分别对三局部电路设计停止引见。
2.1精细电流源电路设计
  电流源并联于传感器电极回路,为了不影响流量信号采集,电流源内阻应为高阻抗。如图3,Vi1、Vi2为输入电压,VL为负载端电压,io为电流源输出,A1、A2为运算放大器。
电磁流量计恒流源电路图
  令isc为负载短路电流,Ro为恒流源等效内阻大小。由诺顿定理,求负载短路下电路的短路电流[5]:
 
  由上述推导可知,电流源输出阻抗无量大,输出电流大小仅由输入电压Vi1、Vi2和输出电阻R决议,满足空管检测模块设计请求。电路的缺乏在于,运算放大器输入端易受外部信号干扰,故采用三运算放大器构造替代差分放大构造。在实践设计电路时,运用仪表放大器INA118替代图3中运算放大器A1,仪表放大器INA118优点在于:
1)高共模抑止比,输入阻抗高达1010Ω;
2)低输入偏置电流,最大值为10nA;
3)内部高精细电阻R1=R2=R3=R4=60kΩ;
4)较宽的增益调理范围,为1~10000。
  反应运放A2运用低输入偏置电流运算放大器,使流入运放A2的损失电流可疏忽不计。依据电路学问,运用仪表放大器INA118和运放OPA602后电路输出电流值:
 
  RG为增益电阻,改动RG大小即可设定电流源输出电流值。电流源输出电流方向由两输入端决议,当Vi1-Vi2>0时,输出电流流入负载;当Vi1-Vi2<0时,电流从负载流入仪表放大器。
2.2电流控制电路
  电流控制电路主要用于设定电流源输出电流值大小以及电流方向切换频率。为匹配不同类型的传感器,电路应具有电流值大小调整才能。该功用运用D/A转换芯片TLV5625完成,其特性如下:
1)双通道、低功耗、8位电压输出型数模转换器,轨对轨输出
2)可采用多种通讯接口,如SPI、TMS320。在D/A芯片后增加模仿开关以保证电流源可以按微处置器设置频率停止开关控制,电流控制电路如图4所示。
电磁流量计电流控制电路硬件图
  D/A转换芯片TLV5625采用SPI通讯方式,MCU_DIN为数据信号,MCU_SCLK为时钟信号,MCU_CS为片选信号。芯片输出电压:
 
  其中,电压基准Vref=2.048V,由基准芯片提供,code为微处置器控制的电压值大小,范围为0~255。此电路输出电压范围Vout:0~4.096V。
2.3阻抗丈量模块
  最后引见阻抗丈量模块电路。由电流源将电流输出至负载(传感器两电极)端,并对电极端电势信号停止采集。该电势信号采集由微处置器A/D转换模块完成,输入电压范围为0V~3.3V,因而需对电极端电势信号做电压转换以满足微处置器A/D模块的输入电压范围,电压转换电路如图5所示。
电磁流量计阻抗丈量模块电路图
  如图5所示,传感器电极端电势用Vin表示。在此信号被送至微处置器A/D模块之前,对电压值停止调整。思索传感器空管时,电极端电势两种饱和状态,Vin变化范围-6V~+6V。为了防止模块输出端电压值超越微处置器最大输入范围,令此电路满足公式:
 
1)当电流为流入电极方向,若管道饱和,Vin≈6V,VMCU_AD≈0V。
2)当电流为流出电极方向,若管道饱和,Vin≈-6V,VMCU_AD≈3V。按公式(15)停止电压匹配,能够确保无论电流方向正负,管道空管时信号饱和的状况下,输入微处置器的电势信号不超越其阈值。下面对电路阻值停止计算,电路总输出电势为:
 
  由负载端电压和负载电流值,能够得电极对地等效阻抗值RL,将RL与保管于微处置器中空管报警判别的阈值停止比拟,即完成对传感器管道状况判别。
3完毕语
  相比于现有办法,电磁流量计运用电流源方式的附加鼓励模块,受传感器负载类型影响小,有更广的适用范围和更高的牢靠性。


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