新型低功耗电磁流量计设计

宫通胜，刘铁军，谢代梁，刘 洁

（中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州310018）

电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律工作的.电磁流量计因具有测量范围宽、无可动部件、无压力损失、始动流量小、性能稳定等优点，目前已被广泛地应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如用于测量酸、碱、盐溶液，以及水煤浆、矿浆、砂浆灰泥、纸浆、树脂、橡胶乳、合成纤维浆和感光乳胶等各种悬浮物、气化汽和粘性物质的流量，形成了独特的应用领域［1-6］.但是，国内的电磁流量计智能化水平低，测量精度低，其功耗大，与国际先进的电磁流量计在技术上有一定的差距.其中，电磁流量计的励磁电路是最为关键的部分，但也是功耗最大的部分，因此设计稳定可靠的励磁电路对于提高电磁流量计的测量精度、降低励磁功耗是至关重要的.

传统的电磁流量计供电电源、励磁电路、信号处理电路等各方面的设计使得流量计功耗比较大，无法满足低功耗和便携式的要求.本课题设计的电磁流量计采用高性能的集成电路和先进的设计思想，对微弱信号的放大、A／D转换以及励磁方式进行了研究，在硬件上，采用低电压、微功耗设计，降低了励磁电流，延长了电池的使用寿命；软件上采用间歇励磁的方式，动态调整采样间隔时间，进一步降低了系统的功耗，适合便携式的应用场合.

1 电磁流量计测量原理

电磁流量计测量原理是基于法拉第电磁感应定律.当被测导电流体通过包围在磁场中的非磁性管道时，在测量管壁与流动方向和磁场方向相互垂直的第三方向上就会产生与流速成比例的电动势［1-2］，用公式可表示为：

式（1）中，Ue为感应电动势，单位为伏特（V）；k为常数系数，无量纲；B为磁感应强度，单位为特斯拉（T）；D 为测量管内径，单位为米（m）为测量管内电极断面轴线方向的平均流速，单位为米／秒（m／s）.

由此可得通过测量管的体积流量qv为

由（2）可知，当测量管内径D和磁场强度B一定时，流量qv与比值Ue／B成正比，而与液体的状态和物性参数无关，测量比值Ue／B即可得到体积流量qv.

2 硬件电路设计

2.1 总体方案

低功耗电磁流量计系统主要组成部分如图1.本文设计的低功耗电磁流量计以美国德州仪器（TI）公司的MSP430单片机作为主处理器.单片机通过控制ZXMHC3A01N8产生励磁信号，并加载在传感器的励磁线圈上产生交替变化的稳恒磁场.传感器产生的模拟信号经放大处理后送到高精密A／D转换器AD7193，经A／D转换后的数字信号送到MSP430F5418A进行数据处理.计算得到的瞬时流量和累计流量通过点阵式LCD实时显示.通过键盘完成参数的设定，并掉电保存参数和计算后的数据.

图1 电磁流量计系统框图Figure 1 Block diagram of the electromagnetic flowmeter system

2.2 MSP430微处理器

新型低功耗电磁流量计采用TI公司的16位单片机MSP430F5418A作为控制核心.它具有处理能力强、运行速度快、超低电流消耗等优点；它支持硬件乘法器，在运算时由硬件实现，不占用CPU周期，大大提高了MSP430单片机的数据处理能力；它具有5种不同深度的低功耗休眠模式，各种工作模式之间可由指令进行快速切换.在空闲时，通过不同程度的休眠，将内部各个模块尽可能的关闭，以降低系统的功耗，延长电池的使用寿命.

2.3 励磁模块

电磁流量计采用三值低频矩形波励磁方式，产生励磁信号B0.如图2，以＋B0、0、-B0三值进行间歇性休眠方式励磁［7-8］.本文设计的新型低功耗电磁流量计采样周期为TP，TP可根据测量精度和功耗要求的不同在1～15s内进行调整，需要低功耗时，TP可设置为较大的值，测量精度相比于小的TP会略低，但都满足电磁流量计的精度要求.

图2 三值低频矩形波励磁Figure 2 Three values of low-frequency rectangular wave excitation

采样周期TP分为励磁和休眠两个阶段，休眠时单片机除低频时钟外其它模块都处于关闭状态，以减小静态电流，降低了系统功耗.励磁时设置励磁周期为320ms，频率为3.125Hz，为工频的1／16，可有效地消除流量信号的零位噪声，提高仪表零位的稳定性.

励磁模块决定传感器的磁场，是非常重要的部分，关系到磁场的稳定和变换精度.励磁模块本质上是由恒流源驱动的一个H桥电路.为了缩小体积、降低系统功耗、提高可靠性，本文利用集成桥式芯片ZXMHC3A01N8设计了电磁流量计励磁电路，相对于采用分立元件设计励磁电路，降低了成本，提高了系统可靠性.

本文选用TPS61040作为H桥的驱动电源，其应用电路如图3.在图中VIN接3.6V电源，输出电压VOUT接到ZXMHC3A01N8的驱动引脚，为其提供驱动电流.使能端EN接单片机的引脚，通过单片机控制TPS61040的通断，从而在非励磁时关闭TPS61040，降低器件的功耗.

图3 TPS61040应用电路图Figure 3 Application circuit diagram of TPS61040

ZXMHC3A01N8是一个H桥驱动芯片包含两对互补N型和P型MOSFET，通过加载在P1G-N2G或P2G-N1G的信号的高低电平来控制场效应管的通断，从而实现励磁线圈中电流方向的切换.在图4中，P1D／N1D-P2D／N2D接传感器的励磁线圈，P1S／P2S、N1S／N2S接电源.当P1GN2G导通时，励磁电流沿Ⅰ所示方向流过励磁线圈，实现正向励磁；当P2G-N1G导通时，励磁电流沿Ⅱ所示方向流过励磁线圈，实现反向励磁.

2.4 信号放大处理电路

图4 ZXMHC3A01N8原理图Figure 4 Schematic diagram of ZXMHC3A01N8

信号放大处理电路包括前置放大电路和A／D转换电路.电极采集到的感应电动势（微伏至毫伏级）是一个微弱的交变信号，且信号内阻高，噪声信号频率与50Hz工频相近，幅值远远大于待测信号，放大电路的设计难度很大，需要设计高质量的信号处理电路将干扰滤除，才能达到仪表的设计精度［7-10］.

本文设计的信号处理电路如图5：

图5 信号处理原理图Figure 5 Principle diagram of the signal processing

传感器输出的感应电动势首先经过RC组成的滤波电路滤除高频干扰信号，接下来的放大电路选用由两个先进的LinCMOSTM满电源幅度、微功耗单运算放大器TLV2211组成的双运放同相输入高共模抑制比差分放大电路，用来抑制同相干扰信号.在图5中U3构成的积分器对输出信号起直流偏移反馈补偿的作用.经过前置放大器处理后的信号被送入A／D转换器AD7193.AD7193是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端.它可直接输入小信号，简化了硬件电路设计，供电电压为3V至5.25V，功耗为4.65mA，满足低功耗的设计要求.

3 软件设计

系统软件采用C语言编写.相比于汇编语言，用C语言编写的程序代码可读性和可移植性高，开发周期短.C语言既具有一般语言的特点，又能直接对计算机的硬件进行操作，表达和运算能力也较强［11］.

系统软件编写时采用结构化、模块化的设计方法，由主程序、时基中断程序、菜单处理程序、励磁信号产生、A／D、通讯、显示、键盘服务子程序等部分组成［11-13］.如图6，主程序完成系统的初始化，通过对各子模块的响应，判断各模块运行是否正常.通过按键实现对仪表参数的设置，以满足不同工况条件下的测量要求.

图6 主程序流程图Figure 6 Block diagram of main program

本系统软件设计充分利用MSP430的低功耗性能，使CPU工作在突发状态，即：在需要时使用中断将CPU从休眠状态中唤醒，完成工作后又可以进入相应的休眠状态.文中采用定时器A作为定时器，定时时间设为5ms，在每次中断信号产生时对中断次数进行计数，根据不同的中断次数的计数值按预先设定好的时序执行程序，用以实现流量测量过程中各开关时序的控制功能.假设采样周期为3s，其中励磁时间为320ms，其余时间处在休眠状态.在这320ms中，单片机完成正反励磁、读A／D值、刷新LCD和计算流量的工作.在计算流量时采用插值算法估测休眠时的流量值，实验表明这既保证了测量精度又降低了系统的功耗，满足低功耗的设计要求.

定时中断子程序流程图如图7.

图7 定时器中断处理程序Figure 7 Block diagram of timer interrupt processing program

4 实验数据和结果

采用标准表比对的方法对所设计的新型低功耗电磁流量计进行了标定.此方法是用精度较高等级的标准流量计与被校验流量仪表串连，让流体同时流过二者，比较二者示值确定被检表的误差以达到校准的目的［2］.此处是在不同流速下将样机瞬时体积流量值和标准装置测得的瞬时体积流量值进行比对，以确定仪表的相对误差.

在流量标定装置上对样机进行了测试，标定系统精度为0.2%.在室温下，测量对象为普通工业用水，设定流速范围为0.3～10m／s，实验数据如表1.实验数据表明，样机精度优于±1%，满足电磁流量计的精度要求.

本文使用FLUKE F17B数字万用表分别测量了国内知名厂家A和B与国外某著名企业C生产的低功耗电磁流量计的待机状态的静态电流和测量状态的平均工作电流，测量数据如表2.由表中数据比较可得，样机总体功耗优于国产电磁流量计，但相比于进口电磁流量计仍有一定差距，主要原因有如下几点：第一，缺乏电磁流量计高端产品的核心技术；第二，国内产品制造装配技术水平低；第三，国内原材料等基础条件制约仪表行业的创新.

表1 标准表与样机瞬时流量比对表Table 1 Instantaneous flow comparison table of the standard meter and the prototype

表2 电磁流量计电流消耗比对表Table 2 Comparison table of the electromagnetic flowmeters current consumption

5 结 语

本文设计的低功耗电磁流量计在硬件和软件方面都进行了低功耗设计.硬件方面，选用低电压、高精度的芯片，保证了测量精度，降低了功耗；软件方面，采用间歇式休眠的励磁方式，进一步延长了电池使用寿命.试验表明，该仪表具有较好的测量精度、功耗低等优点，适合长时间野外应用，满足设计要求.

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