本发明涉及潜水电磁流量计变送器,属于液体流量计量仪表。 现有的潜水电磁流量计变送器,用的是普通的相敏整流电路,对相位相差90°的理想状态的串模干扰能得到较好的干扰抑制,但在实际电路中,没有严格的工艺保证要做到这一点是十分困难的。并且由于电源电压的波动严重地影响了测量精度,再加之在计量水量过程中,停电现象时有发生,无法正确的计量。
本发明的目的在于避免现有技术不足之处,而提供一种能有效抑制非90°串模干扰,并简化校零过程,克服由于电源波动引起测量误差,可以连续测量渠道或管道中导电液体体积,成本低,工作可靠的潜水电磁流量计变送器。
本发明的任务是以如下方式完成的:
潜水电磁流量计变送器,由数据放大器、主放大器、综合放大器、激磁电流放大电路、限幅比较器、相敏整流电路、除法运算电路、恒流输出电路、瞬时显示电路和稳压电源所组成,由传感器的输出信号,通过C3、C4接数据放大器(1),数据放大器A3的6端接主放大器(2)的输入电阻R13、R9,主放大器A4的输出端6接综合放大器(3)的输入耦合电容C5,综合放大器A5的输出端6接相敏整流电路地输入端,互感器B2的输出接激磁电流放大电路(5)的A6输入3,A6的输出端6接主放大器A4的调零电位器W3的一端,并与限幅比较器(6)A7的输入电容C6相接,A7的输出端通过R26接相敏整流电路,相敏整流电路的输出通过R30、R31接除法运算电路(8)的输入,除法运算电路(8)的输出级为BG3的输入1、2,BG3的输出4与恒流输出电路(9)的输入电容C10相连,恒流输出电路(9)的输出一路通过BG5的发射极接负载电阻Rfz,一路通过R60和BG4的发射极接瞬时显示电路(10)的输入级R62相接。稳压电源(11):输出电压分三组,第一组A、B分别去电路(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(12),第二组C、D去电路(9)、(10);第三组E、F去电路(10)的显示表头电源部分,同时对以下几部分作了改进:
1.增加了动态随机抑制90°移相干扰电路单元(4)。
由于电磁流量传感器在测量有用信号时,主要产生两种干扰分量,一种为共模干扰,一种为90°串模干扰,而其中的共模干扰采用对称的差分电路能有效地抑制,而对90°的移相干扰在理想状态相位相差90°时,则信号正负对称,经整流滤波后输出即为零信号,但在实际电路中,干扰信号为纯90°相移,且波形正负对称,无失真,若没有严格的工艺,要做到这一点是很困难的。本发明就是在干扰信号非90°移相,非线性失真(不是正负对称)的情况下,利用相移电路来消除干扰的,其原理是不管有无相移,不管信号畸变如何,只要是在相敏电路中,被切割成正负面积相等,即可做到输出直流分量为零,达到抑制干扰的目的。具体用图来说明。
V1,V2均为波形面积。
a)当干扰波形失真,波形不对称时,如图3。
对一般的相敏电路此时V2>V1或V2<V1干扰信号有输出。
如图4,在一般相敏电路加了相位滞后电路后,满足V2=V1,此时干扰信号就无输出。
b)当相位不足90°时,波形对称干扰时
图5,为一般相敏电路,V2>V1,有干扰信号输出。
图6,加了移相电路后的相敏电路输出,V2=V1,无干扰输出。
具体连结如下,在主放大器的运算放大器A6的输入回路中,加一级可调的超前或滞后的移相电路,可以用有源移相电路或无源移相电路来实现,如RC移相电路,LC移相电路,运算放大器有源移相电路。图7是RC相位滞后电路的接法,互感器B2的次级3端接R20的一端,可变电阻W8一端与R20的另一端相接,W8的另一端与C33和A6的3端相接,C33的另一端接互感器的4端。
图8是RC相位超前电路的接法,互感器B2的次级3端接C33的一端,可变电阻W8的一端接R20的一端,W8的另一端和C33的另一端、A6的3端相接,R20的另一端接互感器的4端。
具体参数的计算如下,干扰信号的频率为50HZ时,T=0.02秒,取电容C33=0.33μ,则R= (T)/(C) =60K,R=W8,此时转折频率的相频特性:相位差为45°。
根据10倍频和1/10倍频的工程计算方法,近似的有相位变化的范围为0~90°,当W8取6K时相位接近0°,W8取600K时相位接近90°,W8取值范围为6K~600K,在实际应用中电位器W8取50K左右,然后根据实际电路中干扰信号的移相情况,大致设定R20的数值,最后用W8做细调,达到克服相移干扰的目的,R20的取值范围在2K~500K之间。
2.采用运算放大器自身调零的校正方法,解决电源电压波动对测量精度的影响。
变送器在进行除法运算时,由测量信号和基准信号直接比较,即EX/EB=EC,其中EX为测量信号,EB为基准信号,EC为输出信号,又由于两组信号均由同一激磁电源产生,所以当电源电压发生变化影响激磁电流时,两组信号同时发生变化,即EX±10%/EB±10%=EC。电源波动为±10%时,其输出信号不变。但电路在实际应用中,输出信号在电源电压发生波动时,由于放大信号的运算放大器自身的失调参数被放大后加入除法运算后造成的。实际的除法运算为 (Ex±△Ex)/(EB±△EB) =ECS,△EX为信号回路主要是A5的失调参数(包括失调电压、电流等)被放大后附加的干扰信号,△EB为基准激磁回路主要是A6的失调参数(包括失调电压、电流等)被放大后附加的干扰信号,ECS为实际电路中除式得出电压值,△EX、△EB在电源电压波动时,均为常数,当电源电压发生变化时,由于△EX和△EB不变,则
(Ex±10%±△Ex)/(EB±10%±△EB) ≠Ecs
根据电路在应用中的这一实际情况,在此利用运算放大器自身调零的原理,通过抑制失调参数影响除法器精度。数学推导如下:
△EA5,△EA6为通过调零电位器给出的调偏信号。
使△EA5=△EX△EA6=△EB
利用运算放大器自身调零给出的调偏信号平衡掉两路失调参数对各自信号的影响。
电路连接方式如下:在综合放大器的A5增加一个调零电位器W4,W4的一端接A5的1,W4的另一端接A5的8,W4的中心抽头接A5的7,综合放大器A5必须选用低漂移、高精度的运算放大器,A5、A6的增益在8~12倍之间选择,并且放大倍数要尽量保持一致,W4的阻值范围以运算放大器要求的标准调零电位器为准,在采用0P07片子时,W4取15K~10K。
3.停电自动计时装置。
由于电磁流量计在计量水量的过程中,必须要有供电电源,但在实际使用中,停电不停水的现象极为普遍,使水无法计量,只能用人工随时记录停电时间,填表估算。为了解决这一问题,特增加了停电后自动计时装置,并且可以把停电时间累积计算,这样可以减少停电给计量带来的误差。
电路连接方式如下:
稳压电源(11)输出的A、B两点(24V输出)接继电器J的电源,继电器J的常闭触点串接在停电计时器TS的3端和电源E(6V)的1端,电源E的2端和停电计时器TS的4端直接相连,组成停电自动计时回路。
当动力电源中断时,常闭触点闭合停电计时器开始计时,计时器可以累积记录五位小时数即100万小时。
当动力电源工作时,常闭触点打开,停电计时器被切断,停止计时。
4.采用模拟电子开关器件取代常规的相敏整流电路。
具体方法是在模拟电子开关的控制极加参考电压,当有和参考电压同频同相的信号输入时,由于模拟开关受控制极电压的控制,开关打开,信号通过,经滤波后成为直流信号,完成相敏整流的功能。其中电子开关的门数可任选其中两组分别为基准信号的输入、输出端和测量信号的输入、输出端。
当相敏整流电路采用CD4016模拟电子开关集成化片子接法如下:
7脚与电阻R32、R33之间相接为-9V电压。
14脚接电阻R28的一端为+9V电压。
5脚和12脚相接于R26的输出,为参考电压。
9脚接A5的输出6,为测量信号的输入。
8脚接R30的一端,为测量信号的输出。
1脚接A6的输出6,为激磁基准信号的输入。
2脚接R31为激磁基准信号的输出。
1、2为一组 3、4为一组 8、9为一组 10、11为一组,测量信号的输入、输出和激磁基准信号的输入、输出可从其中任选两组。
图1,潜水电磁流量计变送器的方框图
1.数据放大器;2.主放大器;3.综合放大器;4.相移电路;5.激磁电流放大电路;6.限幅比较器;7.相敏整流电路;8.除法运算电路;9.恒流输出电路;10.瞬时显示电路;11.稳压电源;12.自动停电计时装置。
图2,电原理图。
图3,在一般相敏整流电路干扰波形失真的情况下输出波形。
图4,加了相位滞后电路后,干扰波形失真情况下输出波形。
图5,在一般相敏整流电路干扰相位不是90°时,波形对称情况下的输出波形。
图6,加了移相电路后的相敏电路输出波形。
图7,相位滞后电路连接图。
图8,相位超前电路连接图。
实施例1.图2为一种相敏电路前加一级相位超前移相电路,A5取0P07片子,相敏电路用CD4016片子代替。
通过本发明可以清楚地看到,在未增加移相抑制电路前,传感器产生的零位90°干扰信号一般靠调零电位器W3加以抑制,它造成了在校表过程中零位变化很大,和量程设定互相矛盾、牵扯,有时根本无法工作,采用此电路后,可以直接消除干扰,无需再用调零电位器W3进行补偿,在整个电路中无任何牵制,在实际电路中可以把零位偏移控制在0.5%范围内。在未加调零电位器W4进行校正的情况下,当电源电压发生波动时220V+10%~220V-15%影响精度在5%~10%之间,无法保证整机的精度,加上运算放大器自身调零的校正电路后,电源电压在发生上述变化时,对整机的精度影响不大于0.5%,又由于加了停电自动计时装置后,可以把停电时间累积计算,减少停电给计量带来的误差,相敏电路用模拟电子开关集成化片子代替常规的相敏电路,使电路简单,成本低,可靠性提高。
本发明可以和其它正弦波激磁方式的电磁流量传感器配套使用,可以连续测量渠道或管道中导电液体体积流量,同时具有积算、显示、记录等功能,该装置可广泛地应用在自来水、化工、石油、冶金、食品、医药、造纸、纺织、印染等工业部门和水利农业排灌及市政污水排放等领域。