高抗干擾性能的電磁流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計
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3.1 電磁流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1.1 主控芯片選型設(shè)計
該系統(tǒng)對主控芯片要求較高，因此本文選擇 PHILIPS 公司生產(chǎn)的 ARM7 作為微處理器。其型號為 LPC2136，對于該芯片而言，首先可以對 32 位數(shù)據(jù)進行運算和處理，除此之外，它還具有仿真實時性以及跟蹤目標的特點。其次，該主控芯片內(nèi)部采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，因而該芯片一方面可以高效工作，另一方面所消耗的資源較少。對于芯片的存儲結(jié)構(gòu)而言，其既具有高速 Flash 存儲器[46]，容量可達256KB， 32KB 片內(nèi)靜態(tài) RAM 等存儲結(jié)構(gòu)，以滿足工程需求。CPU 可直接將數(shù)據(jù)通過 SPI 總線與其他芯片進行通信，無需其他輔助芯片。因此選用 LPC2136 在降低成本的同時可以減小芯片功耗。
3.1.2 勵磁線圈設(shè)計
該部分的功能在于能夠產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的穩(wěn)定的磁場。勵磁線圈的組成十分簡單，包括線圈以及磁扼。線圈的分類也有諸多參考標準，目前主要有兩種形式，分別是分段繞制與集中繞制。下面對這兩種方式進行詳細敘述。
1.線圈集中繞制方式
該方式主要通過"E”型骨架結(jié)構(gòu)進行建立，對于這種結(jié)構(gòu)而言，其主要采用集中繞制線圈的方式。通過該結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生能夠產(chǎn)生均勻磁場的磁極。為了保證整體磁場的均勻分布，可以采用中間段參數(shù)略大于測量管直徑的方法。磁路的長度通常是指兩個線圈結(jié)構(gòu)之間的間隙，若要保證磁路長度的有效性，需要保證磁路長度大于線圈機構(gòu)之間的間距，即工作磁阻需要大于漏磁磁阻，這樣一來可保證磁場的損失率降低。當(dāng)測量管的直徑增加時，磁場的利用率會有一定程度的減小。因此，在選用“E”型結(jié)構(gòu)的同時選用中小型測量管徑的電磁流量計。在整個過程中，由于磁滯與渦流效應(yīng)的存在，因此在選用構(gòu)建材料時通常采用的是矽鋼薄片，該薄片具有高磁導(dǎo)率的特點。
“E”型骨架在工程應(yīng)用中較為突出的問題是漏磁率大，因此本文用如圖 3.1
（b）所示的結(jié)構(gòu)進行構(gòu)建，該構(gòu)建在中大型測量口徑的流量計中普遍采用。
2.線圈分段繞制方式
在實際的應(yīng)用場景中，該繞制線圈的構(gòu)建通常分為 5 個部分。鑒于該種情況，通常利用段式繞制線圈來進行構(gòu)建，一方面可以保證磁場的均勻分布，另一方面可以保證磁場提供的穩(wěn)定性。但是該種方式也會帶來成本高以及制造流程復(fù)雜等問題。
3.線圈的軸向要求
在第二章中詳細闡述了渦流噪聲產(chǎn)生的諸多原因，其中勵磁線圈的軸向長度限制會在一定程度上導(dǎo)致電磁場分布不均勻，存在邊緣效應(yīng)等問題。針對該種情況，J.A.Shereliff 提出一種數(shù)學(xué)模型[4]，具體公式如下所示：
在上式中，L 代表軸向長度，d 則表示管內(nèi)半徑，S 代表靈敏度，該參數(shù)具體是指當(dāng)軸向長度為 L 時產(chǎn)生的磁場強度與 L 趨向于無限大時產(chǎn)生的磁場強度的商。下圖表示的是當(dāng) L/d 是不同的值時，所產(chǎn)生的參數(shù)變化曲線。圖中，虛線表示的是磁場出現(xiàn)間斷消失的情況，實線則代表磁場趨向于變小的趨勢。
從下圖中可以得到如下結(jié)論：當(dāng)比值為 2.8 或 3 的情況下，磁場靈敏度可以達到 1。該種情況下靈敏度最佳，磁場分布較為均勻。
3.1.3 時鐘模塊設(shè)計
晶振的選擇對于一個系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，選擇正確的晶振一方面可以提高系統(tǒng)的可靠性，另一方面可以降低系統(tǒng)的功耗。本文選擇的 LPC2136 微處理芯片既可以借助外圍電路實現(xiàn)該模塊的設(shè)計，也可以利用芯片內(nèi)部的 PLL 電路實現(xiàn)相應(yīng)功能。因此，該模塊實現(xiàn)方式多樣且可以根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇相應(yīng)的實現(xiàn)方式。本文選擇第一種實現(xiàn)方式，利用 11.0592MHz 晶振對時鐘模塊進行構(gòu)建，電路如下圖所示。
3.1.4 檢測電極設(shè)計
與接觸式電磁流量計的相比，電容式流量計的最大差別在于產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的方式以及檢出方式不同。鑒于該種情況，檢測電極的設(shè)計方式對于系統(tǒng)而言十分重要。
對于信號的檢測可以利用 Abouelwafa 與 Kendall 所提出的理論[16]，我們可以采用凹型電極耦合方式以提高系統(tǒng)的靈敏度。因此本文選擇該方式制作電極，即基本模型如下圖所示:
為了提高信號檢測的靈敏度，同時降低電極之間的阻抗，本文采用如下圖所示的電路圖來建立阻抗模型：
如圖 3.5 所示，電極之間的阻抗可表示為:
式中：
在上式中，0ε 代表處于真空中時的介電常數(shù)；rt rwε 、ε 襯底為絕緣體時介電常數(shù)以及流體的對應(yīng)參數(shù)；l 代表軸向長度；td 代表被測電極與流體之間的寬度；sd表示電極的厚度；D 為內(nèi)徑。
由上式可知，當(dāng)頻率一定的情況下，增大對應(yīng)的周長寬度可以在一定程度上減小阻抗。但隨著極板面積的增大，對應(yīng)的張角α 相應(yīng)增加，l 相應(yīng)增長。在第二章中，我們分析可知，隨著檢測極板面積的增大，渦流效應(yīng)也會越來越明顯。
3.1.5 電磁流量計的A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計
電磁流量計A/D 轉(zhuǎn)換電路的功能主要在于能夠?qū)鞲衅鞑杉侥M量轉(zhuǎn)化為電路可識別的數(shù)字量，從而方便后續(xù)電路對信號的處理以及計算。通常在由單片機構(gòu)建的系統(tǒng)中，該轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計十分有必要，一方面系統(tǒng)需要利用傳感器對外界模擬量進行采集，另一方面后續(xù)電路需要將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而對數(shù)據(jù)進行分析，進一步進行數(shù)據(jù)的顯示。A/D 轉(zhuǎn)換器電路如圖 3.5 所示。
本文選擇 LM331 芯片作為搭建 A/D 轉(zhuǎn)換單元的中心部件。該芯片一方面可以利用溫度補償來減小模擬量的損失，另一方面，低于 4.0V 電源保證了整個轉(zhuǎn)換過程具有很高精度。除此之外，該芯片在保證造價低廉的前提下保證了低工作頻率以及高線性度等特點，因此在同類芯片中具有一定的優(yōu)勢。
由下圖可知，芯片 LM331 第 2 引腳出有兩個電阻，分別為 R28,R29，這兩個電阻的功能主要在于調(diào)節(jié)由 C17,R27 引起的誤差，進而保證輸出頻率的準確性。LM308作為積分器來使用，其輸出引腳 6 連接在 LM331 的引腳 7 上，其目的在于保證系統(tǒng)周期的穩(wěn)定性。對于整體電路而言，芯片 LM331 的調(diào)節(jié)作用并不會影響電路的精度以及穩(wěn)定性，且 LM331 所產(chǎn)生的偏置電流以及電壓都不會對電路中的物理量產(chǎn)生影響。因此該電路比較適用于小信號電路。具體特征如下所述：
（1）整體電路精確度高，誤差較小(優(yōu)于±0.02%)；
（2）電路線性度高(優(yōu)于 0.03%)；
（3）電路不易受到溫度的影響(最大±50ppm/℃)；
（4）電路安全性較高，并且具有一定的保護措施。
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