基于相關放大技術的射流流量計微弱信號提取系統及方法

專利名稱：基于相關放大技術的射流流量計微弱信號提取系統及方法
技術領域：
本發明涉及射流流量計的信號檢測領域，尤其涉及一種基于相關放大技術 的射流流量計微弱信號提取系統及方法
背景技術：
當前隨著能源和水資源的全球性匱乏，國家南水北調工程等重點工程的啟 動，全社會對水計量的要求越來越高。機械水表以其結構簡單價格低等優點在 國內外得到了廣泛的應用，而機械水表存在傳動阻力、機械活動部件造成其精 度較低故障率較高。而射流流量計幾乎沒有壓損，無機械可動部件，可靠性高， 同時射流流量計測量下限低，但在低流速時信號很容易受到外界干擾。
現有的射流流量計一般采用差分放大技術來提取信號，采用這種方法的優
點是微弱信號放大能力強；缺點是在空氣中時容易將工頻信號放大出來，容易 造成流量誤計量。而采用相關放大技術的射流流量計有比差分放大技術更好的 信號放大性能，下限性能更加良好，放在空氣中時也能抑制工頻噪聲干擾防止 誤計量。

發明內容
本發明針對現有的流量檢測技術的不足，提供一種基于相關放大技術的射 流流量計微弱信號提取系統及方法，使射流流量計具有下限低、計量準確、量 程寬等特點。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的
一種基于相關放大技術的射流流量計微弱信號提取系統，它包括射流基表、 流量檢測電路和U型勵磁結構。所述射流基表包括第一電極、第二電極、第三 電極、阻流件、反饋通道和測量管；第一電極、第二電極、第三電極和阻流件 均安裝在測量管內，第一電極和第三電極在阻流件一側，第二電極在阻流件另 一側。流量檢測電路包括單片機、相關放大電路、AD轉換電路、勵磁驅動電路 和LCD顯示器，單片機分別與相關放大電路、AD轉換電路、勵磁驅動電路和 LCD顯示器相連，勵磁驅動電路與U型勵磁結構相連，射流基表的第一電極、 第二電極、第三電極與相關放大電路相連，相關放大電路與AD轉換電路相連。
一種應用上述射流流量計微弱信號提取系統的射流流量計微弱信號提取方 法，其特征在于，包括以下步驟
(1)單片機控制勵磁驅動電路，產生所需勵磁磁場。(2) 電極釆集信號，將信號輸入相關放大電路。
(3) 相關放大電路將電極信號放大后輸入AD轉換電路。
(4) AD轉換電路對放大的電極信號進行模數轉換，送入單片機，單片機根 據模數轉換得到的數值得到流量信號，同時進行LCD顯示。
本發明的有益效果是
1. 本發明將相關放大技術應用在射流流量計流量檢測上，具有測量下限低、計 量準確、量程寬等特點；
2. 采用電磁檢測方法具有防止管道振動、流體振動、電磁輻射等特點；
3. 采用相關放大技術能有效的抑制工頻噪聲干擾，在水低流速時可以較大增益 放大，有良好的水流量測量下限性能。


圖1是射流基表和U型勵磁結構的示意圖2是本發明的電路結構示意圖3是本發明的單片機接口電路圖4是本發明的相關放大電路結構示意圖5是本發明的勵磁驅動電路圖6是本發明的AD轉換電路圖中，1、第一電極，2、第二電極，3、第三電極，4、阻流件，5、反饋通 道，6、測量管，7、 U型勵磁結構。
具體實施例方式
下面根據附圖詳細描述本發明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。 本發明基于相關放大技術的射流流量計微弱信號提取系統包括射流基表、 流量檢測電路和U型勵磁結構。
如圖1所示，圖中給出了射流基表結構和u型勵磁結構示意圖。射流基表
包括第一電極l、第二電極2、第三電極3、阻流件4、反饋通道5和測量管6。 第一電極l、第二電極2、第三電極3和阻流件4均安裝在測量管6內，第一電 極1、第二電極2和第三電極3均與測量管6的管壁絕緣，第一電極1和第三電 極3安裝在阻流件4一側，第二電極2安裝在阻流件4另一側。U型勵磁結構7 通過在磁芯外繞線圈構成，安裝在射流基表側旁通孔中，在三個電極附近產生 交流磁場。
如圖2所示，圖中給出了勵磁部件和流量檢測電路的整體結構示意圖。流 量檢測電路包括單片機、相關放大電路、AD轉換電路、勵磁驅動電路和LCD顯示器，單片機分別與相關放大電路、AD轉換電路、勵磁驅動電路和LCD顯
示器相連，勵磁驅動電路與u型勵磁結構相連用以產生交變的磁場。射流基表
的第一電極l、第二電極2、第三電極3與相關放大電路相連，相關放大電路與 AD轉換電路相連。
如圖3所示，本發明的單片機可以采用美國TI公司的MSP430F4XX系列單 片機，但不限于此。下面以MSP430F436為例，說明微功耗電路的實現。在CMOS 器件中，功耗尸與系統時鐘頻率/成正比，Poc)/2/，其中K是電源電壓。 一般 單片機的工作電壓是不變的，所以要盡可能地降低系統時鐘頻率/。因此， MSP430F436只接低頻晶振LFXT1 = 32. 768KHz，不接高頻晶振XT2。 MSP430F436 需要高速運行時，通過MSP430F436的FLL+提供高頻系統時鐘。MSP430F436的 BP0、 BP1、 BP2、 BP3、 S0、 Sl、 S2、…、S25與段碼式液晶LCD顯示器相連功耗 只需要幾個uA， MSP430F436的0PEN、 CLOSE與勵磁驅動電路相連，REF2、 REF1 引腳與相關放大電路相連，DIN、 D0UT、 DRDY、 SCLK、 CS、 RESET引腳與AD轉換 電路相連。
如圖4所示，圖中給出了相關放大電路的結構示意框圖。本發明中使用的 相關放大電路包括差分放大電路、帶通濾波電路、同相放大電路、第一乘法器 電路、第二乘法器電路、第一低通濾波器電路、第二低通濾波器電路，差分放 大電路、帶通濾波電路、同相放大電路依次相連，同相放大電路分別與第一乘 法器電路和第二乘法器電路相連，第一低通濾波器電路與第一乘法器電路相連， 第二低通濾波器電路與第二乘法器電路相連。
差分放大電路可選擇ICL7650芯片進行搭建，帶通濾波電路可選擇MAX268 芯片進行搭建，同相放大電路可選擇ICL7650芯片進行搭建，乘法器電路可選 擇AD630芯片進行搭建，低通濾波電路可選擇MAX291芯片進行搭建，但不限于 此。單片機給第一乘法器電路、第二乘法器電路分別提供兩路參考信號REF1、 REF2，該兩路參考信號都采用與勵磁信號同頻率的方波信號，兩路信號REF1、 REF2在相位上相差90° 。低通濾波器的輸出信號認l， AN2與AD轉換電路相連。
電極得到的信號是水流過射流水表時，在水表電極附近產生周期性變化 (頻率為f)的水流，同時由于通過勵磁電路產生周期性變化(頻率為F)的磁 場。由導電流體在磁場中運動性質￡ = ^^，勵磁磁場頻率F相對電極周圍水流 變化頻率f為高頻，電極得到的有效信號即相當于將將頻率為f的信號經過調 制，而該有效信號是微弱的，被淹沒在大的噪聲中。
相關放大電路的原理是差分放大電路可將電極得到的信號進行差分放大， 同時消去第一電極、第三電極共同的噪聲信號。帶通濾波電路可對噪聲信號進行進一步濾除增強信噪比。再進行同相放大電路可對信號進行進一步放大，進 一步進行乘法器和低通濾波器能得到有效信號并能對噪聲信號進行最大限度的 濾除。采取兩路乘法器和低通濾波器的好處是能保證至少其中一路信號的完整 性，防止參考信號和有效信號相位差90。帶來有可能檢測不到信號的情況。
如圖5所示，勵磁驅動電路包括2個PNP三極管Q4、 Q5， 4個NPN三極 管Q6、 Q7、 Q8、 Q9， 6個電阻R35、 R36、 R37、 R38、 R39、 R40，兩個電容 C12、 C13。勵磁驅動電路的連接關系為電阻R38和電阻R39的一端連接到單 片機的兩個管腳OPEN、 CLOSE, R39的另一端與電容C12、三極管Q7的基極 相連，R38的另一端與電容C13、三極管Q4的基極相連，電容C12和電容C13 的另一端接地。三極管Q7的集電極與三極管Q5的基極、電阻R35相連，三極 管Q6的集電極與三極管Q4的基極、電阻R36相連，電阻R35和電阻R36的 另一端、Q4和Q5的發射集與供電電源VCC相連，三極管Q4的集電極與三極 管Q9的集電極相連，三極管Q5的集電極與三極管Q8的集電極相連，三極管 Q5的集電極與MOTER+引腳相連，三極管Q4的集電極與MOTER-引腳相連， MOTER+、 MOTER-引腳與勵磁線圈相連用來控制磁場。三極管Q8的基極與三 極管Q6的發射極、電阻R41相連，三極管Q9的基極與三極管Q7的發射極、 電阻R40相連，三極管Q9的發射極和三極管Q8的發射極、電阻R40和電阻 R41的另一端接地。
如圖6所示，AD轉換電路包括一個AD轉換芯片U10， 一個參考電平芯片 Ull， 7個電容C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7， 一個晶振OSC， AD轉換芯片 可選擇MAXIM公司的MAX7705芯片，參考電平芯片可選擇MAXIM公司的 MAX6002芯片。AD轉換電路的連接關系為AD轉換芯片U10的引腳DIN、 DOUT、 DRDY、 RESET、 CS和SCLK與單片機相連，AN1和AN2與相關放大 電路相連。Cl、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7為濾波電容，電源VCC給AD轉 換芯片U10和參考電壓芯片Ull供電，Ull的參考電平輸出端OUT與AD轉換 芯片REF端相連，在AD轉換芯片CLKI和CLKO端接晶振OSC， OSC兩端分 別接電容Cl和電容C4的一端，電容Cl和電容C4的另一端接地。
本發明的基于相關放大技術的射流流量計微弱信號提取方法，包括如下步
驟
1.單片機控制勵磁驅動電路，產生所需勵磁磁場
如圖5所示，單片機通過OPEN、 CLOSE引腳與勵磁驅動電路相連，勵磁 驅動電路的輸出引腳MOTOR+、MOTOR-引腳與如圖1所示U型勵磁結構相連。 通過控制單片機的OPEN、 CLOSE引腳產生方波信號，可以得到與方波信號同2. 電極采集信號，將信號輸入相關放大電路
通過在射流基表上安裝三個電極，其中第一電極、第三電極為信號采集端， 第二電極為參考地端。如圖4所示，第一電極、第三電極通過導線連接到相關 放大電路前級差分放大電路的差分放大輸入端，第二電極連接到相關放大電路 的地端。
3. 相關放大電路放大電極信號
相關放大電路先將電極信號經過差分放大，將差分放大得到的信號進行帶 通濾波，帶通濾波能提高信噪比。然后將帶通濾波得到的信號進行同相放大，
同相放大的信號送入乘法器1、乘法器2，其中乘法器1將單片機參考信號REF1 與同相放大得到的信號相乘，乘法器2將單片機參考信號REF2與同相放大得到 的信號相乘，兩路乘法器輸出的信號分別與兩路低通濾波器相連，經過乘法器 和低通濾波器的電路相當于進行二次濾波可進一步提高信噪比。最后相關放大 電路得到兩路放大信號AN1、 AN2。
4. AD轉換電路對放大的電極信號進行模數轉換，送入單片機，單片機根據 模數轉換得到的數值得到流量信號，同時進行LCD顯示。
如圖6所示，相關放大電路的兩路放大信號AN1、 AN2分別與AD轉換電 路的AN1、 AN2端口相連，進行模數轉換，將模擬電壓信號轉換成數字信號。 轉換得到的數字信號送入單片機，單片機根據AD轉換得到的數值，判斷AN1 和AN2信號的頻率，從而可以得到計算得到流量信號，同時可以進行LCD顯 示。
這樣，基于相關放大技術的射流式流量計系統的工作流量如下水流過測 量管時，產生振蕩。電極周圍產生周期性變化的水流信號，根據射流式水表的 原理水流的平均流速正比于水的振蕩頻率f，即K-《/，其中《為儀表系數。同 時通過單片機產生頻率為F的勵磁信號驅動線圈使之產生交變磁場B作用于射
流式水表， 一般勵磁的磁場頻率F遠大于水的振蕩頻率f。由于水具有弱導電性， 從而切割磁力線電極上的產生感應電動勢，電動勢計算公式為五=^^，由于B 是頻率為F的周期性變化的信號，而V是頻率為f的周期性變化的信號，L為 常數和儀表特性有關。得到的感應電動勢E相當于將頻率為f的基帶信號進行 調制，經過相關放大電路的解調放大作用，能有效抑制噪聲放大有效信號，測 出的水的振蕩頻率f，從而可計算得到水的平均流速V。根據單片機可相應的計 算累積流量，同時水表上有LCD顯示器可以進行累計流量、瞬時流量的顯示。采用相關放大技術來計量流量的好處是根據有效信號跟參考信號相關， 而噪聲信號跟參考信號不相關這一特性，能很大限度的抑制噪聲信號提高信噪
比，從而使儀表有良好的下限流量測量性能。如當進入50HZ的工頻噪聲信號時， 我們選擇勵磁頻率為420HZ,水在射流流量計腔體中振蕩的頻率為0.1~60HZ，可 以知道電極得到的有效流量信號的頻譜在360HZ 480HZ，可選擇差分放大后級 的帶通濾波器帶通為350HZ 500HZ,有效流量信號能順利通過帶通濾波器，而 工頻噪聲信號則被帶通濾波濾除。帶通濾波后可以對信號進一步放大，再通過 乘法器和低通濾波器的解調作用得到有效的流量信號。采用相關放大方法能夠 有效的抵抗工頻干擾和高頻的流動噪聲干擾，以比較大的增益放大電極上的有 效流量信號，較低的流量信號檢測得以實現。
權利要求
1、一種基于相關放大技術的射流流量計微弱信號提取系統，其特征在于，它包括射流基表、流量檢測電路和U型勵磁結構。所述射流基表包括第一電極(1)、第二電極(2)、第三電極(3)、阻流件(4)、反饋通道(5)和測量管(6)。第一電極(1)、第二電極(2)、第三電極(3)和阻流件(4)均安裝在測量管(6)內，第一電極(1)和第三電極(3)在阻流件(4)一側，第二電極(2)在阻流件(4)另一側。流量檢測電路包括單片機、相關放大電路、AD轉換電路、勵磁驅動電路和LCD顯示器，單片機分別與相關放大電路、AD轉換電路、勵磁驅動電路和LCD顯示器相連，勵磁驅動電路與U型勵磁結構相連，射流基表的第一電極(1)、第二電極(2)、第三電極(3)與相關放大電路相連，相關放大電路與AD轉換電路相連。
2、 根據權利要求1所述基于相關放大技術的射流流量計微弱信號提取系統， 其特征在于，所述相關放大電路包括差分放大電路、帶通濾波電路、同相 放大電路、第一乘法器電路、第二乘法器電路、第一低通濾波器電路和第 二低通濾波器電路。差分放大電路、帶通濾波電路、同相放大電路依次相 連，同相放大電路分別與第一乘法器電路和第二乘法器電路相連，第一低 通濾波器電路與第一乘法器電路相連，第二低通濾波器電路與第二乘法器 電路相連。射流基表的第一電極(1)、第二電極(2)、第三電極(3)與 差分放大電路相連。
3、 根據權利要求1所述基于相關放大技術的射流流量計微弱信號提取系統， 其特征在于，所述勵磁驅動電路包括兩個PNP三極管Q4、 Q5，四個NPN 三極管Q6、 Q7、 Q8、 Q9,六個電阻R35、 R36、 R37、 R38、 R39、 R40 和兩個電容C12、 C13。其中，電阻R38和電阻R39的一端連接單片機， R39的另一端與電容C12、三極管Q7的基極相連，R38的另一端與電容 C13、三極管Q4的基極相連，電容C12和電容C13的另一端接地。三極 管Q7的集電極與三極管Q5的基極、電阻R35相連，三極管Q6的集電極 與三極管Q4的基極、電阻R36相連，電阻R35和電阻R36的另一端、 Q4和Q5的發射集與供電電源VCC相連，三極管Q4的集電極與三極管 Q9的集電極相連，三極管Q5的集電極與三極管Q8的集電極相連，三極 管Q5的集電極與MOTER+引腳相連，三極管Q4的集電極與MOTER-引 腳相連，M0TER+、 MOTER-引腳與勵磁線圈相連用來控制磁場。三極管 Q8的基極與三極管Q6的發射極、電阻R41相連，三極管Q9的基極與三極管Q7的發射極、電阻R40相連，三極管Q9的發射極和三極管Q8的發 射極、電阻R40和電阻R41的另一端接地。
4、 一種應用權利要求1所述射流流量計微弱信號提取系統的射流流量計微弱 信號提取方法，其特征在于，包括以下步驟(1) 單片機控制勵磁驅動電路，產生所需勵磁磁場。(2) 電極采集信號，將信號輸入相關放大電路。(3) 相關放大電路將電極信號放大后輸入AD轉換電路。(4) AD轉換電路對放大的電極信號進行模數轉換，送入單片機，單片機根 據模數轉換得到的數值得到流量信號，同時進行LCD顯示。
全文摘要
本發明公開了一種基于相關放大技術的射流流量計微弱信號提取系統及方法，它采用相關放大技術作為射流流量計的信號處理方式，通過在測量管中安裝一個阻流件，阻流件的前側和后側分別安裝第一電極、第三電極和第二電極，在測量管上面安裝一個U型勵磁結構，將其與勵磁驅動電路連接可進行勵磁控制，第二電極通過導線連接到相關放大電路的地端，第一電極、第三電極連接到相關放大電路的差分放大輸入端，相關放大電路的輸出端分別與AD轉換電路、單片機電路相連，AD轉換電路接到單片機電路。單片機電路還提供LCD顯示等功能。這種方法使射流流量計有下限低、量程寬、精度高等特點。
文檔編號G01F1/56GK101619992SQ20091010093
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月10日 優先權日2009年8月10日
發明者戴華平, 朱凌平, 陸秋平 申請人:浙江大學