專利名稱：基于高低壓電源切換的電磁流量計勵磁控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及流量檢測領域，為一種采用高壓電源和低壓電源同時供電，由電源切
換電路切換勵磁工作電源，由恒流控制電路控制勵磁線圈電流，實現高效率、高頻率勵磁的 電磁流量計勵磁控制系統。
背景技術：
電磁流量計通過勵磁線圈將磁場施加給被測流體，被測流體在磁場中運動感應出 感應電動勢，檢測并處理該電動勢信號即可獲得流體流速，從而實現流量測量。當前，勵磁 方式主要是低頻方波勵磁，即由恒流源給勵磁線圈供電，不斷地切換勵磁線圈中電流的方 向，使得勵磁電流在正負恒定值之間周期地變化。在勵磁電流恒定期間，電磁流量傳感器輸 出信號能夠獲得穩定的零點。然而，為了實現對漿液流體的測量以及提高流量計的動態響 應性能，必須提高電磁流量計的勵磁頻率，這樣周期變短，勵磁電流就不容易進入穩態，從 而傳感器輸出信號就不易獲得穩定的零點。 中國發明專利公布了一種基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵磁控制系統(徐 科軍，楊雙龍，王剛等. 一種基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵磁控制系統，申請號 200910144878. 1，申請日2009. 09. 08)。這種勵磁控制系統由恒流源電路、電流旁路電路、 勵磁線圈驅動電路、勵磁時序產生電路和檢流電路組成，采用高電壓源供電，恒流源由線性 電源搭建向勵磁線圈驅動電路供電，電流旁路電路并接于線性電源輸入輸出端以解決能量 耗散問題，勵磁線圈驅動電路由H橋及其控制電路組成，檢流電路跨接在H橋低端與參考地 之間，數字信號處理器DSP控制多路開關及電平匹配器件產生時序，控制勵磁線圈驅動電 路的動作。其能有效提高勵磁頻率范圍和勵磁頻率精度，適用于漿液測量的單頻高頻方波 勵磁或雙頻方波勵磁，同時能提供準確的勵磁電流信號，以修正流量信號處理結果。但這 種電磁流量計勵磁控制系統還存在以下不足(l)由于采用高電壓源供電，在方波勵磁進 入半周期穩態后，落在線性電源上的壓降很大，從而使其熱量耗散很大，電源利用效率低； (2)采用電源旁路電路雖能有效解決散熱問題，但電路占板面積較大，且電源利用效率并未 改善；(3)線性電源工作時，其輸入輸出壓差存在限制，從而也限制了勵磁頻率的進一步提 高。
發明內容
本發明要解決已經申請專利中存在的一些關鍵技術問題，以提供一種在保證零點 穩定的條件下勵磁頻率范圍更寬、電源利用效率高、勵磁頻率精確、勵磁電流檢測準確且既 能進行單頻勵磁又能進行雙頻勵磁的電磁流量計勵磁控制系統。 本發明改進的關鍵技術在于勵磁控制系統的勵磁電源部分與恒流控制部分，以提 高電源利用效率、拓寬勵磁頻率范圍。本發明所采用的技術方案是由高壓電源和低壓電 源共同組成勵磁電源從而避免單一線性電源輸入輸出壓差的限制，由電源切換電路根據勵 磁電流響應情況來選通勵磁工作電源，勵磁電流未達到電源切換設定值時切換高壓源作為勵磁工作電源以加快電流響應速度進而拓寬勵磁頻率范圍，勵磁電流超過設定值時切換低 壓源作為勵磁工作電源以降低系統電路能耗、提高電源利用效率并保證穩態電流，高低壓 源均采用直流-直流變換(DC/DC)電壓源；恒流控制電路由勵磁工作電源供電，其由電流反 饋部分和電壓調節部分組成，電流反饋部分主要將檢流電路所檢測的勵磁電流反饋給電壓 調節部分，電壓調節部分由晶體管、比較器等構成置于勵磁線圈驅動電路H橋高端調節勵 磁電壓以穩定勵磁電流。勵磁線圈驅動電路、檢流電路及勵磁時序產生電路仍同已申請發 明專利《一種基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵磁控制系統》中的勵磁線圈驅動電路、 檢流電路及勵磁時序產生電路，勵磁線圈驅動電路中H橋高端橋臂采用流控器件PNP管作 為開關管，低端采用壓控器件M0S管作為開關管，勵磁過程中實行H橋對角開關器件聯動控 制，從而保證在勵磁的各個階段中檢流電阻檢測勵磁電流的準確性，H橋的開關控制電路由 達林頓陣列管與三極管及電阻實現；檢流電路由低阻值檢流電阻組成位于H橋低端以準確 檢測勵磁電流，同時保證H橋低端的穩定性；勵磁時序產生電路由數字信號處理器(DSP)配 合多路開關及電平匹配器件組成，從而提高勵磁頻率精度。 本發明系統包括高低壓電源1、電源切換電路2、恒流控制電路3、勵磁線圈驅動 電路4、檢流電路5及勵磁時序產生電路6，如圖1所示。 所述高低壓電源1由直流_直流變換(DC/DC)低壓電源Ul和直流-直流變換(DC/ DC)高壓電源U2組成，以為勵磁控制系統提供高效率的勵磁電源。 所述電源切換電路2由二極管Dl和D2、 PNP三極管Tl、 NM0S管Ql、運算放大器 U3、電阻Rl、 R2和R3及基準源Vref組成。其中，基準源Vref及分壓電阻R2、 R3決定勵磁 工作電源切換時的勵磁電流設定值。 所述恒流控制電路3由運算放大器U4、PNP三極管T2、NPN三極管T3、肖特基二極 管D3、電阻R4及基準源Vref組成。其中，基準源Vref決定恒流控制中勵磁電流的穩態設 定值。 所述勵磁線圈驅動電路4同已申請發明專利《一種基于線性電源的單/雙頻電磁 流量計勵磁控制系統》中勵磁線圈驅動電路2，由PNP三極管T4和T5、NM0S管Q2和Q3、NPN 三極管T6和T7、限幅穩壓管Z1、電容C1、達林頓陣列管U5、電阻R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 RIO、 R11、R12、R13、R14組成。 所述檢流電路5同已申請發明專利《一種基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵 磁控制系統》中檢流電路4，由精密電阻Jl組成，接于H橋低端與地之間以準確檢測勵磁電流。 所述勵磁時序產生電路6同已申請發明專利《一種基于線性電源的單/雙頻電磁 流量計勵磁控制系統》中的勵磁時序產生電路3，由數字信號處理器(DSP)配合多路開關及 電平匹配器件組成，以實現精確勵磁。 本發明的工作過程為高低壓電源1由電源切換電路2根據檢流電路5所檢測的 勵磁電流大小切換輸出作為勵磁工作電源，勵磁電流未達到由基準Vref及分壓電阻R2、R3 設定的值時切換高壓源U2輸出作為勵磁工作電源，勵磁電流超過由基準Vref及分壓電阻 R2、R3設定的值時切換低壓源U1作為勵磁工作電源；恒流控制電路3由電源切換電路2輸 出的勵磁工作電源供電，根據檢流電路5所反饋的勵磁電流大小來進行恒流控制使勵磁電 流穩態值穩定于由基準Vref設定的值，當勵磁電流小于穩態設定值時控制提升恒流控制電路3輸出電壓以使勵磁電流增大，當勵磁電流大于穩態設定值時控制降低恒流控制電路 3的輸出電壓以使勵磁電流減小，恒流控制電路3的輸出電壓向勵磁線圈驅動電路4供電； 勵磁線圈驅動電路4根據勵磁時序產生電路6發出的勵磁時序控制勵磁線圈進行方波勵 磁。基于高低壓電源切換的電磁流量計勵磁控制系統原理圖如圖2所示。
圖1是本發明的勵磁控制系統框圖， 圖2是本發明具體實施例勵磁控制系統原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明 本發明是基于已申請發明專利《一種基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵磁控 制系統》之上，改進其中的勵磁電源部分和恒流控制部分。其目的是提高電源利用效率，在 保證電磁流量計零點穩定的前提下進一步拓寬勵磁頻率范圍，以為漿液測量中勵磁頻率的 提高提供條件。本發明的設計思想是通過電流負反饋恒流控制將勵磁工作電壓源轉換為 電流源，以為勵磁線圈提供恒定的勵磁穩態電流，具體實施時，于H橋高端進行恒流控制， 反饋電流由H橋低端檢流電路提供，進而在保證勵磁電流準確檢測和H橋穩定工作的同時 實現恒流控制；勵磁系統由高低壓電源同時供電，通過高低壓電源切換來選擇不同勵磁階 段的勵磁工作電源，以使系統既能在高壓電源下進行快速恒流控制又能在電流達到設定值 時切換至低壓供電進而降低恒流控制電路能耗、提高電源利用效率，進而為高效率高頻率 勵磁提供條件。 本發明勵磁控制系統的總體框圖如圖l所示。高低壓電源1由電源切換電路2在 不同勵磁階段向恒流控制電路3提供不同的勵磁工作電源；恒流控制電路3向勵磁線圈驅 動電路4提供電源以進行穩態恒流勵磁；勵磁線圈驅動電路4接收勵磁時序產生電路6發 出的勵磁時序信號并通過CD1端與CD2端為勵磁線圈提供方波勵磁電流；檢流電路5檢測 勵磁電流信號，以用于電磁流量計信號處理結果修正，并同時反饋至電源切換電路2和恒 流控制電路3以分別用于電源切換控制和恒流控制；勵磁時序產生電路6用于發出勵磁時 序信號，控制勵磁頻率和勵磁方式(單頻或雙頻)。
圖2為本發明具體實施例電磁流量計勵磁控制系統原理圖。 高低壓電源1由DC/DC低壓源Ul和DC/DC高壓源U2組成，以為勵磁控制系統提 供高效率的高壓電源和低壓電源。 電源切換電路2由二極管D1和D2、PNP三極管T1、NM0S管Q1、運算放大器U3、電 阻R1、R2和R3及基準源Vref組成。其中，基準源Vref及分壓電阻R2、R3用于設定電源切 換時的勵磁電流設定值。當系統進行方波勵磁，勵磁電流穩定在恒流控制電路的設定值時， 其反饋信號VFB大于電源切換設定值，因而由運放U3組成的比較電路輸出低電平，NMOS管 Ql不導通，三極管Tl不導通，二極管Dl正向導通，進而選通低壓源Ul作為勵磁工作電源； 當勵磁方向突然切換時，由于勵磁線圈的續流作用，勵磁電流反饋信號VFB呈負值，小于電 源切換設定值，因而運放U3比較輸出高電平，NMOS管Ql導通，三極管Tl飽和導通，二極管 D1反向截止，進而選通高壓源U2作為勵磁工作電源；當勵磁線圈中勵磁電流方向改變并持
5續增大至超過電源切換設定值時，U3比較輸出低電平，進而重新選通低壓源U1作為勵磁工 作電源。 恒流控制電路3由運算放大器U4、 PNP三極管T2、 NPN三極管T3、肖特基二極管 D3、電阻R4及基準源Vref組成。其中，基準源Vref決定恒流控制中勵磁電流穩態設定值 的大小。方波勵磁當勵磁方向突然切換時，勵磁電流反饋信號VFB為負值，逐漸降低為0并 翻轉為正且持續增大，在其未達到Vref設定值時，運算放大器U4輸出高電平，三極管T3、T4 均飽和導通，此時勵磁工作電源電壓全部落在勵磁線圈驅動電路4上以使勵磁電流快速上 升；當勵磁電流上升至VFB接近Vref設定值時，U4輸出控制T2、 T3進入線性放大區，通過 調節T2集射極間電壓來調節勵磁線圈驅動電路4的供電電壓以使勵磁電流上升速度降低 并平滑過渡至平穩態；當勵磁電流上升至VFB超過Vref時，U4輸出低電平使T2、 T3截止， 進而降低勵磁電流；當勵磁電流下降至VFB小于Vref時，U4輸出控制T2、T3重新調節勵磁 線圈驅動電路4的供電電壓使勵磁電流上升。方波勵磁時，勵磁電流反饋信號VFB周期性 變化，恒流控制電路將周期性調節勵磁電流使其快速進入穩態設定值。肖特基二極管D3對 三極管T2起反向保護作用。 勵磁電流反饋信號VFB未達到電源切換設定值(由Vref與R2、R3決定)時，電源 切換電路2切換高壓電源U2作為勵磁工作電源，此時恒流控制電路3中的三極管T2飽和導 通，因而高壓電源U2能完全用于加速勵磁線圈的電流上升速度，且T2管耗較低；當勵磁電 流反饋信號VFB上升至電源切換設定值(略小于勵磁電流恒流控制穩態值)時，切換低壓 源Ul作為勵磁工作電源，T2逐漸由飽和區進入線性放大區，勵磁電流趨近于穩態設定值， 勵磁線圈壓降降低，此時低壓源U1維持恒流控制同時能使T2管壓降繼續處于較低狀態，進 而降低T2管耗、充分利用勵磁工作電源U1。 所述勵磁線圈驅動電路4同已申請發明專利《一種基于線性電源的單/雙頻電磁 流量計勵磁控制系統》中勵磁線圈驅動電路2，由PNP三極管T4和T5、NM0S管Q2和Q3、NPN 三極管T6和T7、限幅穩壓管Z1、電容C1、達林頓陣列管U5、電阻R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 RIO、 Rll、R12、R13、R14組成。其功能是接收勵磁時序產生電路6發出的勵磁時序信號通過CD1 端和CD2端對勵磁線圈進行方波勵磁。 所述檢流電路5同已申請發明專利《一種基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵 磁控制系統》中檢流電路4，由精密電阻Jl組成，接于H橋低端與地之間以準確檢測勵磁電流。 所述勵磁時序產生電路6同已申請發明專利《一種基于線性電源的單/雙頻電磁 流量計勵磁控制系統》中的勵磁時序產生電路3，由數字信號處理器(DSP)配合多路開關及 電平匹配器件組成，以實現單頻或雙頻勵磁，勵磁頻率精確。
權利要求
基于高低壓電源切換的電磁流量計勵磁控制系統，用于向電磁流量計勵磁線圈提供方波勵磁電流，從而給被測流體提供周期性變化的磁場，包括高低壓電源、電源切換電路、恒流控制電路、勵磁線圈驅動電路、檢流電路、勵磁時序產生電路，其特征在于所述的高低壓電源包括高壓電源和低壓電源；所述的高低壓電源切換的電磁流量計勵磁控制系統由高壓電源和低壓電源通過電源切換電路根據勵磁電流響應情況切換、分時向恒流控制電路提供，以加快方波勵磁電流響應速度和提高電源利用效率；恒流控制電路向勵磁線圈驅動電路供電以使勵磁電流穩態值恒定；勵磁線圈驅動電路由H橋及其控制電路組成以實現方波勵磁；檢流電路跨接在H橋低端與參考地之間；勵磁時序產生電路主要由用于電磁流量計信號處理的處理核心MCU等組成。
2 如權利要求1所述的基于高低壓電源切換的電磁流量計勵磁控制系統，其特征在 于高低壓電源由直流-直流變換(DC/DC)低壓電源Ul和直流-直流變換(DC/DC)高壓電 源U2組成，以為勵磁控制系統提供高效率的勵磁電源。
3. 如權利要求1所述的基于高低壓電源切換的電磁流量計勵磁控制系統，其特征在 于電源切換電路由二極管Dl和D2、PNP三極管T1、NM0S管Ql、運算放大器U3、電阻R1、R2 和R3及基準源Vref組成。其中，基準源Vref及分壓電阻R2、R3決定勵磁工作電源切換時 的勵磁電流設定值；勵磁電流反饋信號VFB由檢流電路提供與該設定值比較以控制勵磁方 向切換勵磁電流未達到該設定值時，切換到高壓電源作為勵磁工作電源，勵磁電流達到該 設定值后切換到低壓電源作為勵磁工作電源。
4. 如權利要求1所述的基于高低壓電源切換的電磁流量計勵磁控制系統，其特征在 于恒流控制電路包含電流反饋部分與電壓調節部分，由運算放大器U4、PNP三極管T2、NPN 三極管T3、肖特基二極管D3、電阻R4及基準源Vref組成；其中，基準源Vref決定恒流控制 中勵磁電流的穩態設定值，電流反饋信號VFB由檢流電路提供與該設定值比較以進行恒流 控制。
全文摘要
本發明為一種基于高低壓電源切換的電磁流量計勵磁控制系統，包括高低壓電源、電源切換電路、恒流控制電路、勵磁線圈驅動電路、檢流電路和勵磁時序產生電路。勵磁工作電源由高壓電源和低壓電源通過電源切換電路根據勵磁電流響應情況切換分時提供以加快方波勵磁電流響應速度和提高電源利用效率；恒流控制電路向勵磁線圈驅動電路供電以使勵磁電流穩態值恒定；勵磁線圈驅動電路由H橋及其控制電路組成以實現方波勵磁；檢流電路跨接在H橋低端與參考地之間；勵磁時序產生電路主要由用于電磁流量計信號處理的處理核心MCU等組成。該勵磁控制系統能在保證電磁流量計零點穩定的情況下顯著提高勵磁頻率范圍、降低電路能耗、提高電源利用效率，以適用于漿液流體的精確測量。
文檔編號G01F1/58GK101726334SQ20091025146
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月23日 優先權日2009年12月23日
發明者徐科軍, 李積春, 楊雙龍, 王剛, 石磊 申請人:合肥工業大學;重慶川儀自動化股份有限公司