CN104048711B - 电磁场多级强度切换电路及其切换计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁流量计技术领域，具体地说一种电磁场多级强度切换电路，设有电磁线圈，其特征在于所述电磁线圈的电源控制端设有电磁场强度切换单元，其包括DCDC压控恒流源电路、DCDC开关电源电路和采样电阻切换电路，通过改变DCDC压控恒流源的采样电阻大小来切换DCDC压控恒流源电路输出电流，从而实现磁场强度的切换，采样电阻切换电路中的每个采样电阻通过控制电磁继电器来接入采样电路，本发明具有高电路效率、降低整体功耗、增强电磁流量计在小流量时的测量精度和稳定性等优点。

Description

电磁场多级强度切换电路及其切换计算方法

技术领域

本发明涉及电磁流量计技术领域，具体地说是一种用于增强电磁流量计在小流量是的测量精度和稳定性的数字控制电磁场多级强度切换电路及其切换计算方法。

背景技术

电磁流量检测技术自诞生到现在，被广泛应用于医疗饮用水等流量检测环境，因为电磁流量计是水流切割磁场产生电动势，随着流速增大，产生的电动势越强，但是在小流量时电动势感应较弱，因此需要增加励磁强度以使感应电动势提高到可检测范围。

目前，传统电磁流量计中的电磁线圈输入电源为恒压，导致了当线圈内阻不同（不同口径的传感器），如实现多种磁场强度切换，电源效率很低，会产生大量的损耗。

并且，由于恒定电磁场公式为：B=μnΙ,式中的μ为真空中的磁导率，n为线圈匝数，I为电流，由此可以看出，传感器的电磁线圈匝数为固定值，液体磁导率也为固定值，磁场强度只与I电流有关。

因此，设计一种输出磁场可调的电路成为检测小流量信号的关键。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足，提供一种提高电路效率、降低整体功耗、增强电磁流量计在小流量时的测量精度和稳定性的数字控制电磁场多级强度切换电路及其切换计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电磁场多级强度切换电路，设有电磁线圈，其特征在于所述电磁线圈的电源控制端设有电磁场强度切换单元，其包括DCDC压控恒流源电路、DCDC开关电源电路、电压跟随器和采样电阻切换电路，

其中，

所述DCDC压控恒流源电路是由晶体管Q5、运放U4、电阻R9、芯片U5、电阻R10和抗干扰电容C7组成，所述芯片U5为1.2V的基准电压芯片，所述芯片U5与滤波电容C7并联对输出电压进行滤波，所述芯片U5的+12V通过电阻R10为芯片U5供电，连接到U4的第3脚，形成基准源，因此U4的第3脚电压为1.2V；运放U4的1、8、5脚悬空，当采样电阻切换电路稳定时，采样电阻上的采样电压通过电阻R9输入到运放U4的第2脚，并在第6脚输出稳定的电压通过电阻R11控制晶体管Q5的工作状态，保证通过电磁继电器的电流为恒定，

所述DCDC开关电源电路是由DCDC芯片U3、电容E1、二极管D4、电感器L1、电容C4、电容E2组成，电源Vin通过滤波电容E1将输入电压滤波输入到芯片U3的第1脚，为DCDC芯片U3供电；U3的第3脚、第5脚分别接地GnD；二极管D4、电感器L1、电容C4，电容E2组成整流滤波电路，二极管D4的负极与电感器的第1脚连接到芯片U3的输出第2脚，电感器L1 的第2脚，电容C4 的第1脚，E2的第1脚连接到ＶＣＣ，将电压输出到电磁继电器电路，二极管Ｄ４的正极、电容Ｃ４的第二脚和电容Ｅ２的第二脚连接到电源地；

所述采样电阻切换电路包括n组切换电路，每组切换电路包括继电器、二极管D n、三极管Q n和采用电阻R n，使继电器、二极管D n、三极管Q n和采用电阻R n形成采样电阻网络，以第一组切换电路为例，三极管Q通过连接到第1脚的CON_n控制（前端可以是单片机等数字控制电路），三极管的地第2脚接地，第3脚连接电磁继电器RELAY n的线圈第2脚相连，电磁继电器RELAYn的第1脚连接到电源+5V二极管D1作为保护二极管并联到电磁继电器REALY n的线圈上，二极管D2的负极与电磁继电器REALY n线圈的第1脚相连，二极管D2的正极与二极管D2的负极与电磁继电器REALY n线圈的第2脚相连，电磁继电器REALY n的常开端第4脚与其他组的电磁继电器REALY n 的常开端第4脚相连为恒流源电路和开关电源电路提供采样信号。电磁继电器REALY n的公共端第3脚与采样电阻R1的第1脚相连，采样电阻R1的第2脚接地。当CON_ n为大于0.7V的电压时（数字逻辑为1）时，三极管Q1导通，电磁继电器REALY n开始工作，电磁继电器REALY n的第3脚、第4脚闭合，将采样电路R1接入采样电阻网络。以达到通过控制接入采样电阻网络的电阻的个数，来控制采样电阻的大小，并保持稳定的作用，实现电磁继电器产生的磁场强度的切换。

本发明可在DCDC开关电源电路中设有电压跟随电路，所述电压跟随电路是由芯片U6B，电阻R12，电阻R13，电容C8组成，当采样电阻切换电路保持稳定时，TP1电压稳定，通过电阻R13将采样电压输入到芯片U6B的第５脚，滤波电容C8的第一脚与芯片U6B的第5脚相连，以保证采样电压的稳定，电源+ 12V、-12V为芯片的U6B供电，分别连接到运放的第8脚和第4脚。运放U6B的第6脚和第1脚相连，形成电压跟随电路，将采样电压1:1通过第7脚输出，通过电阻R12输入到芯片U3的第4脚，为DCDC芯片U3提供采样电压，用以调节DCDC芯片U3的输出，之所以增加电压跟随电路是为了提高采样电阻的采样精度和采样信号的稳定性，使电路电流调节更稳定，使线圈产生的磁场更稳定，

一种电磁场多级强度切换计算方法，其特征在于具体计算如下：

由于恒定电磁场公式：B=μnΙ,（μ为真空中的磁导率，n为线圈匝数，I为电流），传感器线圈匝数为固定，液体磁导率也为固定，因此，磁场强度只与I电流有关，通过改变DCDC压控恒流源的采样电阻大小来切换DCDC压控恒流源电路输出电流，从而实现磁场强度的切换，采样电阻切换电路中的每个采样电阻通过控制电磁继电器来接入采样电路，采样电阻可根据需要选择相同的值，或者不同的值，当选择开关数量或者通路不同时，采样电阻电路两端的电压为恒定，

即为U5,R10,C7组成的基准源电路输出的电压，即，Vref；

因此

当A：R1=R2=……=Rn=R时，在选择m路继电器导通，得到的电流为，

Iref=Vref/(R/m)

由公式得出，当m越大时输出电流越大，作用到线圈产生的磁场越大。

当B：R1，R2……Rn不相等时，在选择第m路继电器导通则得出电流为

Iref=Vref/(Rm)

由公式得出，当Rm越小时，作用到线圈产生的磁场越大，

其中n和m为不小于2的整数，

当电路不发生切换时，电路会保持固定一组采样电阻状态，DCDC压控恒流源会输出恒定电流。

本发明由于采用上述结构和方法，具有高电路效率、降低整体功耗、增强电磁流量计在小流量时的测量精度和稳定性等优点。

附图说明

图1为本发明的DCDC压控恒流源电路

图2为采用电阻切换电路（仅以3种强度磁场切换为例进行说明）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附图1所示，介绍了一种电磁场多级强度切换电路，其设有电磁线圈，特征在于所述电磁线圈的电源控制端设有电磁场强度切换单元，其包括DCDC压控恒流源电路、DCDC开关电源电路、电压跟随器和采样电阻切换电路，

其中，

所述DCDC压控恒流源电路是由晶体管Q5、运放U4、电阻R9、芯片U5、电阻R10和抗干扰电容C7组成，所述芯片U5为1.2V的基准电压芯片，所述芯片U5与滤波电容C7并联对输出电压进行滤波，所述芯片U5的+12V通过电阻R10为芯片U5供电，连接到U4的第3脚，形成基准源，因此U4的第3脚电压为1.2V；运放U4的1、8、5脚悬空，当采样电阻切换电路稳定时，采样电阻上的采样电压通过电阻R9输入到运放U4的第2脚，并在第6脚输出稳定的电压通过电阻R11控制晶体管Q5的工作状态，保证通过电磁继电器的电流为恒定。

所述DCDC开关电源电路是由DCDC芯片U3、电容E1、二极管D4、电感器L1、电容C4、电容E2组成，电源Vin通过滤波电容E1将输入电压滤波输入到芯片U3的第1脚，为DCDC芯片U3供电；U3的第3脚、第5脚分别接地GnD；二极管D4、电感器L1、电容C4，电容E2组成整流滤波电路，二极管D4的负极与电感器的第1脚连接到芯片U3的输出第2脚，电感器L1 的第2脚，电容C4 的第1脚，E2的第1脚连接到ＶＣＣ，将电压输出到电磁继电器电路，二极管Ｄ４的正极、电容Ｃ４的第二脚和电容Ｅ２的第二脚连接到电源地；电压跟随器是由芯片U6B，电阻R12，电阻R13，电容C8组成，当采样电阻切换电路保持稳定时，ＴＰ１的电压稳定，通过电阻R13将采样电压输入到芯片U6B的第５脚，滤波电容C8的第一脚与芯片U6B的第5脚相连，保证采样电压的稳定，电源+ 12V、-12V为芯片的U6B供电，分别连接到运放的第8脚和第4脚。运放U6B的第6脚和第1脚相连，形成电压跟随电路，将采样电压1:1的通过第7脚输出，通过电阻R12输入到芯片U3的第4脚，为DCDC芯片U3提供采样电压，用以调节DCDC芯片U3的输出，之所以增加电压跟随电路是为了提高采样电阻的采样精度和采样信号的稳定性，使电路电流调节更稳定，使线圈产生的磁场更稳定。

所述采样电阻切换电路包括n组切换电路，所述n为大于1的自然数，每组切换电路包括继电器、二极管D n、三极管Q n和采用电阻R n，以使继电器、二极管D n、三极管Q n和采用电阻R n形成采样电阻网络，以第一组切换电路为例，三极管Q通过连接到第1脚的CON_1控制（其前端可以是单片机等数字控制电路），三极管的地第2脚接地，第3脚连接电磁继电器RELAY1的线圈第2脚相连，电磁继电器RELAY1的第1脚连接到电源+5V二极管D1作为保护二极管并联到电磁继电器REALY1的线圈上，二极管D2的负极与电磁继电器REALY1线圈的第1脚相连，二极管D2的正极与二极管D2的负极与电磁继电器REALY1线圈的第2脚相连，电磁继电器REALY1的常开端第4脚与其他组的电磁继电器REALYn的常开端第4脚相连为恒流源电路和开关电源电路提供采样信号。电磁继电器REALY1的公共端第3脚与采样电阻R1的第1脚相连，采样电阻R1的第2脚接地。当CON_1为大于0.7V的电压时（数字逻辑为1）时，三极管Q1导通，电磁继电器REALY1开始工作，电磁继电器REALY1的第3脚、第4脚闭合，将采样电路R1接入采样电阻网络。以达到通过控制接入采样电阻网络的电阻的个数，来控制采样电阻的大小，并保持稳定的作用，实现电磁继电器产生的磁场强度的切换。

如图2所示（仅以3种强度磁场切换为例进行说明），U3作为输出可调的DCDC芯片，为恒流源电路提供电压，FB（4脚）采样电压为1.2V，当切换电路保持不切换状态，则采样电阻网路阻值恒定，U3通过采集采样电阻上的电压，来调节内部开关信号的占空比，从而调节输出OUT(2脚)的电压，使作用在线圈上的电流恒定，并保持输出电磁场恒定，

采样电压为：

U_fb:采样电压

R_fb：采样电阻网络阻值

R_f：线圈内阻

由于U3内部参考电平为1.2V，即U_fb=1.2V。

则线圈磁场为：B=μnΙ,

μ：为介质中的磁导率，水的磁导率为μ=0.999991

n：为线圈匝数，本设计中采用的是800匝

I：为电流

注：由于nMOS管Q5，导通内阻非常小，可以忽略不计。

A方案:当R1=R2=……=Rn=40欧姆时，则通过控制电磁继电器的控制端CON_1,CON_2…… CON_n,来控制接入采样电阻网络的电阻个数，

当CON_1为高电平时，则只有R1接入采样电阻网络，电流为

当CON_1，CON_2为高电平时，则有R1和R2并联接入采样电阻网络，电流为

当CON_1,CON_2，……CON_6为高电平时，则有R1，R2，……R6并联接入采样电阻网络，电流为

有上述三种状态，可以清晰的得出3中不同的电磁场强度，通过控制CON_n的接入状态从而得出不同的磁场强度。

B方案:当R1=5，R2=10，……Rn=n×5欧姆时，则通过控制电磁继电器的控制端CON_1, CON_2…… CON_n,来切换接入采样电阻网络的阻值。，

当CON_1为高电平时，则只有R1接入采样电阻网络，电流为

当CON_2为高电平时，则有R2接入采样电阻网络，电流为

当CON_6为高电平时，则有R6联接入采样电阻网络，电流为

有上述三种状态，可以清晰的得出3中不同的电磁场强度，通过控制CON_n的接入状态从而得出不同的磁场强度。

同样的也可以采用A方案实施的方式，实现不同电阻的并联以产生更多级别的电磁场强度切换。

本发明所述电磁继电器可以采用模拟开关代替，来实现电路切换。

本发明由于采用上述结构，具有高电路效率、降低整体功耗、增强电磁流量计在小流量时的测量精度和稳定性等优点。

Claims (3)

1.一种电磁场多级强度切换电路，设有电磁线圈，其特征在于所述电磁线圈的电源控制端设有电磁场强度切换单元，其包括 DCDC 压控恒流源电路、DCDC 开关电源电路、电压跟随器和采样电阻切换电路，

其中，

所述 DCDC 压控恒流源电路是由晶体管 Q5、运放 U4、电阻 R9、芯片 U5、电阻 R10 和滤波电容 C7 组成，所述芯片 U5 为 1.2V 的基准电压芯片，所述芯片 U5 与滤波电容 C7并联对输出电压进行滤波，所述芯片 U5 的+12V 通过电阻 R10 为芯片 U5 供电，连接到U4 的第 3 脚，形成基准源电路，因此运放 U4 的第 3 脚电压为 1.2V；运放 U4 的 1、8、5脚悬空，当采样电阻切换电路稳定时，采样电阻上的采样电压通过电阻 R9 输入到运放 U4的第 2 脚，并在第 6 脚输出稳定的电压通过电阻 R11 控制晶体管 Q5 的工作状态，保证通过电磁继电器的电流为恒定，

所述 DCDC 开关电源电路是由 DCDC 芯片 U3、滤波电容 E1、二极管 D4、电感器 L1、电容C4、电容 E2 组成，电源 Vin 通过滤波电容 E1 将输入电压滤波输入到 DCDC 芯片U3 的第 1脚，为 DCDC 芯片 U3 供电；DCDC 芯片 U3 的第 3 脚、第 5 脚分别接电源地；二极管 D4、电感器 L1、电容 C4，电容 E2 组成整流滤波电路，二极管 D4 的负极与电感器的第 1 脚连接到 DCDC 芯片 U3 的输出第 2 脚，电感器 L1 的第 2 脚、电容 C4 的第 1脚、电容 E2 的第 1脚分别连接到ＶＣＣ，将电压输出到电磁继电器，二极管Ｄ４的正极、电容Ｃ４的第二脚和电容Ｅ２的第二脚连接到电源地；

所述采样电阻切换电路包括 n 组切换电路，每组切换电路包括电磁继电器、二极管 Dn、三极管 Q n 和采样电阻 R n，以使电磁继电器、二极管 D n、三极管 Q n 和采样电阻 Rn 形成采样电阻网络，三极管 Q n 通过连接到第 1 脚的 CON_n 控制，三极管 Q n 的第2 脚接电源地，第 3 脚连接电磁继电器的线圈第 2 脚相连，电磁继电器的第 1 脚连接到电源+5V，二极管 D n作为保护二极管 D n 并联到电磁继电器的线圈上，二极管 D n 的负极与电磁继电器线圈的第1 脚相连，二极管 D n 的正极与电磁继电器线圈的第 2 脚相连，电磁继电器的常开端第 4 脚与其他组的电磁继电器的常开端第 4 脚相连为恒流源电路和开关电源电路提供采样信号，电磁继电器的公共端第 3 脚与采样电阻 R n 的第 1脚相连，采样电阻 R n的第 2 脚接电源地，当 CON_ n 为大于 0.7V 的电压时，三极管 Qn 导通，电磁继电器开始工作，电磁继电器的第 3 脚、第 4 脚闭合，将采样电阻 R n 接入采样电阻网络。

2.根据权利要求 1 所述的一种电磁场多级强度切换电路，其特征在于所述 DCDC 开关电源电路中设有电压跟随电路，所述电压跟随电路是由芯片 U6B，电阻 R12，电阻 R13，滤波电容C8 组成，当采样电阻切换电路保持稳定时，TP1 电压稳定，通过电阻 R13 将采样电压输入到芯片 U6B 的第５脚，滤波电容 C8 的第一脚与芯片 U6B 的第 5 脚相连，电源+12V、-12V 为芯片 U6B 供电，分别连接到芯片 U6B 的第 8 脚和第 4 脚，芯片 U6B 的第6脚和第 1 脚相连，形成电压跟随电路，将采样电压 1:1 通过第 7 脚输出，通过电阻 R12输入到 DCDC 芯片 U3的第 4 脚，为 DCDC 芯片 U3 提供采样电压。

3.根据权利要求 1 或2所述的一种电磁场多级强度切换电路的计算方法，其特征在于具体计算如下：

由于恒定电磁场公式：B=μnΙ，μ为真空中的磁导率，n 为线圈匝数，I 为电流，传感器线圈匝数为固定，液体磁导率也为固定，因此，磁场强度只与 I 电流有关，通过改变 DCDC 压控恒流源的采样电阻大小来切换 DCDC 压控恒流源电路输出电流，采样电阻切换电路中的每个采样电阻通过控制电磁继电器来接入采样电阻切换电路，当选择开关数量或者通路不同时，采样电阻切换电路两端的电压为恒定，

即为基准源电路输出的电压，即，Vref；

因此

当 A：R1=R2=……=Rn=R 时，再选择 m 路电磁继电器导通，得到的电流为，

Iref=Vref/(R/m)

由公式得出，当 m 越大时输出电流越大，作用到线圈产生的磁场越大；

当 B：R1，R2……Rn 不相等时，在选择第 m 路电磁继电器导通则得出电流为

Iref=Vref/(Rm)

由公式得出，当 Rm 越小时，作用到线圈产生的磁场越大，

其中 n 和 m 为不小于 2 的整数，

当电路不发生切换时，电路会保持固定一组采样电阻状态，DCDC 压控恒流源会输出恒定电流。