CN108534852A - 一种基于动态检测的电磁流量计及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于动态检测的电磁流量计及检测方法，电磁流量计包括：供电单元，用于进行励磁供电；传感器单元，用于进行采集流量信号；模数转换单元，用于进行采集的信号进行模数转换；控制处理单元，用于对采集的信号进行处理；当电磁流量计开始测量，励磁电流处于上升阶段时，所述控制处理单元直接对采集信号进行处理，通过调整励磁宽度控制励磁电流大小，在不同的测量区间通过选择不同的励磁电流以获取不同的信号强度，进行动态测量，本发明满足了不同条件下的测量要求，同时保证了仪表的使用寿命；达到节省电量的目的，对干扰信号进行抑制突出测量信号，大幅度减少了电路设计的难度和元器件的使用数量从而降低了生产成本。

Description

一种基于动态检测的电磁流量计及检测方法

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种基于动态检测的电磁流量计及检测方法。

背景技术

电磁流量计是应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器，为了保证测量精度和响应速度必须连续给传感器提供电流来保持稳定磁场以获得信号，由于水务市场都是采用电池供电，且使用寿命都在四到五年以上，所以为了满足功耗要求，现有技术通常采用降低励磁电流或降低测量频率这两种手段来满足功耗的要求。

目前，各电磁水表厂家通常采用20mA励磁电流，采用1/15Hz、1/30Hz、1/60Hz作为测量频率；在这种前提下，如果通过降低励磁电流方式来降低功耗会直接导致信噪比的减小，外界或仪表自身的干扰会导致小信号波动幅度大，使得对低流速的测量精度造成影响；如果降低测量频率又会导致仪表对流场变化的响应速度变慢，流场变化较快时，也会影响测量精度。

传统的电磁流量计都是在稳态下进行测量，即当励磁电流稳定后才开始采集信号，参与运算，这样可以大量回避掉很多交变过程中含有的干扰信息；但这又衍生出功耗大与测量频率低等问题。

另外，近年来国外有厂家采用了新的传感器方案，用特殊材料制作线圈，使传感器能够保持一段时间的剩磁，虽然这种方式可以使得磁场激励电路提供电流的时间大幅度缩短，用剩磁来提供信号。但这种方式的适用性较差，只能应用于直径在200毫米以下的管道上，仅能覆盖一部份市场需求，并且，这种新的传感器对工艺要求较高，国内也不具备该项工艺技术，目前还未大量推广。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种基于动态检测的电磁流量计及检测方法，以解决上述技术问题。

本发明提供的基于动态检测的电磁流量计，包括：

供电单元，用于进行励磁供电；

传感器单元，用于进行采集流量信号；

模数转换单元，用于进行采集的信号进行模数转换；

控制处理单元，用于对采集的信号进行处理；

当电磁流量计开始测量时，所述控制处理单元在励磁电流未达到稳定状态时直接对采集信号进行处理，通过调整励磁宽度控制励磁电流大小，在不同的测量区间通过选择不同的励磁电流以获取不同的信号强度，进行动态测量。

进一步，所述控制处理单元包括滤波模块，根据滤波通带宽度和励磁频率，预先在一个信号周期内设置多个采样点，重新构建励磁信号，再通过所述滤波模块对励磁信号进行梳状带通滤波处理，保留奇次谐波消去偶次谐波，完成去除工频干扰。

进一步，所述传感器单元包括变送器和转换器，所述变送器的前置放大级设置有恒流源的差动放大电路，用于抵消输入端的同向干扰信号。

进一步，测量励磁电流，并根据测量调零时的微分干扰信号，建立微分干扰模型，根据所述微分干扰模型获取微分干扰信号，将所述微分干扰信号进行消除，获取实际测量的流体信号。

进一步，所述微分干扰模型通过如下公式获取：

其中，U为传感器两端电压，R为传感器电阻，L为传感器电感，k为常数，S为有效截面积，N为线圈扎数,μ为磁导率，K为常量；

通过转换器同时测量励磁电流和励磁信号，获取传感器电阻。

进一步，还包括励磁线圈和电极，所述励磁线圈和电极均衡对称设置，所述供电单元为电池。

本发明还提供一种基于动态检测的电磁流量计的测量方法，包括：

当电磁流量计开始测量，励磁电流处于上升阶段时，直接对采集信号进行处理；

根据流速预先将测量区域划分为低流速区域和高流速区域；

通过调整励磁宽度控制励磁电流大小，在不同的测量区间通过选择不同的励磁电流以获取不同的信号强度，进行动态测量。

进一步，在低流速区域加宽励磁宽度使励磁电流上升；在高流速区域压缩励磁宽度，使励磁电流保持稳定值，当励磁电流处于上升阶段时，根据滤波通带宽度和励磁频率，预先在一个信号周期内设置多个采样点，重新构建励磁信号，再通过所述滤波模块对励磁信号进行梳状带通滤波处理，保留奇次谐波消去偶次谐波，完成去除工频干扰。

进一步，测量励磁电流，并根据测量调零时的微分干扰信号，建立微分干扰模型，根据所述微分干扰模型获取微分干扰信号，消除所述微分干扰信号，获取实际测量的流体信号

所述微分干扰模型通过如下公式获取：

其中，U为传感器两端电压，R为传感器电阻，L为传感器电感，k为常数，S为有效截面积，N为线圈扎数；

通过转换器同时测量励磁电流和励磁信号，获取传感器电阻。

进一步，对所述微分干扰模型进行温度补偿，所述温度补偿通过如下公式进行：

y₁＝KU

y₂＝(e^Rt)^k′

其中，U为传感器两端电压，R为传感器电阻，k’为传感器的特征量，K为常量；

通过在标定前调零时通过在同一次励磁的两个不同时间点进行采样获取传感器的特征量和零点的变化量，完成温度影响传感器阻值发生改变情况下的零点补偿。

本发明的有益效果：本发明中的基于动态检测的电磁流量计，取消DC/DC转换和恒流源采用电池直接对励磁电路提供电源，通过调整励磁宽度控制励磁电流大小，在不同的测量区间选择不同的励磁电流以获取不同的信号强度，提高对应测量区间的信噪比满足精度的要求，满足不同条件下的测量要求，同时保证了仪表的使用寿命；本发明可以缩短励磁电流时间宽度，同时通过在不同测量区间采用不同的响应速度的方式，动态调节测量频率，达到节省电量的目的，对于非稳态状态下信号采集引入的干扰信息，通过对所有干扰进行独立分析处理，进而对干扰信号进行抑制突出测量信号，大幅度减少了电路设计的难度和元器件的使用数量从而降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例中基于动态监测的电磁流量计中的信号构成示意图。

图2是本发明实施例中基于动态监测的检测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例中的基于动态检测的电磁流量计,包括：

供电单元，用于进行励磁供电；

传感器单元，用于进行采集流量信号；

模数转换单元，用于进行采集的信号进行模数转换；

控制处理单元，用于对采集的信号进行处理；

当电磁流量计开始测量，励磁电流处于上升阶段时，所述控制处理单元直接对采集信号进行处理，通过调整励磁宽度控制励磁电流大小，在不同的测量区间通过选择不同的励磁电流以获取不同的信号强度，进行动态测量。

在本实施例中，基于市场推广需求，通过动态测量既能满足宽量程比R1000的一级表技术指标，又能满足6+1年使用寿命，本实施例主要包括两部分动态变量，一部分是在励磁电流仍处于上升阶段还未达到稳定状态时就开始进行测量；另一部分是通过在不同的测量范围内，调节不同的采样频率，滤波深度，励磁激励频率进行测量。

如图1所示，由于线圈会带来电感效应，所以励磁电流的变化会遵循电感工作原理，在电流突变时电感会产生反向电动势阻碍电流的变化，导致电流无法快速到达加载的稳定状态，该状态会受到加载的电压，线圈的电阻和电感相互作用；从而会引来许多干扰，以及传感器自身的一些干扰，其中包括微分干扰、同相干扰，极化干扰、串模干扰、共模干扰等。本实施例中的电磁流量计取消了DC/DC转换和恒流源，采用电池直接对励磁电路提供电源，通过调整励磁宽度控制励磁电流大小，在不同的测量区间选择不同的励磁电流以获取不同的信号强度，提高对应测量区间的信噪比满足精度的要求；由于不再等待励磁电源稳定，可以缩短励磁电流时间宽度，以节省部分电量；同时通过在不同测量区间采用不同的响应速度的方式，动态调节测量频率，也能达到节省电量的目的；对于非稳态状态下信号采集引入的干扰信息，通过信号展开，对所有干扰进行独立分析处理，进而对干扰信号进行抑制突出测量信号。

相应地，本实施例还提供一种基于动态检测的电磁流量计的测量方法，包括：

当电磁流量计开始测量，励磁电流处于上升阶段时，直接对采集信号进行处理；

根据流速预先将测量区域划分为低流速区域和高流速区域；

通过调整励磁宽度控制励磁电流大小，在不同的测量区间通过选择不同的励磁电流以获取不同的信号强度，进行动态测量

在本实施例中，通过控制处理单元调节励磁时间宽度的方法动态调节励磁电流的大小，针对不同的测量区域提供不同的励磁电流大小，在低流速区域加宽励磁宽度让励磁电流上升提高信噪比，满足该区域的精度要求；在高流速区域因为该区间信号较好，可以压缩励磁宽度，使励磁电流保持在一个很小的值，也能满足测量要求；在满足水表压损技术指标要求的条件下，可以对传感器进行缩管，例如：将100口径传感器缩到20口径，从而增大水通过流速，提高信噪比。

针对励磁电流处于上升阶段带来的干扰信息，本实施例中的控制处理单元的处理方式如下：

电磁流量计输出信号一般表示为：

其中，k₁BLv表示流量信号，表示微分干扰，表示同相干扰，e_c表示共模干扰，e_d表示串模干扰，e_z表示电化学干扰。

其中微分干扰，串模干扰，电化学干扰，工频干扰是主要的干扰源；

1.电化学干扰：

包括极化干扰，流动噪声，以及浆液干扰；极化干扰通过矩形交变励磁方式解决；流动噪声多存在于测量低电导率介质，由于我们用于测量自来水，可以忽略其影响；由于自来水里杂质较少，可以忽略浆液噪声的因素；

2.串模干扰：

由于装配原因导致两条信号线对地的共模干扰不对称，无法消除，构成差模信号，由于该差模信号是叠加到实际信号上的，并且其远大于实际流体信号强度，因此会对信号增益产生影响，限制了增益放大倍数，容易造成信号饱和，在本实施例中通过监测信号大小，动态调节增益解决该影响，例如当采用32倍增益时如果AD采集的数据超出测量范围，为了防止信号溢出，自动调节增益至16倍,如果仍然不满足需求，还可调节至更小增益；反之在满足测量指标的前提下可以放大增益。

3.同相干扰：

包括工频干扰和共模干扰

1)工频干扰滤波：

控制处理单元包括滤波模块，预先在一个周期内设置多个采样点，重新构建励磁信号，通过所述滤波模块消除偶次谐波，去除工频干扰。在本实施例中，假设采用1200Hz滤波，励磁频率1Hz，每个周期采集40个采样点，则可以重新构建出30Hz励磁信号；由于1Hz励磁周期为工频周期的偶数倍；则相临半周期励磁信号上含有的工频干扰相同，频率为励磁信号的两倍；由于信号通过梳状带通滤波器后会消除偶次谐波，所以可以将工频干扰信息滤出掉；同时也可以通过整周期采样去除工频干扰的影响；

由于水是非导磁介质，同相干扰较小，可以忽略。

2)共模干扰在变送器方面，将电极和励磁线圈在几何形状、尺寸以及性能参数上设置为均衡对称，并分别严格屏蔽，以减少电极与励磁线圈之间的分布电容影响；为了减少地电流造成的同相干扰，在安装接地线时，要把变送器两端的管道法兰盘与转换器的外壳都接在同一点上，以减少同相干扰。为了进一步克服同相干扰，本实施例通过在转换器的前置放大级采用增加了恒流源的差动放大电路，利用差动放大器的高共模抑制比，使进入转换器输入端的同相干扰信号互相抵消而被抑制；优选地，为了避免干扰信号，变送器和转换器之间的信号采用屏蔽导线传输；

4.微分干扰：

由于

微分干扰

其中，U为传感器两端电压，R为传感器电阻，L为传感器电感，k为常数，S为有效截面积，N为线圈扎数,μ为导磁率；

可构建函数：

其中，K为常量。

由于i(t)励磁电流可以测量，调零时为已知量；调零时可测得当时的微分干扰信号；此时刻为已知量；

由于U，R可测得；将(式三)带入(式二)后可得到

因为当传感器电阻R远大于电源内阻r时为近似常数；

因此在调零时可以通过(式一)求得K；

当R作为自变量时(式一)就为R的函数，分子部份可以通过励磁电流测得，然后求得分母大小，将分母减去后取反，可得即微分干扰信号；

在本实施例中，转换器同时测量励磁电流大小和励磁信号大小，计算出传感器电阻大小，传感器电阻远大于电池内阻+采样电阻以保证U值受到R的影响可以忽略；由于水为非导磁介质因此可以忽略；只需要消去微分干扰并作简单平滑滤波后即可以得到流体信号；

以下为U随R的变化

由于电池内阻r＜＜R，使得U₁≈U₂；

根据微分干扰计算公式

其中，U为传感器两端电压，R为传感器电阻，L为传感器电感，k为常数，S为有效截面积，N为线圈扎数；通过老化实验得出，影响微分干扰的主要因子是U和R，U来自电池供电电源，R来自传感器线圈电阻，两者受到环境温度的影响较大其它参量可视为常数，因此微分干扰公式可变型为

将四式拆分成两个公式；

y₁＝KU(式五)，

y₂＝(e^Rt)^k′(式六)，可见式五是个线性公式，式六是个指数函数公式，并且由于电池内阻远小于传感器线圈电阻，两式互不相关；使用时对微分干扰受温度影响的补偿，可以分别对式五和式六进行补偿来实现；

由于传感器信号

因此

V＝klv+KR(e^Rt)^k′(式十)；

通过式十可以得出，当电池内阻远小于传感器线圈电阻时，零点漂移只与R有关。

建立零点模型

可得

由于t₀，t₁，R，A已知，可以如下求得k'；

上述是在标定前调零时通过在同一次励磁的两个不同时间点进行采样，获取传感器的特征量k'；以下是通过对设备运行过程，由于温度影响传感器阻值发生改变情况下在同一时间点进行采样，求得零点的变化量；

由此可推出V₀'＝(1-K')×V₀；

从而得到补偿后的零点值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于动态检测的电磁流量计，其特征在于，包括：

供电单元，用于进行励磁供电；

传感器单元，用于进行采集流量信号；

模数转换单元，用于进行采集的信号进行模数转换；

控制处理单元，用于对采集的信号进行处理；

当电磁流量计开始测量时，所述控制处理单元在励磁电流未达到稳定状态时直接对采集信号进行处理，通过调整励磁宽度控制励磁电流大小，在不同的测量区间通过选择不同的励磁电流以获取不同的信号强度，进行动态测量。

2.根据权利要求1所述的基于动态检测的电磁流量计，其特征在于：所述控制处理单元包括滤波模块，根据滤波通带宽度和励磁频率，预先在一个信号周期内设置多个采样点，重新构建励磁信号，再通过所述滤波模块对励磁信号进行梳状带通滤波处理，保留奇次谐波消去偶次谐波，完成去除工频干扰。

3.根据权利要求2所述的基于动态检测的电磁流量计，其特征在于：所述传感器单元包括变送器和转换器，所述变送器的前置放大级设置有恒流源的差动放大电路，用于抵消输入端的同向干扰信号。

4.根据权利要求3所述的基于动态检测的电磁流量计，其特征在于，测量励磁电流，并根据测量调零时的微分干扰信号，建立微分干扰模型，根据所述微分干扰模型获取微分干扰信号，将所述微分干扰信号进行消除，获取实际测量的流体信号。

5.根据权利要求4所述的基于动态检测的电磁流量计，其特征在于，所述微分干扰模型通过如下公式获取：

其中，U为传感器两端电压，R为传感器电阻，L为传感器电感，k为常数，S为有效截面积，N为线圈扎数,μ为磁导率，K为常量；

通过转换器同时测量励磁电流和励磁信号，获取传感器电阻。

6.根据权利要求1所述的基于动态检测的电磁流量计，其特征在于，还包括励磁线圈和电极，所述励磁线圈和电极均衡对称设置，所述供电单元为电池。

7.一种基于动态检测的电磁流量计的测量方法，其特征在于：

当电磁流量计开始测量，励磁电流处于上升阶段时，直接对采集信号进行处理；

根据流速预先将测量区域划分为低流速区域和高流速区域；

通过调整励磁宽度控制励磁电流大小，在不同的测量区间通过选择不同的励磁电流以获取不同的信号强度，进行动态测量。

8.根据权利要求7基于动态检测的电磁流量计的测量方法，其特征在于：

在低流速区域加宽励磁宽度使励磁电流上升；在高流速区域压缩励磁宽度，使励磁电流保持稳定值，当励磁电流处于上升阶段时，根据滤波通带宽度和励磁频率，预先在一个信号周期内设置多个采样点，重新构建励磁信号，再通过所述滤波模块对励磁信号进行梳状带通滤波处理，保留奇次谐波消去偶次谐波，完成去除工频干扰。

9.根据权利要求7基于动态检测的电磁流量计的测量方法，其特征在于：测量励磁电流，并根据测量调零时的微分干扰信号，建立微分干扰模型，根据所述微分干扰模型获取微分干扰信号，消除所述微分干扰信号，获取实际测量的流体信号

所述微分干扰模型通过如下公式获取：

其中，U为传感器两端电压，R为传感器电阻，L为传感器电感，k为常数，S为有效截面积，N为线圈扎数；

通过转换器同时测量励磁电流和励磁信号，获取传感器电阻。

10.根据权利要求7基于动态检测的电磁流量计的测量方法，其特征在于，对所述微分干扰模型进行温度补偿，所述温度补偿通过如下公式进行：

y₁＝KU

y₂＝(e^Rt)^k’

其中，U为传感器两端电压，R为传感器电阻，k’为传感器的特征量，K为常量；

通过在标定前调零时通过在同一次励磁的两个不同时间点进行采样获取传感器的特征量和零点的变化量，完成温度影响传感器阻值发生改变情况下的零点补偿。