CN113252146B - 一种智能流速模拟*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种智能流速模拟***，其中，该***包括：流速感应电压输出单元、流速方向切换单元、噪音信号模拟单元；流速感应电压输出单元与电磁水表转换器连接，将电磁水表转换器生成的励磁电流转换为流速对应的感应电压并输出；流速方向切换单元的输入端与流速感应电压输出单元的输出端连接，流速方向切换单元的输出端与电磁水表转换器的输入端连接，通过流速方向切换单元控制感应电压信号的流向；噪音信号模拟单元包括噪音信号发生器，噪音信号发生器的GND与电磁水表转换器的模拟地端口连接，噪音发生器的输出端连接智能流速模拟***的GND，噪音信号发生器模拟共模噪音信号输入电磁水表转换器的模拟地端。提高了转换器的可靠性。

Description

一种智能流速模拟***

技术领域

本申请涉及电磁水表领域，特别是涉及一种智能流速模拟***。

背景技术

当前国内外市场上的电磁流量计在性能上层次不齐，特别是对要满足低功耗、高精度、宽量程的电磁水表产品尤为明显。电磁水表的工作原理与电磁流量计技术都是基于法拉第电磁感应定律，当均匀的导电液体通过均匀恒定的磁场时，在流场边界处与液体接触的电极上会产生感应电动势，通过测得的感应电动势能计算出导电液体的平均流速。电磁水表或电磁流量计在结构上都是由传感器和转换器两部分组成，传感器安装管道上感受流量信号；转换器则将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成标准信号进行显示和计算。因此，电磁水表的精度取决于上述两个部分。然而，由于电磁水表为达到低功耗的要求，通常采用微弱电流励磁，因此，测得的感应电动势信号也极其微弱，这对于设计高性能的转换器提出了非常严格的要求。

为了满足转换器的高性能要求，在相关技术中，通常采用实流测试进行标定，然而由于标定的结果会包含管道和传感器中的不确定性因素，所以，通常的方法是利用电磁流量计信号源产生感应电压，从而调整或者校准转换器。但是现有的电磁流量计的信号发生器虽能产生连续的微弱电压信号，但与励磁信号的相位存在一定偏差，而且无法模拟当传感器电极由于腐蚀导致的阻抗升高、阻抗不对称等问题。

目前针对相关技术中，转换器存在的标定和检测不精确，以及对抗噪音干扰能力不足的问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种智能流速模拟***，以至少解决相关技术中转换器存在的标定和检测不精确，以及对抗噪音干扰能力不足的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种智能流速模拟***，用于标定电磁水表的转换器，所述***包括：流速感应电压输出单元、流速方向切换单元、噪音信号模拟单元，

所述流速感应电压输出单元与电磁水表转换器连接，将所述电磁水表转换器生成的励磁电流转换为流速对应的感应电压并输出；

所述流速方向切换单元的输入端与所述流速感应电压输出单元的输出端连接，所述流速方向切换单元的输出端与所述电磁水表转换器的输入端连接，通过所述流速方向切换单元控制所述感应电压信号的流向；

所述噪音信号模拟单元包括噪音信号发生器，所述噪音信号发生器的GND与所述电磁水表转换器的模拟地端口连接，所述噪音发生器的输出端连接所述智能流速模拟***的GND，所述噪音信号发生器模拟共模噪音信号输入所述电磁水表转换器的模拟地端。

在其中一些实施例中，所述流速感应电压输出单元包括精密电感网络、电阻网络、运算放大器、选择开关、高流速数字电位器、低流速数字电位器、跟随器和反向放大电路，所述选择开关包括第一选择开关和第二选择开关。

在其中一些实施例中，所述精密电感网络与所述电阻网络连接，将输入的所述励磁电流转换为感应电压初始信号，其中，所述精密电感网络用于模拟线圈的开关时间，所述电阻网络用于对所述励磁电流进行电流采样。

在其中一些实施例中，所述***还包括单片机，所述单片机与所述高流速数字电位器、所述低流速数字电位器连接，

所述运算放大器的输入端与所述电阻网络连接，将所述感应电压初始信号放大输出，并通过所述第一选择开关输入到所述高流速数字电位器或所述低流速数字电位器中；

所述单片机通过串口输出信号设定流速，所述高流速数字电位器、所述低流速数字电位器通过所述设定流速调整电阻网络，对输入的感应电压信号进行分压。

在其中一些实施例中，所述跟随器包括第一跟随器、第二跟随器，

所述第一跟随器与所述低流速数字电位器连接，所述第二跟随器与所述高流速数字电位器连接，所述第一跟随器或所述第二跟随器将分压后的感应电压信号通过所述第二选择开关输入所述反向放大电路中，输出得到所述设定流速对应的感应电压。

在其中一些实施例中，所述流速方向切换单元包括：模拟开关、第四选择开关、高阻抗模式和低阻抗模式，其中，所述模拟开关包括第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关，

所述单片机与所述第三模拟开关、所述第四模拟开关连接，所述单片机通过数字信号控制所述第三模拟开关和所述第四模拟开关的导通方向，切换感应电压信号流速方向；

所述第三模拟开关与所述高阻抗模式、低阻抗模式连接，将所述感应电压信号通过所述高阻抗模式或者所述低阻抗模式处理后，通过所述第一模拟开关导入到所述电磁水表转换器的输入端；

所述第四模拟开关与所述高阻抗模式、低阻抗模式连接，将所述感应电压信号通过所述高阻抗模式或者所述低阻抗模式处理后，通过所述第二模拟开关导入到所述电磁水表转换器的输入端。

在其中一些实施例中，所述第二模拟开关与所述第四选择开关连接，通过所述第四选择开关将差模信号输入所述电磁水表转换器的输入端。

在其中一些实施例中，所述单片机与所述噪音信号发生器连接，并控制所述噪音信号发生器生成指定频率和幅值的各种共模噪音信号，输入所述电磁水表转换器的模拟地端。

在其中一些实施例中，所述噪音信号模拟单元还包括：第三选择开关，

所述第三选择开关与所述噪音信号发生器连接，通过所述第三选择开关和所述第四选择开关将差模信号输入所述电磁水表转换器的输入端。

在其中一些实施例中，所述***还包括：电源单元，

所述电源单元包括LDO和降压芯片，通过所述LDO和降压芯片为所述单片机和所述***供电。

相比于相关技术，本申请实施例提供的智能流速模拟***，用于标定电磁水表的转换器，该***包括：流速感应电压输出单元、流速方向切换单元、噪音信号模拟单元；流速感应电压输出单元与电磁水表转换器连接，将电磁水表转换器生成的第一励磁电流和第二励磁电流转换为流速对应的感应电压并输出；流速方向切换单元的输入端与流速感应电压输出单元的输出端连接，流速方向切换单元的输出端与电磁水表转换器的输入端连接，通过流速方向切换单元控制感应电压信号的流向；噪音信号模拟单元包括噪音信号发生器，噪音信号发生器的GND与电磁水表转换器的模拟地端口连接，噪音发生器的输出端连接智能流速模拟***的GND，噪音信号发生器模拟共模噪音信号输入电磁水表转换器的模拟地端。

相比于传统的流速模拟器，本申请的智能流速模拟***，能模拟真实线圈的开关时间所带来的信号的相位延迟现象，能模拟真实工况下的噪音信号，还能模拟传感器电极由于腐蚀导致的阻抗升高和阻抗不对称等问题，从而可以帮助检测电磁水表转换器对抗各种可能出现的问题的能力，提高转换器标定和检测的精确度，从而提高转换器的可靠性。此外，电路中多采用输入阻抗大、输出阻抗小的运算放大器，同时搭配零漂非常小，精度高的电阻以及数字电位器等元器件，保证了信号的稳定性和完整性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的智能流速模拟***的结构框图；

图2是根据本申请实施例的流速感应电压输出单元的电路结构示意图；

图3是根据本申请实施例的流速方向切换单元的电路结构示意图；

图4是根据本申请实施例的噪音信号模拟单元的电路结构示意图；

图5是根据本申请实施例的电源单元的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本申请提供了一种智能流速模拟***，用于标定电磁水表的转换器，图1是根据本申请实施例的智能流速模拟***的结构框图，如图1所示，该***包括流速感应电压输出单元11、流速方向切换单元12、噪音信号模拟单元13。此外，***还包括单片机和电源单元；

流速感应电压输出单元11与电磁水表转换器连接，将电磁水表转换器生成的励磁电流转换为流速对应的感应电压并输出；图2是根据本申请实施例的流速感应电压输出单元的电路结构示意图，如图2所示，流速感应电压输出单元11包括精密电感网络L1和L2、电阻网络、运算放大器U1、选择开关、高流速数字电位器DPOT1、低流速数字电位器DPOT2、跟随器和反向放大电路U4，其中，选择开关包括第一选择开关SW1和第二选择开关SW2,跟随器包括第一跟随器U3、第二跟随器U2。

优选的，流速感应电压输出单元11的工作原理具体如下：

精密电感网络L1和L2与电阻网络连接，将电磁水表转换器生成并输入的励磁电流通过精密电感网络和电阻网络转换为感应电压初始信号，该信号与真实的传感器产生的感应电压信号具有相同相位和频率，其中，精密电感网络用于模拟线圈的开关时间所带来的信号的相位延迟现象，电阻网络用于对励磁电流进行电流采样；可选的，精密电感网络L1、L2可用线圈代替；

运算放大器U1的输入端与电阻网络连接，通过高阻抗输入、低阻抗输出的精密运算放大器U1将感应电压初始信号放大输出，放大后的感应电压初始信号经过流速范围选择开关，即第一选择开关SW1进入高流速数字电位器DPOT1或低流速数字电位器DPOT2；

单片机分别与高流速数字电位器DPOT1、低流速数字电位器DPOT2连接，单片机通过串口输出信号对流速进行设定，高流速数字电位器DPOT1、低流速数字电位器DPOT2通过设定的流速调整对应的电阻网络，对输入的感应电压信号依据分压原理进行分压；可选的，数字电位器DPOT1、DPOT2可用模拟电阻器代替；

由于信号幅值极其微弱，尤其是设定流速在小流速范围时，信号幅值一般只有几微伏左右，因此，为了保证信号输出的完整性和稳定性，经过高流速数字电位器DPOT1处理的感应电压进入第一跟随器U3或经过低流速数字电位器DPOT2处理的感应电压进入第二跟随器U2后，将分压后的感应电压信号通过第二选择开关SW2的选择输入增益可调的反向放大电路U4中，最终输出得到设定流速对应的感应电压信号Sig1。本实施例中利用了两个数字电位器，实现不同流速范围的模拟，其中，可调流速的分辨率为0.005m/s。此外采用了跟随器、可调增益的反向放大器，能有效提高信号质量。

进一步地，流速方向切换单元12的输入端与流速感应电压输出单元11的输出端连接，流速方向切换单元12的输出端与电磁水表转换器的输入端连接，通过流速方向切换单元12控制感应电压信号的流向；图3是根据本申请实施例的流速方向切换单元的电路结构示意图，如图3所示，流速方向切换单元12包括：模拟开关、第四选择开关SW4、高阻抗模式和低阻抗模式，其中，模拟开关包括第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关。

优选的，流速方向切换单元12的工作原理具体如下：

从流速感应电压输出单元11输出的感应电压信号Sig1输入流速方向切换单元12，单片机分别与第三模拟开关、第四模拟开关连接，单片机通过数字信号控制第三模拟开关和第四模拟开关的导通方向，从而实现感应电压信号流速方向的切换；

本实施例中还可通过第三模拟开关和第四模拟开关的切换，调整信号Sig1的输出路径，来达到模拟电极阻抗变化的问题。具体地，第三模拟开关与高阻抗模式、低阻抗模式连接，将感应电压信号Sig1通过高阻抗模式或者低阻抗模式处理后，通过第一模拟开关导入到电磁水表转换器的输入端E1；或者，第四模拟开关与高阻抗模式、低阻抗模式连接，将感应电压信号Sig1通过高阻抗模式或者低阻抗模式处理后，通过第二模拟开关导入到电磁水表转换器的输入端E2。这里通过对电极模型建立，模拟低阻抗、高阻抗信号输出模式，并依靠单片机进行对高阻抗与低阻抗模式的选择，达到模拟当传感器电极由于腐蚀导致的阻抗升高、阻抗不对称等问题的目的，从而可以帮助检测转换器对抗这类问题的能力。

在其中一些实施例中，第二模拟开关与第四选择开关SW4连接，如图3所示，第四选择开关SW4用于将差模信号输入电磁水表转换器的输入端E2，实现差模噪音的生成。

再进一步地，本申请实施例除了拥有温漂小、稳定性强、输出阻抗可选和流向可选这些特性外，还具有模拟工况噪音对流速信号影响的能力。具体地，噪音信号模拟单元13包括噪音信号发生器，噪音信号发生器的GND与电磁水表转换器的模拟地端口连接，噪音发生器的输出端连接智能流速模拟***的GND，图4是根据本申请实施例的噪音信号模拟单元的电路结构示意图，如图4所示，从电磁水表或电磁流量计实际应用中可知，传感器内的噪音大多属于共模信号，为了模拟共模噪音信号与流速信号叠加情况，可以通过图4中的电路实现。此外，噪音信号模拟单元13还包括第三选择开关SW3，噪音信号发生器的输出端与本***流速模拟器的GND拥有匹配的阻抗，并且由于噪音信号发生器的GND连接至转换器的模拟地端口，这样就保证了转换器输入端E1、E2能叠加共同的噪音信号。

优选的，噪音信号模拟单元13的工作原理具体如下：

单片机与噪音信号发生器连接，并控制噪音信号发生器生成指定频率和幅值的各种共模噪音信号，其中包括：正弦信号，梯形信号，直流信号，指数函数信号等，生成的共模噪音信号被输入电磁水表转换器的模拟地端；需要说明的是，噪音信号发生器可由外置信号发生器代替；

进一步地，为了模拟导线中串入的差模噪音，本实施例中通过第三选择开关SW3和图3中的第四选择开关SW4将差模信号输入电磁水表转换器的输入端E2，实现差模噪音信号的生成；

相比于传统的流速模拟器，只能够模拟输出感应电压信号，对真实工况下的噪音信号无法实现的问题。本申请实施例基于共模噪音的原理，通过单片机可调的噪音信号发生器将多种共模噪音叠加在感应电压信号上并输入至电磁水表转换器的输入端。此外，采用相同的信号发生***，通过改变模拟开关，可将差模噪音加入转换器的输入端，从而实现现实工况中差模噪音在电磁水表中的模拟。

通过上述***，上位机对设定流速、流向、阻抗进行选择，将控制指令通过串口发送给单片机，单片机分别将数字电位器、模拟开关、选择开关等，以及噪音信号发生器调整到对应的数值，模拟在测量流速时可能产生的各种问题，帮助检测转换器提高对抗各种噪音的能力，不仅提高了产线的生产效率，同时可以提高生产出来的转换器的可靠性。

在其中一些实施例中，电源单元包括LDO和降压芯片，图5是根据本申请实施例的电源单元的电路结构示意图，如图5所示，通过LDO和降压芯片为单片机和***提供稳定的电压。具体地，本实施例中的独立电源单元可用3.6V-5V电池或直流电源供电。

本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种智能流速模拟***，用于标定电磁水表的转换器，其特征在于，所述***包括：流速感应电压输出单元、流速方向切换单元、噪音信号模拟单元和单片机，

所述流速感应电压输出单元与电磁水表转换器连接，将所述电磁水表转换器生成的励磁电流转换为流速对应的感应电压并输出；

所述流速感应电压输出单元包括精密电感网络、电阻网络、运算放大器、选择开关、高流速数字电位器、低流速数字电位器、跟随器和反向放大电路，所述选择开关包括第一选择开关和第二选择开关；

所述精密电感网络与所述电阻网络连接，将输入的所述励磁电流转换为感应电压初始信号，其中，所述精密电感网络用于模拟线圈的开关时间，所述电阻网络用于对所述励磁电流进行电流采样；

所述流速方向切换单元的输入端与所述流速感应电压输出单元的输出端连接，所述流速方向切换单元的输出端与所述电磁水表转换器的输入端连接，通过所述流速方向切换单元控制感应电压信号的流向；

所述流速方向切换单元包括：模拟开关、第四选择开关、高阻抗模式和低阻抗模式，其中，所述模拟开关包括第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关，

所述单片机与所述第三模拟开关、所述第四模拟开关连接，所述单片机通过数字信号控制所述第三模拟开关和所述第四模拟开关的导通方向，切换感应电压信号流速方向；

所述第三模拟开关与所述高阻抗模式、低阻抗模式连接，将所述感应电压信号通过所述高阻抗模式或者所述低阻抗模式处理后，通过所述第一模拟开关导入到所述电磁水表转换器的输入端；

所述第四模拟开关与所述高阻抗模式、低阻抗模式连接，将所述感应电压信号通过所述高阻抗模式或者所述低阻抗模式处理后，通过所述第二模拟开关导入到所述电磁水表转换器的输入端；

所述噪音信号模拟单元包括噪音信号发生器，所述噪音信号发生器的GND与所述电磁水表转换器的模拟地端口连接，所述噪音信号发生器的输出端连接所述智能流速模拟***的GND，所述噪音信号发生器模拟共模噪音信号输入所述电磁水表转换器的模拟地端。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述单片机与所述高流速数字电位器、所述低流速数字电位器连接，

所述运算放大器的输入端与所述电阻网络连接，将所述感应电压初始信号放大输出，并通过所述第一选择开关输入到所述高流速数字电位器或所述低流速数字电位器中；

所述单片机通过串口输出信号设定流速，所述高流速数字电位器、所述低流速数字电位器通过所述设定流速调整电阻网络，对输入的感应电压信号进行分压。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述跟随器包括第一跟随器、第二跟随器，

所述第一跟随器与所述低流速数字电位器连接，所述第二跟随器与所述高流速数字电位器连接，所述第一跟随器或所述第二跟随器将分压后的感应电压信号通过所述第二选择开关输入所述反向放大电路中，输出得到所述设定流速对应的感应电压。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，

所述第二模拟开关与所述第四选择开关连接，通过所述第四选择开关将差模信号输入所述电磁水表转换器的输入端。

5.根据权利要求3所述的***，其特征在于，

所述单片机与所述噪音信号发生器连接，并控制所述噪音信号发生器生成指定频率和幅值的各种共模噪音信号，输入所述电磁水表转换器的模拟地端。

6.根据权利要求4或5所述的***，其特征在于，所述噪音信号模拟单元还包括：第三选择开关，

所述第三选择开关与所述噪音信号发生器连接，通过所述第三选择开关和所述第四选择开关将差模信号输入所述电磁水表转换器的输入端。

7.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述***还包括：电源单元，

所述电源单元包括LDO和降压芯片，通过所述LDO和降压芯片为所述单片机和所述***供电。