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          分體式電磁流量計

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          一種低成本分體式電磁流量計的設計與仿真

          來源:www.gyk39.com作者:發表時間:2019-10-30 16:59:31

           
              摘 要:對于工業儀表所用的變送器,目前絕大多數采用4~20 mA電流信號進行傳輸,分體式電磁流量計的性能是保證變送器精度的關鍵之一。現設計了一種低成本、高精度的分體式電磁流量計,介紹了其工作原理,利用軟件仿真驗證了其正確性和可行性。
           
              引言
              當前智能工業儀表普遍采用微處理器作為控制核心,微處理器與外圍傳感器(如壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器)進行數字通信,通過DA轉換,將從傳感器采集來的數字量信號轉換為電壓信號。而工業儀表的輸出信號大多為標準的4~20 mA電流,這就需要設計一個電路,能夠將微處理器輸出的電壓信號轉換為標準的4~20 mA電流信號輸出,而分體式電磁流量計可以實現上述功能。
           
              1 V-I變換電路設計
              本文設計的分體式電磁流量計具有簡單、實用的優點,僅由1個運算放大器、1個NPN型晶體管以及5個電阻組成,大大降低了電路所需的元器件成本。分體式電磁流量計的輸入為微處理器DA轉換的輸出電壓,輸出為4~20 mA環路電流。運算放大器采用OPA333芯片,失調電壓僅為10 μV,保證該分體式電磁流量計具有較高的轉換精度。該分體式電磁流量計原理圖如圖1所示。
           
          1.jpg
           
              運算放大器的V- 端接3 V電壓的參考地,所以R7兩端的電壓與微處理器DAC的輸出電壓Vdac幅值相等。同理,R5兩端的電壓就是TL431B的輸出電壓3 V。根據歐姆定律,流經R3的電流可由下式計算得到:
           

          2.jpg

           
           
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              其中,DV是處理器DAC模塊的輸入量,根據當前外圍傳感器(如溫度傳感器、壓力傳感器等)輸出的數字量確定,范圍為0~4 096(假設微處理器DA為12位精度)。Vref是DA模塊的參考電壓,在本設計中為滿足低成本需求,實際就是Vreg。
           
           

          3.jpg

           
              由式(9)可以看出,輸出環路的電流與DAC模塊的輸出電壓為線性關系。選取合適的電阻阻值,使I0=4 mA,當Vdac=3 V時,Iout=20 mA,即可滿足V- I變換的設計要求。考慮到4~20 mA電流的精度需要,R3、R4、R5、R7都選擇0.1%的精密電阻。
           
              2 Multisim仿真
              為驗證分體式電磁流量計的功能,使用Multisim軟件對分體式電磁流量計進行仿真。穩壓電路中的電阻R8、R9,分體式電磁流量計中的電阻R3、R4、R5和R7的允許誤差設置為0.1%,其余電阻的允許誤差設置為1%。
           
              在仿真電路中的V- I變換模塊輸入端設置一個三角波信號源,幅值為0~3 V,頻率為20 Hz。電流取樣電阻阻值設置為100 Ω。輸出電流的大小可以通過測量取樣電阻(100 Ω)兩端的電壓間接得到。
           
              輸入三角波信號、輸出采樣電阻兩端電壓信號仿真結果分別如圖2、圖3所示。可以看出,分體式電磁流量計的輸出電流基本在4~20 mA。當輸入信號為0 V時,取樣電阻兩端電壓信號為0.414 V,即流過取樣電阻的電流為4.14 mA,誤差為3.5%。當輸入信號為3 V時,取樣電阻兩端電壓信號為2.014 V,即流過DCS卡件取樣電阻的電流為20.14 mA,誤差為0.7%。從誤差結果可以看出,本文設計的低成本分體式電磁流量計具有較高的精度,滿足實用要求。 
           
          4.jpg
           
           
              3 結語
              本文設計了一種低成本的分體式電磁流量計。通過仿真,驗證了該分體式電磁流量計的正確性和可行性,并測量了分體式電磁流量計的電流轉換精度。該分體式電磁流量計還有以下兩點可以改進的地方:
           
              (1)增加零點和滿量程的硬件校準方法,考慮將R3和R4兩個固定阻值的電阻改為變阻器供用戶校準;
              (2)可以增加對HART協議的支持,為實現儀表智能化打
          下基礎。
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