专利名称：电磁流量计无源标准信号发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电磁流量计无源标准信号发生器。
背景技术：
电磁流量计是一种基于法拉第电磁感应定律的流量测量装置，用于测量导电流体流量。由于它在传感器内部没有阻挡流体的部件，压力损失低，因而得到了日益广泛的应用。
电磁流量计由传感器和转换器两部分组成。传感器将流体的流动速度信号转换成微弱的电压信号。转换器测量传感器输出的电压信号，把它转换成其他的工业标准信号，如4-20毫安电流信号等。
电磁流量计转换器接收的传感器输出信号是很微弱的，一般是在微伏到毫伏数量级，因而转换器必须有很高的放大倍数，同时放大倍数必须精确。但实际上由于考虑到成本原因，不可能统统选用高精度的元器件来制造转换器，因而工厂中造出的每一台转换器的放大倍数一般是不相等的。为解决这个问题，在制造过程中都需要用转换器去测量电磁流量计标准信号发生器输出的标准信号，根据转换器的输出计算出该转换器的实际放大倍数。根据实际放大倍数则可以得到一个对应的系数，利用该系数，通过软件计算的方法对测量结果进行修正，从而使生产的所有转换器的放大倍数一致。
电磁流量计标准信号发生器用来模拟不同流速下的传感器输出信号，标准信号发生器甚至成为电磁流量计转换器制造厂的基准。现有的信号发生器内部都需要用到运算放大器等需要电源的器件，因而需要电池供电。而为了延长电池供电的使用时间，则采用了延时自动断电或加电源开关等方法，系统结构较复杂，并且需要定期更换电池等维护。倘若需要信号发生器长时间连续运行以测试转换器的稳定性，则有可能出现电池能量耗尽。此外有源放大往往使得输出信号会由于运放的零点漂移、电池电压降低等原因而影响输出精度。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种电磁流量计无源标准信号发生器。
第一电阻、第二电阻、第三电阻串联相接，第一电阻、第二电阻的连接点上依次连接有第四电阻、第六电阻、直至第n电阻，第四电阻、第六电阻、直至第n电阻相邻连接点分别与双刀多掷开关的第一开关各个定触点相接，第二电阻、第三电阻连接点上依次连接有第五电阻、第七电阻、直至第n+1电阻，第五电阻、第七电阻、直至第n+1电阻相邻连接点分别与双刀多掷开关的第二开关各个定触点相接，第n电阻、第n+1电阻的端点的连接点与电解电容的正极相接，电解电容的负极接地，双刀多掷开关的第一开关K1动触点经第一电容、第一放电电阻、第二放电电阻、第二电容、双刀多掷开关的第二开关动触点相接，第一放电电阻和第二放电电阻接地。
本实用新型设计的电磁流量计无源标准信号发生器全部采用了无源器件，从而不需要定期更换电池等维护。当需要长时间连续运行时不会由于电池电能耗尽而停止工作。由于不存在运算放大器等有源器件，也不存在信号发生器零点漂移的问题，因而有更好的长期稳定性。
图1是电磁流量计无源标准信号发生器电路图；图2是电磁流量计无源标准信号发生器无源信号发生器原理图3是本实用新型的无源信号发生器与有源信号发生器输出信号对比图。
具体实施方式
电磁流量计是测量导电流体切割磁力线而产生的感应电动势，从而测得流量。
电磁流量计传感器的输出信号为E＝BDV(1)其中B为电极与管道轴心垂直平面上的平均磁感应强度，D为管道直径，V为被测流体的流速。
由于磁场是由交变恒流励磁电路产生的，所以B可表示为B＝KII (2)其中I为恒流源产生的电流，KI是电流与感应强度之间的系数，它由传感器的各种结构参数决定。
式(2)带入式(1)式得到E＝KIIDV＝KIDIV (3)在电磁流量计转换器设计中，假设不同口径的传感器在相同的流速下产生的信号相等。虽然实际的传感器设计中难以满足这一条件，但是只要在相同流速下输出信号是在同一数量级，那么就可以通过设置转换器中的传感器系数来实现匹配不同的传感器。标准信号发生器上只有流速档，没有传感器口径设置。由式3可知，传感器输出的电压信号E与流速V和恒流源输出的电流I成正比。也就是说，当流速恒定时，如果有一个装置可以输出与励磁电流成正比的信号，就可以用它来模拟传感器，对转换器进行标定。
如图1所示，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3串联相接，第一电阻R1、第二电阻R2的连接点上依次连接有第四电阻R4、第六电阻R6、直至第n电阻Rn，第四电阻R4、第六电阻R6、第n+1电阻Rn+1相邻连接点分别与双刀多掷开关的第一开关K1各个定触点相接，第二电阻R2、第三电阻R3连接点上依次连接有第五电阻R5、第七电阻R7、直至第n+1电阻Rn+1第五电阻R5、第七电阻R7、第n+1电阻Rn+1相邻连接点分别与双刀多掷开关的第二开关K2各个定触点相接，第n电阻Rn、第n+1电阻Rn+1的端点的连接点与电解电容C1的正极相接，电解电容C1的负极接地，双刀多掷开关的第一开关K1动触点经第一电容C2、第一放电电阻RC1、第二放电电阻RC2、第二电容C3、双刀多掷开关的第二开关K2动触点相接，第一放电电阻RC1和第二放电电阻RC2接地。
所述的第一电阻R1、第三电阻R3相等。第二电阻R2、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、直至第n电阻Rn、第n+1电阻Rn+1精度为0.05-0.1％。第四电阻R4与第五电阻R5相等、第六电阻R6与第七电阻R7相等、…第n电阻Rn与第n+1电阻Rn+1相等。第一放电电阻RC1、第一放电电阻RC2采用普通5％精度的电阻即可。并且第一电容C2与第二电容C3相等，第一放电电阻RC1与第二放电电阻RC2相等。
无源信号发生器的输出信号有三档(实际的发生器可根据原理增加更多档位)，K1和K2为联动开关。为更清楚地说明其工作原理，把它和电磁流量计转换器的部分电路画在一起，如图2所示。图2框外部分为转换器的励磁和信号输入部分原理图，画在此处以方便解释信号发生器工作原理。
图2中第二电阻R2和第一电阻R1、第三电阻R3用来取代励磁线圈，励磁电流从这3个电阻上流过。这3个电阻之和应该尽量接近实际线圈的电阻，这是为了尽量让电磁流量计的励磁电路尽量接近实际工作状态。实际工作时由于转换器所配套的传感器口径不同，线圈电阻也不可能完全相等，取这些不同线圈阻值的中间值即可。本系统中第二电阻R2为0.1％或更高精度精密电阻。第一电阻R1、第三电阻R3都为5W功率的水泥电阻，对它的精度要求很低，但应该通过筛选使得它们尽量阻值接近。第一电阻R1、第三电阻R3不能合并成一个电阻，这是因为励磁电流通过S1～S4的切换是交变流过这三个电阻的，这种3电阻结构可以使第二电阻R2的中心点的电压在电流切换方向后仍然保持不变。
第四电阻R4、第五电阻R5…第n电阻Rn、第n+1电阻Rn+1构成分压网络，对第二电阻R2上的电压进一步分压。一般(R4+R5…+Rn+Rn+1)＞＞R2，当第一开关K1和第二开关K2的位置如图2所示时，若励磁电流为I，则信号发生器输出的信号是第一开关K1和第二开关K2的公共端的电压差Vo=IR2Rn+Rn+1Σi=4n+1Ri---(5)]]>即输出电压与电流I成正比。通过合理设计分压电阻网络，这个信号可以用来模拟电磁流量计传感器的输出。需要说明的是，在第一开关K1和第二开关K2公共端输出的电压信号上面有很大的对地共模电压(由于第四电阻R4、第五电阻R5、至第n电阻Rn、第n+1电阻Rn+1分压支路上下对称，即R4＝R5、R6＝R7、…Rn＝Rn+1，所以共模电压等于第二电阻R2中心点的电压)，当S2S3闭合、S1S4断开时，此时第二电阻R2中心点的电压为VCOM1＝V1+I(RS3+R3+R2/2) (6)其中V1是恒流源I上端的电压，RS3为S3闭合时的电阻。当S1S4闭合、S2S3断开时，VCOM2＝V1+I(RS1+R1+R2/2) (7)其中RS1为S1闭合时的电阻。由于第一电阻R1与第三电阻R3相等、RS1＝RS3，所以当电流切换方向后，由式(6)和式(7)得到的共模电压不变。由此可知，RS1与RS2应该尽量相等，以使得电流切换方向后共模电压不变。
实际电路中，第一电阻R1和第三电阻R3可通过筛选电阻方便的实现其阻值尽量精确相等，但RS1与RS3是转换器内部的集成电子开关，很难保证其精确相等，因而共模成分仍然会有微小变化。为此，电路中增加了电解电容C1，它对输出信号的共模成分滤波，以降低共模信号的波动。该滤波器的时间常数为T1＝(R4+R5…Rn+Rn+1)C1/2 (8)假设励磁电流切换的频率为fEXC，则可取电解电容C1使得该滤波器对励磁频率的信号有足够的滤波效果。但时间常数T1也不应太大，若太大，则系统上电后C1需要很长时间才能充电达到稳定的电压。
图2中电容第一电容C2、第二电容C3用来隔离第一开关K1、第二开关K2输出信号的共模成分，只允许交流信号通过。而由式(6)和式(7)可知，输出信号的共模成分在电流换向前后保持不变，因而共模信号可以认为是直流。并且电容C1可进一步提高共模电压的稳定性，因而共模电压可完全被第一电容C2、第二电容C3隔离。第一放电电阻RC1和第二放电RC2构成第一电容C2和第二电容C3的对地放电回路。这是由于转换器信号放大部分(图2右侧虚线外部分电路)的输入阻抗很高，若没有第一放电电阻RC1和第二放电RC2，则系统开始工作后输出信号中含有的很高的共模电压会一直降不下来。该泻放回路的时间常数为T2＝RC1C2(9)T2的选择应该使得系统在上电后很快把输出信号的共模成分泻放掉(这需要减小T2)，另一方面要使得交流方波信号通过该电路时，在方波的平稳段不会出现电压下降(这需要增加时间常数)，该时间常数的选择需要在两者之间折中。
本信号发生器电路刚上电时需要等待一段时间才能正常工作，这段时间是由于时间常数T1和T2的存在造成的。如果希望系统上电后能够很快工作，可以用联动的开关在上电后将图2中的A、B和D点短路，同时第一放电电阻RC1和第二放电RC2对地短路，然后断开，系统将很快可以正常工作。也可以用场效应管输出的光耦来代替开关，光耦的输入则利用系统上电的上跳沿来触发使得光耦的输出导通很短时间的一段时间，以起到与开关相同的效果。但光耦的输出端的泄漏电流会对系统输出信号精度有一定的影响。
实施例若信号发生器输出信号分如下档位(米/秒)0、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、2.0、4.0、5.0、10、15。则电阻、电容为第一电阻R1与第三电阻R3都是22欧姆(5W水泥电阻)，第二电阻R2为1欧姆(0.05％精度)，第四电阻R4与第五电阻R5都是148.5K欧姆，第六电阻R6与第七电阻R7为500欧姆，第八电阻R8与第九电阻R9都是500，第十电阻R10与第十一电阻R11都是100，第十二电阻R12与第十三电阻R13都是200欧姆，第十四电阻R14与第十五电阻R15都是100欧姆，第十六电阻R16与第十七电阻R17都是50欧姆，第十八电阻R18与第十九电阻R19都是10欧姆，第二十电阻R20与第二十一电阻R21都是20欧姆，第二十二电阻R22与第二十三电阻R23都是10欧姆，第二十四电阻R24与第二十五电阻R25都是10欧姆，第二十六电阻R26与第二十七电阻R27都是0欧姆。第4电阻R4至第二十七电阻R27精度都是0.05％。电解电容C1为22μf、第一电容C2与第二电容C3都是2.2μf校正电容、第一放电电阻RC1和第二放电电阻RC2都是10兆欧姆。实验结果及结论将发明设计的无源发生器与有源发生器接到相同的转换器上，用示波器测量它们各自的波形进行对比实验。由于信号发生器输出的信号都非常微弱，因而用示波器测量转换器中信号放大电路输出。它们输出信号的波形如图3所示。
图3中第二行(REFII)和第三行(CHII)分别为有源和无源信号发生器输出信号的波形图，由图中波形可见它们完全相同。将两种信号发生器接到同一台转换器上，转换器上显示的流量也相同。实验表明本文设计的无源信号发生器可以取代有源信号发生器。
权利要求1.一种电磁流量计无源标准信号发生器，其特征在于，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)串联相接，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)的连接点上依次连接有第四电阻(R4)、第六电阻(R6)、直至第n电阻(Rn)，第四电阻(R4)、第六电阻(R6)、第n电阻(Rn)相邻连接点分别与双刀多掷开关的第一开关(K1)各个定触点相接，第二电阻(R2)、第三电阻(R3)连接点上依次连接有第五电阻(R5)、第七电阻(R7)、直至第n+1电阻(Rn+1)，第五电阻(R5)、第七电阻(R7)、直至第n+1电阻(Rn+1)相邻连接点分别与双刀多掷开关的第二开关(K2)各个定触点相接，第n电阻(Rn)、第n+1电阻(Rn+1)的端点的连接点与电解电容(C1)的正极相接，电解电容C1的负极接地，双刀多掷开关的第一开关(K1)动触点经第一电容(C2)、第一放电电阻(RC1)、第二放电电阻(RC2)、第二电容(C3)、双刀多掷开关的第二开关(K2)动触点相接，第一放电电阻(RC1)和第二放电电阻(RC2)接地。
2.根据权利要求1所述的一种电磁流量计无源标准信号发生器，其特征在于，所述的第一电阻(R1)与第三电阻(R3)相等。
3.根据权利要求1所述的一种电磁流量计无源标准信号发生器，其特征在于，所述的第二电阻(R2)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、直至第n电阻(Rn)、第n+1电阻(Rn+1)精度为0.05-0.1％。
4.根据权利要求1所述的一种电磁流量计无源标准信号发生器，其特征在于，所述的第四电阻(R4)与第五电阻(R5)相等、第六电阻(R6)与第七电阻(R7)相等、直至第n电阻(Rn)与第n+1电阻(Rn+1)相等。
专利摘要本实用新型公开了一种电磁流量计无源标准信号发生器。第一电阻、第二电阻、第三电阻串联相接，第一电阻、第二电阻的连接点上依次连接有第四电阻、直至第n电阻，第四电阻、直至第n电阻相邻连接点分别与第一开关各个定触点相接，第二电阻、第三电阻连接点上依次连接有第五电阻、直至第n+1电阻，第五电阻、直至第n+1电阻相邻连接点分别与第二开关各个定触点相接，第n电阻、第n+1电阻的端点的连接点与电解电容的正极相接，第一开关K
文档编号G01F1/56GK2869796SQ20052011722
公开日2007年2月14日 申请日期2005年12月14日 优先权日2005年12月14日
发明者王保良, 黄志尧, 徐剑波, 黄召焕 申请人:浙江大学, 余姚市银环流量仪表有限公司