基于快速傅里叶变换的高精度电磁流量计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流量检测领域，具体涉及一种基于快速傅里叶变换的高精度电磁流量
i+o
【背景技术】
[0002 ]电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表。电磁流量计广泛采用的励磁方式有低频方波励磁和三值波励磁。这两种励磁方式在一定程度上克服了正交干扰、微分干扰、同相干扰、串模干扰等等干扰信号，提高了测量精度，但是在低流速时，由于传感器信号微弱，使得传感器输出信号的信噪比下降，传统的测量方式无法区分出干扰信号和流量信号，使得电磁流量计量程比和微小流量高精度测量受到限制。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是:提供一种基于快速傅里叶变换的高精度电磁流量计，采用快速傅里叶变换(FFT)分析方法分析出混有干扰信号的流量信号频谱，根据流量信号和励磁信号的频率一致，在流量信号频率已知的基础上将干扰信号和流量信号分离出来，通过FFT运算流量信号的幅值，扩展电磁流量计量程比，实现微小流量高精度测量。
[0004]本发明的技术解决方案是:该基于快速傅里叶变换的高精度电磁流量计包括开关电源电路、主控电路、励磁电路、前置放大电路、频率输出电路、报警输出电路、4?20mA输出电路、HART通信电路和RS485通信电路，主控电路上依电回路方式联接开关电源电路、励磁电路、前置放大电路、频率输出电路、报警输出电路、4?20mA输出电路、HART通信电路和RS485通信电路，整体构成电磁流量计的电回路。
[0005]本发明的优点是:
1、开关电源电路将市电220￥变换成+14￥、-14￥、+5￥、+25￥，再通过稳压芯片稳压成+
12V、-12V、+3.3V、+24V，给励磁电路、前置放大电路、频率输出电路、报警输出电路、4?20mA输出电路、HART通信电路、RS485通信电路提供电源。
[0006]2、励磁电路为传感器线圈提供低频方波励磁。
[0007]3、前置放大电路将流量信号经过放大滤波后通过AD变换成数字量然后FFT运算计算出流速流量再由4?20mA输出电路实现模拟远传，也可以通过频率输出电路和HART通信电路、RS485通信电路实现数字远传。
[0008]4、采用快速傅里叶变换FFT算法数字信号处理技术，实现电磁流量信号从时域到频域转换，将模拟信号处理转换成数字信号处理，通过频谱分析能够在微小流量测量时准确的将流量信号分离出来，扩宽量程比，实现微小流量的高精度测量，具有测量精度高、可靠性高、一致性好、设计灵活等优点。
【附图说明】
[0009]图1为本发明硬件框图。
[0010]图2为本发明电源整流滤波电路。
[0011]图3为本发明开关电源电路。
[0012]图4为本发明励磁电路。
[0013]图5为本发明前置放大电路。
[0014]图6为本发明4?20mA输出电路。
[0015]图7为本发明RS485通信电路。
[0016]图8为本发明HART通信电路。
[0017]图9为本发明主控电路。
[0018]图10为本发明频率输出电路。
[0019]图11为本发明报警输出电路。
[0020]图12为本发明励磁控制和AD采样控制时序图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图详细说明本发明的【具体实施方式】。
[0022]本发明的核心是:将快速傅里叶变换技术应用到电磁流量计信号处理上，由电磁流量计的原理可知感应电动势的大小与流体流速成正比，常规的方案是直接测量感应电动大小然后计算出流量，本发明根据信号频率和励磁频率一致的特性，通过快速傅里叶变换算法实现数字滤波直接将对应励磁频率的流量信号的幅值计算出来。
[0023]本发明的总体硬件框图如图1所示，包括开关电源电路、主控电路、励磁电路、前置放大电路、频率输出电路、报警输出电路、4?20mA输出电路、HART通信电路和RS485通信电路，主控电路上依电回路方式联接开关电源电路、励磁电路、前置放大电路、频率输出电路、报警输出电路、4?20mA输出电路、HART通信电路和RS485通信电路，整体构成电磁流量计的电回路。
[0024]本发明的电源电路设计性能关系到整个流量计的性能。流量计电路需要多组不同的电压，有的电压相互直接还需要隔离，电源的纹波系数直接影响放大电路的灵敏度，所以相比较其他仪表电源电路要复杂的多。开关电源电路的前端电路如图2所示，整流滤波电路的连接关系是:220V接插件Jl的一端接热敏电阻RTl，中间直接接地，另一端接保险丝FUl;RTI的另一端接压敏电阻RVl、RV3和电容C5、滤波电感输入脚的一端;压敏电阻RV3的另一端接气体放电管和压敏电阻RV2的一端;保险丝FUl的另一端接压敏电阻RVl、RV2和电容C5、滤波电感输入的另一端;气体放电管的另一端接地;滤波电感输出的一端接电容C3、C4和整流桥DI的交流输入一端;滤波电感输出另一端接电容C4另一端接C6—端和整流桥DI交流输入另一端；电容C3和C6另一端接地;整流桥DI输出一端接电容C9正端，整流桥DI另一端接电容C9负端;电容CYl—端接电容C9正端;一端接电容C9负端。
[0025]图3为开关电源电路，产生需要的+12V、-12V、+24、+25V、5V，其电路连接关系是:电容C22正端接Zl TL431的负输入端和电阻R7的一端、电阻R8的一端、光耦U33输入负端；电容C22负端接ZI的正端电阻Rl O的一端;ZI的参考端接电阻Rl O的另一端和电容C8的一端、电阻R9的一端；电阻R9的另一端接电容C7的一端；电容C8的另一端接电阻R8的另一端；电阻R7的另一端接电阻R6的一端；电阻R6的另一端接光耦U33输入正端;光耦U33的输出一端接电容C12正端和电阻R2的一端；电容C12的负端接高频变压器T13脚;高频变压器T13脚和电容C9的负接相连；电阻R2的另一端接二极管VDl负端；二极管VDl正端接高频变压器T14脚;光耦U33另一端接电容C25—端和Rll的一端和开关电源芯片Ul的I脚;C25另一端接C26负端接电容C9负端；电容C26正端接电阻Rll另一端;开关电源芯片Ul的3、4、5脚接电容C9负端;开关电源芯片Ul的2脚接R5的一端;R5的另一端接C9的正端;开关电源芯片Ul的7脚接二极管D3的正端和高频变压器T12脚;D3的负端接Rl的一端;Rl的另一端和瞬态管D2的负极、R3的一端、C1的一端接接;D2的另一端和R3的另一端和C1的另一端和高频变压器TI的I脚连接；TI的5脚接二极管VD2的正级;二极管的负极和电容Cl 3正级、电感L2的一端连接;Tl的6脚接和Cl 3的负极、Cl 7的负极、C23的一端连一起;L2的另一端接Cl 7的正级接C23的另一端;TI的7脚接VD6的正级;VD6的负极和电容Cl I的正级和电感L6的一端连接；电感的另一端接电容C21的正级和C7的一端;Tl的8脚和Cl I的负端、C21负端、C7的另一端连接;Tl的9脚接二极管VD3的正级;VD3负端接电容C14正端、电感L3—端；电感L3另一端接电容C18正端和电容C24一端；电容C24另一端和C18负端、C14负端、Tl的10脚连接;Tl的11脚连二极管VD4的正端；VD4的负端和电容C15正端、电感L4一端连接;电感L4另一端和电容C19正端和电容Cl的一端连接;电容Cl的另一端和C19的负端、C15的负端、Tl的12脚连接;Tl的12脚和电容C16正端、电容C20正端、电容C2的一端连接;Tl的13脚和二极管VD5的负端连接;VD5正端和电容C16负端电感L5的一端连接;电感L5另一端和电容C20的负端，电容C2的另一端连接。
[0026]本发明的励磁电路对磁场的稳定性有影响，因而对流量信号精度产生影响；本发明采用开关式恒流励磁方式，提高了磁场的稳定性，为高精度测量奠定基础;如图4所示，励磁电路的连接关系是:M0S管Q13的D极和电阻R17的一端和MOS管QlO的G极相连;MOS管Q13G级和OPl连接;Q3的S极和电阻R29—端和电阻R30的一端和MOS管Q12的S极连接;R29的另一端和MOS管Ql IG极和MOS管QlO S极连接;MOS管Ql I的D极和MOS管Q7的S极连接;Ql I的S极和MOS管Q14的S极连接;MOS管Q14的D极和MOS管Q6的S极连接;MOS管Q14的G极和电阻R30