专利名称：基于相关放大技术的射流流量计微弱信号提取系统及方法
技术领域：
本发明涉及射流流量计的信号检测领域，尤其涉及一种基于相关放大技术 的射流流量计微弱信号提取系统及方法
背景技术：
当前随着能源和水资源的全球性匮乏，国家南水北调工程等重点工程的启 动，全社会对水计量的要求越来越高。机械水表以其结构简单价格低等优点在 国内外得到了广泛的应用，而机械水表存在传动阻力、机械活动部件造成其精 度较低故障率较高。而射流流量计几乎没有压损，无机械可动部件，可靠性高， 同时射流流量计测量下限低，但在低流速时信号很容易受到外界干扰。
现有的射流流量计一般采用差分放大技术来提取信号，采用这种方法的优
点是微弱信号放大能力强；缺点是在空气中时容易将工频信号放大出来，容易 造成流量误计量。而采用相关放大技术的射流流量计有比差分放大技术更好的 信号放大性能，下限性能更加良好，放在空气中时也能抑制工频噪声干扰防止 误计量。
发明内容
本发明针对现有的流量检测技术的不足，提供一种基于相关放大技术的射 流流量计微弱信号提取系统及方法，使射流流量计具有下限低、计量准确、量 程宽等特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
一种基于相关放大技术的射流流量计微弱信号提取系统，它包括射流基表、 流量检测电路和U型励磁结构。所述射流基表包括第一电极、第二电极、第三 电极、阻流件、反馈通道和测量管；第一电极、第二电极、第三电极和阻流件 均安装在测量管内，第一电极和第三电极在阻流件一侧，第二电极在阻流件另 一侧。流量检测电路包括单片机、相关放大电路、AD转换电路、励磁驱动电路 和LCD显示器，单片机分别与相关放大电路、AD转换电路、励磁驱动电路和 LCD显示器相连，励磁驱动电路与U型励磁结构相连，射流基表的第一电极、 第二电极、第三电极与相关放大电路相连，相关放大电路与AD转换电路相连。
一种应用上述射流流量计微弱信号提取系统的射流流量计微弱信号提取方 法，其特征在于，包括以下步骤
(1)单片机控制励磁驱动电路，产生所需励磁磁场。(2) 电极釆集信号，将信号输入相关放大电路。
(3) 相关放大电路将电极信号放大后输入AD转换电路。
(4) AD转换电路对放大的电极信号进行模数转换，送入单片机，单片机根 据模数转换得到的数值得到流量信号，同时进行LCD显示。
本发明的有益效果是
1. 本发明将相关放大技术应用在射流流量计流量检测上，具有测量下限低、计 量准确、量程宽等特点；
2. 采用电磁检测方法具有防止管道振动、流体振动、电磁辐射等特点；
3. 采用相关放大技术能有效的抑制工频噪声干扰，在水低流速时可以较大增益 放大，有良好的水流量测量下限性能。
图1是射流基表和U型励磁结构的示意图2是本发明的电路结构示意图3是本发明的单片机接口电路图4是本发明的相关放大电路结构示意图5是本发明的励磁驱动电路图6是本发明的AD转换电路图中，1、第一电极，2、第二电极，3、第三电极，4、阻流件，5、反馈通 道，6、测量管，7、 U型励磁结构。
具体实施例方式
下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。 本发明基于相关放大技术的射流流量计微弱信号提取系统包括射流基表、 流量检测电路和U型励磁结构。
如图1所示，图中给出了射流基表结构和u型励磁结构示意图。射流基表
包括第一电极l、第二电极2、第三电极3、阻流件4、反馈通道5和测量管6。 第一电极l、第二电极2、第三电极3和阻流件4均安装在测量管6内，第一电 极1、第二电极2和第三电极3均与测量管6的管壁绝缘，第一电极1和第三电 极3安装在阻流件4一侧，第二电极2安装在阻流件4另一侧。U型励磁结构7 通过在磁芯外绕线圈构成，安装在射流基表侧旁通孔中，在三个电极附近产生 交流磁场。
如图2所示，图中给出了励磁部件和流量检测电路的整体结构示意图。流 量检测电路包括单片机、相关放大电路、AD转换电路、励磁驱动电路和LCD显示器，单片机分别与相关放大电路、AD转换电路、励磁驱动电路和LCD显
示器相连，励磁驱动电路与u型励磁结构相连用以产生交变的磁场。射流基表
的第一电极l、第二电极2、第三电极3与相关放大电路相连，相关放大电路与 AD转换电路相连。
如图3所示，本发明的单片机可以采用美国TI公司的MSP430F4XX系列单 片机，但不限于此。下面以MSP430F436为例，说明微功耗电路的实现。在CMOS 器件中，功耗尸与系统时钟频率/成正比，Poc)/2/，其中K是电源电压。 一般 单片机的工作电压是不变的，所以要尽可能地降低系统时钟频率/。因此， MSP430F436只接低频晶振LFXT1 = 32. 768KHz，不接高频晶振XT2。 MSP430F436 需要高速运行时，通过MSP430F436的FLL+提供高频系统时钟。MSP430F436的 BP0、 BP1、 BP2、 BP3、 S0、 Sl、 S2、…、S25与段码式液晶LCD显示器相连功耗 只需要几个uA， MSP430F436的0PEN、 CLOSE与励磁驱动电路相连，REF2、 REF1 引脚与相关放大电路相连，DIN、 D0UT、 DRDY、 SCLK、 CS、 RESET引脚与AD转换 电路相连。
如图4所示，图中给出了相关放大电路的结构示意框图。本发明中使用的 相关放大电路包括差分放大电路、带通滤波电路、同相放大电路、第一乘法器 电路、第二乘法器电路、第一低通滤波器电路、第二低通滤波器电路，差分放 大电路、带通滤波电路、同相放大电路依次相连，同相放大电路分别与第一乘 法器电路和第二乘法器电路相连，第一低通滤波器电路与第一乘法器电路相连， 第二低通滤波器电路与第二乘法器电路相连。
差分放大电路可选择ICL7650芯片进行搭建，带通滤波电路可选择MAX268 芯片进行搭建，同相放大电路可选择ICL7650芯片进行搭建，乘法器电路可选 择AD630芯片进行搭建，低通滤波电路可选择MAX291芯片进行搭建，但不限于 此。单片机给第一乘法器电路、第二乘法器电路分别提供两路参考信号REF1、 REF2，该两路参考信号都采用与励磁信号同频率的方波信号，两路信号REF1、 REF2在相位上相差90° 。低通滤波器的输出信号認l， AN2与AD转换电路相连。
电极得到的信号是水流过射流水表时，在水表电极附近产生周期性变化 (频率为f)的水流，同时由于通过励磁电路产生周期性变化(频率为F)的磁 场。由导电流体在磁场中运动性质￡ = ^^，励磁磁场频率F相对电极周围水流 变化频率f为高频，电极得到的有效信号即相当于将将频率为f的信号经过调 制，而该有效信号是微弱的，被淹没在大的噪声中。
相关放大电路的原理是差分放大电路可将电极得到的信号进行差分放大， 同时消去第一电极、第三电极共同的噪声信号。带通滤波电路可对噪声信号进行进一步滤除增强信噪比。再进行同相放大电路可对信号进行进一步放大，进 一步进行乘法器和低通滤波器能得到有效信号并能对噪声信号进行最大限度的 滤除。采取两路乘法器和低通滤波器的好处是能保证至少其中一路信号的完整 性，防止参考信号和有效信号相位差90。带来有可能检测不到信号的情况。
如图5所示，励磁驱动电路包括2个PNP三极管Q4、 Q5， 4个NPN三极 管Q6、 Q7、 Q8、 Q9， 6个电阻R35、 R36、 R37、 R38、 R39、 R40，两个电容 C12、 C13。励磁驱动电路的连接关系为电阻R38和电阻R39的一端连接到单 片机的两个管脚OPEN、 CLOSE, R39的另一端与电容C12、三极管Q7的基极 相连，R38的另一端与电容C13、三极管Q4的基极相连，电容C12和电容C13 的另一端接地。三极管Q7的集电极与三极管Q5的基极、电阻R35相连，三极 管Q6的集电极与三极管Q4的基极、电阻R36相连，电阻R35和电阻R36的 另一端、Q4和Q5的发射集与供电电源VCC相连，三极管Q4的集电极与三极 管Q9的集电极相连，三极管Q5的集电极与三极管Q8的集电极相连，三极管 Q5的集电极与MOTER+引脚相连，三极管Q4的集电极与MOTER-引脚相连， MOTER+、 MOTER-引脚与励磁线圈相连用来控制磁场。三极管Q8的基极与三 极管Q6的发射极、电阻R41相连，三极管Q9的基极与三极管Q7的发射极、 电阻R40相连，三极管Q9的发射极和三极管Q8的发射极、电阻R40和电阻 R41的另一端接地。
如图6所示，AD转换电路包括一个AD转换芯片U10， 一个参考电平芯片 Ull， 7个电容C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7， 一个晶振OSC， AD转换芯片 可选择MAXIM公司的MAX7705芯片，参考电平芯片可选择MAXIM公司的 MAX6002芯片。AD转换电路的连接关系为AD转换芯片U10的引脚DIN、 DOUT、 DRDY、 RESET、 CS和SCLK与单片机相连，AN1和AN2与相关放大 电路相连。Cl、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7为滤波电容，电源VCC给AD转 换芯片U10和参考电压芯片Ull供电，Ull的参考电平输出端OUT与AD转换 芯片REF端相连，在AD转换芯片CLKI和CLKO端接晶振OSC， OSC两端分 别接电容Cl和电容C4的一端，电容Cl和电容C4的另一端接地。
本发明的基于相关放大技术的射流流量计微弱信号提取方法，包括如下步
骤
1.单片机控制励磁驱动电路，产生所需励磁磁场
如图5所示，单片机通过OPEN、 CLOSE引脚与励磁驱动电路相连，励磁 驱动电路的输出引脚MOTOR+、MOTOR-引脚与如图1所示U型励磁结构相连。 通过控制单片机的OPEN、 CLOSE引脚产生方波信号，可以得到与方波信号同2. 电极采集信号，将信号输入相关放大电路
通过在射流基表上安装三个电极，其中第一电极、第三电极为信号采集端， 第二电极为参考地端。如图4所示，第一电极、第三电极通过导线连接到相关 放大电路前级差分放大电路的差分放大输入端，第二电极连接到相关放大电路 的地端。
3. 相关放大电路放大电极信号
相关放大电路先将电极信号经过差分放大，将差分放大得到的信号进行带 通滤波，带通滤波能提高信噪比。然后将带通滤波得到的信号进行同相放大，
同相放大的信号送入乘法器1、乘法器2，其中乘法器1将单片机参考信号REF1 与同相放大得到的信号相乘，乘法器2将单片机参考信号REF2与同相放大得到 的信号相乘，两路乘法器输出的信号分别与两路低通滤波器相连，经过乘法器 和低通滤波器的电路相当于进行二次滤波可进一步提高信噪比。最后相关放大 电路得到两路放大信号AN1、 AN2。
4. AD转换电路对放大的电极信号进行模数转换，送入单片机，单片机根据 模数转换得到的数值得到流量信号，同时进行LCD显示。
如图6所示，相关放大电路的两路放大信号AN1、 AN2分别与AD转换电 路的AN1、 AN2端口相连，进行模数转换，将模拟电压信号转换成数字信号。 转换得到的数字信号送入单片机，单片机根据AD转换得到的数值，判断AN1 和AN2信号的频率，从而可以得到计算得到流量信号，同时可以进行LCD显 示。
这样，基于相关放大技术的射流式流量计系统的工作流量如下水流过测 量管时，产生振荡。电极周围产生周期性变化的水流信号，根据射流式水表的 原理水流的平均流速正比于水的振荡频率f，即K-《/，其中《为仪表系数。同 时通过单片机产生频率为F的励磁信号驱动线圈使之产生交变磁场B作用于射
流式水表， 一般励磁的磁场频率F远大于水的振荡频率f。由于水具有弱导电性， 从而切割磁力线电极上的产生感应电动势，电动势计算公式为五=^^，由于B 是频率为F的周期性变化的信号，而V是频率为f的周期性变化的信号，L为 常数和仪表特性有关。得到的感应电动势E相当于将频率为f的基带信号进行 调制，经过相关放大电路的解调放大作用，能有效抑制噪声放大有效信号，测 出的水的振荡频率f，从而可计算得到水的平均流速V。根据单片机可相应的计 算累积流量，同时水表上有LCD显示器可以进行累计流量、瞬时流量的显示。采用相关放大技术来计量流量的好处是根据有效信号跟参考信号相关， 而噪声信号跟参考信号不相关这一特性，能很大限度的抑制噪声信号提高信噪
比，从而使仪表有良好的下限流量测量性能。如当进入50HZ的工频噪声信号时， 我们选择励磁频率为420HZ,水在射流流量计腔体中振荡的频率为0.1~60HZ，可 以知道电极得到的有效流量信号的频谱在360HZ 480HZ，可选择差分放大后级 的带通滤波器带通为350HZ 500HZ,有效流量信号能顺利通过带通滤波器，而 工频噪声信号则被带通滤波滤除。带通滤波后可以对信号进一步放大，再通过 乘法器和低通滤波器的解调作用得到有效的流量信号。采用相关放大方法能够 有效的抵抗工频干扰和高频的流动噪声干扰，以比较大的增益放大电极上的有 效流量信号，较低的流量信号检测得以实现。
权利要求
1、一种基于相关放大技术的射流流量计微弱信号提取系统，其特征在于，它包括射流基表、流量检测电路和U型励磁结构。所述射流基表包括第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)、阻流件(4)、反馈通道(5)和测量管(6)。第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)和阻流件(4)均安装在测量管(6)内，第一电极(1)和第三电极(3)在阻流件(4)一侧，第二电极(2)在阻流件(4)另一侧。流量检测电路包括单片机、相关放大电路、AD转换电路、励磁驱动电路和LCD显示器，单片机分别与相关放大电路、AD转换电路、励磁驱动电路和LCD显示器相连，励磁驱动电路与U型励磁结构相连，射流基表的第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)与相关放大电路相连，相关放大电路与AD转换电路相连。
2、 根据权利要求1所述基于相关放大技术的射流流量计微弱信号提取系统， 其特征在于，所述相关放大电路包括差分放大电路、带通滤波电路、同相 放大电路、第一乘法器电路、第二乘法器电路、第一低通滤波器电路和第 二低通滤波器电路。差分放大电路、带通滤波电路、同相放大电路依次相 连，同相放大电路分别与第一乘法器电路和第二乘法器电路相连，第一低 通滤波器电路与第一乘法器电路相连，第二低通滤波器电路与第二乘法器 电路相连。射流基表的第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)与 差分放大电路相连。
3、 根据权利要求1所述基于相关放大技术的射流流量计微弱信号提取系统， 其特征在于，所述励磁驱动电路包括两个PNP三极管Q4、 Q5，四个NPN 三极管Q6、 Q7、 Q8、 Q9,六个电阻R35、 R36、 R37、 R38、 R39、 R40 和两个电容C12、 C13。其中，电阻R38和电阻R39的一端连接单片机， R39的另一端与电容C12、三极管Q7的基极相连，R38的另一端与电容 C13、三极管Q4的基极相连，电容C12和电容C13的另一端接地。三极 管Q7的集电极与三极管Q5的基极、电阻R35相连，三极管Q6的集电极 与三极管Q4的基极、电阻R36相连，电阻R35和电阻R36的另一端、 Q4和Q5的发射集与供电电源VCC相连，三极管Q4的集电极与三极管 Q9的集电极相连，三极管Q5的集电极与三极管Q8的集电极相连，三极 管Q5的集电极与MOTER+引脚相连，三极管Q4的集电极与MOTER-引 脚相连，M0TER+、 MOTER-引脚与励磁线圈相连用来控制磁场。三极管 Q8的基极与三极管Q6的发射极、电阻R41相连，三极管Q9的基极与三极管Q7的发射极、电阻R40相连，三极管Q9的发射极和三极管Q8的发 射极、电阻R40和电阻R41的另一端接地。
4、 一种应用权利要求1所述射流流量计微弱信号提取系统的射流流量计微弱 信号提取方法，其特征在于，包括以下步骤(1) 单片机控制励磁驱动电路，产生所需励磁磁场。(2) 电极采集信号，将信号输入相关放大电路。(3) 相关放大电路将电极信号放大后输入AD转换电路。(4) AD转换电路对放大的电极信号进行模数转换，送入单片机，单片机根 据模数转换得到的数值得到流量信号，同时进行LCD显示。
全文摘要
本发明公开了一种基于相关放大技术的射流流量计微弱信号提取系统及方法，它采用相关放大技术作为射流流量计的信号处理方式，通过在测量管中安装一个阻流件，阻流件的前侧和后侧分别安装第一电极、第三电极和第二电极，在测量管上面安装一个U型励磁结构，将其与励磁驱动电路连接可进行励磁控制，第二电极通过导线连接到相关放大电路的地端，第一电极、第三电极连接到相关放大电路的差分放大输入端，相关放大电路的输出端分别与AD转换电路、单片机电路相连，AD转换电路接到单片机电路。单片机电路还提供LCD显示等功能。这种方法使射流流量计有下限低、量程宽、精度高等特点。
文档编号G01F1/56GK101619992SQ20091010093
公开日2010年1月6日 申请日期2009年8月10日 优先权日2009年8月10日
发明者戴华平, 朱凌平, 陆秋平 申请人:浙江大学