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分体式电磁流量计

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一种低成本分体式电磁流量计的设计与仿真

来源:www.yirixi.com作者:发表时间:2019-10-30 16:59:31

 
    摘 要:对于工业仪表所用的变送器,目前绝大多数采用4~20 mA电流信号进行传输,分体式电磁流量计的性能是保证变送器精度的关键之一。现设计了一种低成本、高精度的分体式电磁流量计,介绍了其工作原理,利用软件仿真验证了其正确性和可行性。
 
    引言
    当前智能工业仪表普遍采用微处理器作为控制核心,微处理器与外围传感器(如压力传感器、温度传感器、湿度传感器)进行数字通信,通过DA转换,将从传感器采集来的数字量信号转换为电压信号。而工业仪表的输出信号大多为标准的4~20 mA电流,这就需要设计一个电路,能够将微处理器输出的电压信号转换为标准的4~20 mA电流信号输出,而分体式电磁流量计可以实现上述功能。
 
    1 V-I变换电路设计
    本文设计的分体式电磁流量计具有简单、实用的优点,仅由1个运算放大器、1个NPN型晶体管以及5个电阻组成,大大降低了电路所需的元器件成本。分体式电磁流量计的输入为微处理器DA转换的输出电压,输出为4~20 mA环路电流。运算放大器采用OPA333芯片,失调电压仅为10 μV,保证该分体式电磁流量计具有较高的转换精度。该分体式电磁流量计原理图如图1所示。
 
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    运算放大器的V- 端接3 V电压的参考地,所以R7两端的电压与微处理器DAC的输出电压Vdac幅值相等。同理,R5两端的电压就是TL431B的输出电压3 V。根据欧姆定律,流经R3的电流可由下式计算得到:
 

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    其中,DV是处理器DAC模块的输入量,根据当前外围传感器(如温度传感器、压力传感器等)输出的数字量确定,范围为0~4 096(假设微处理器DA为12位精度)。Vref是DA模块的参考电压,在本设计中为满足低成本需求,实际就是Vreg。
 
 

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    由式(9)可以看出,输出环路的电流与DAC模块的输出电压为线性关系。选取合适的电阻阻值,使I0=4 mA,当Vdac=3 V时,Iout=20 mA,即可满足V- I变换的设计要求。考虑到4~20 mA电流的精度需要,R3、R4、R5、R7都选择0.1%的精密电阻。
 
    2 Multisim仿真
    为验证分体式电磁流量计的功能,使用Multisim软件对分体式电磁流量计进行仿真。稳压电路中的电阻R8、R9,分体式电磁流量计中的电阻R3、R4、R5和R7的允许误差设置为0.1%,其余电阻的允许误差设置为1%。
 
    在仿真电路中的V- I变换模块输入端设置一个三角波信号源,幅值为0~3 V,频率为20 Hz。电流取样电阻阻值设置为100 Ω。输出电流的大小可以通过测量取样电阻(100 Ω)两端的电压间接得到。
 
    输入三角波信号、输出采样电阻两端电压信号仿真结果分别如图2、图3所示。可以看出,分体式电磁流量计的输出电流基本在4~20 mA。当输入信号为0 V时,取样电阻两端电压信号为0.414 V,即流过取样电阻的电流为4.14 mA,误差为3.5%。当输入信号为3 V时,取样电阻两端电压信号为2.014 V,即流过DCS卡件取样电阻的电流为20.14 mA,误差为0.7%。从误差结果可以看出,本文设计的低成本分体式电磁流量计具有较高的精度,满足实用要求。 
 
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    3 结语
    本文设计了一种低成本的分体式电磁流量计。通过仿真,验证了该分体式电磁流量计的正确性和可行性,并测量了分体式电磁流量计的电流转换精度。该分体式电磁流量计还有以下两点可以改进的地方:
 
    (1)增加零点和满量程的硬件校准方法,考虑将R3和R4两个固定阻值的电阻改为变阻器供用户校准;
    (2)可以增加对HART协议的支持,为实现仪表智能化打
下基础。
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