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提高電磁流量計測量精度與可靠性的方法

來源:作者:发表时间:2019-08-13 14:53:18

摘要:電磁流量計用來測量各種介質流體的流量,再累積計算,作爲供方的收費依據。通過模擬信號處理、校准來提高測量精度,滿足國家計量檢定標准。同時,在PCB布線和程序設計方面進行優化,提高可靠性。
 
0引言
電磁流量計[1]的作用是通過對流量變送器以及用于補償的溫度、壓力變送器的模擬信號、脈沖信號和數字信號進行采集、處理,然後用相關的數學模型計算出瞬時流量、累積流量等,並進行顯示、存儲和數據傳輸。在貿易算領域使用的電磁流量計根據供需雙方的約定,會有更多的功能。但無論如何,供需雙方對積算儀的測量精度,可靠性更爲關注,因爲這直接涉及雙方的經濟利益。對此,BG真人大游通過模擬信號處理、校准、PCB布線、參數備份與校驗等方面的設計,來確保精度和可靠性符合用戶要求。
 
1提高測量精度的措施
1.14~20mA模擬信號的處理
4~20mA電流環由于其衆所周知的優點,在工業現場被廣泛使用。在流量測量領域,很多變送器都支持4~20mA信號輸出。電磁流量計對該信號的采集處理比較簡單,就是將電流信號通過采樣電阻轉換爲電壓信號。然後送入A/D轉換器,轉換爲數字信號。電路原理如圖1所示。
電路特點:
(1)采用高精度、低溫漂的采樣電阻確保在整個溫度範圍內(-10~55℃)都滿足精度指標,見表1;
(2)采用差分信號輸入到A/D轉換器,有效降低共模幹擾;
(3)采用壓敏電阻和TVS二級保護,避免雷擊浪湧損壞後級電路,提高穩定性。
1.2PT100熱電阻信號處理PT100熱電阻用來測量介質的溫度,進而獲取密度等補償參數。它的優點是結構簡單、穩定性好、抗幹擾能力強。
熱電阻一般采用恒流源激勵的方式,將阻值變化轉換爲電壓變化的信號。爲了確保激勵電流不會使熱電阻本身發熱而導致測量誤差,需要使用≤1mA的恒流源[2]。圖2展示了一個由四個運放構成的PT100測溫電路[3],該電路適合三線制熱電阻。
4~20mA 模拟信号处理电路
4~20mA和PT100信号误差测试表
從圖2可以看出,運放D1A、D1B和參考電壓源Vref_2.5V共同構成了一個恒流源,Iref=2.5/2700=0.9259mA。D1C用于消除引線電阻,而運放D1D及其外圍器件則構成了帶增益的Sallen-Key濾波器。由于采用了精密基准電壓(2.5V)、電阻,低零漂運放等措施,整個電路在10~320Ω範圍內經校准後,相對誤差**大值爲-0.16%。
1.3校准方法的改進
为了确保電磁流量計测量的准确性,出厂前都需要用符合精度要求的标准信号源对仪表进行校准。校准主要是为了修正将一些已知的数据作为常量参与运算而引入的误差。例如,将参考电压2.5V和采样电阻100Ω作为常量计算出实际的测量电流和电阻。实际上,BG真人大游知道参考电压永远不可能是准确的2.5V,而采样电阻也永远不可能是准确的100Ω。同样只要把一些器件提供的参数作为常量进行运算,如果要达到一定的精度,都是需要校准的。
以往,BG真人大游都是對信號的零點和滿量程點進行校准。例如:測量4~20mA信號時,在0mA點和20mA點進行校准。但是,根據實際的經驗和不斷測試,BG真人大游發現將校准點的下限選擇爲實際使用值而非0點,更能提高測量精度,實際上也更符合要求。有兩點原因:
(1)通常情況下,越接近量程的下限,相對誤差就越大。毫無疑問選擇0點進行校准相對誤差是**大的,而把一個相對誤差**大的值作爲校准點是不合適的。
(2)任何信號都有一個量程範圍或者說常用範圍。如電流環的4~20mA,熱電阻的10~320Ω,BG真人大游**爲關注這個範圍內的測量精度,因此只要在此範圍內進行校准即可。這也是BG真人大游可以將校准點下限選擇在4mA或者10Ω的原因。
經過以上改進,模擬量4~20mA和PT100熱電阻的測量精度有了一定的改善,特別是在量程下限的時候。測試數據如表1所示。
1.4隔離與PCB布局
1.4.1隔離措施
電磁流量計是一个数模混合电路,数字电路的高频噪声很容易对模拟信号造成干扰[4]。因此,在设计之初就应该系统地考虑信号类型、信号走向等。能降低高速数字电路对模拟电路干扰的方法有很多,如模块化设计、处理好接地、合理的PCB布局、采用模数隔离等。在此,主要谈一下模数隔离,局部电路如图3所示。D3是一个磁隔离器件,实现模拟电路与数字电路的电气隔离,从而完全避免了数字电路对模拟信号的干扰。实际上在BG真人大游的電磁流量計中采用数模隔离设计不仅仅是为了降低数字电路对模拟的干扰,更重要的是将外部传感器的“地”与MCU数字的“地”隔离开,避免复杂的电磁干扰通过传感器的电缆进入积算仪内部,从而提高系统的稳定性。
1.4.2PCB布局
良好的PCB布局对电子产品来说是至关重要的。不仅涉及系统能否正常工作,精度能否满足要求,还涉及EMC和EMI等问题。在PCB布局时应根据功能模块、信号流向、隔离等进行考虑,精心的布局是一款产品成功的关键。对含有高精度A/D转换电路的系统来说,更要细心规划。不管是数字电路还是模拟电路,处理好“地”都显得尤为重要[2],在電磁流量計的PCB布局中,BG真人大游专门为数字电路和模拟电路都设计了“地”平面,从而可以降低“地”阻抗,为信号回流提供低阻抗回路。
 
2提高可靠性的措施
2.1采用硬件看門狗
在無人值守的産品中,采用看門狗電路避免系統死機,這是硬件工程師都熟知的,這裏不再贅述。但是,看門狗還需要程序來支持,如何“喂狗”,如何能對所有的任務都能監控,在程序設計時是值得好好思考的[5]。對此,BG真人大游采用以下策略:
(1)對于無操作系統的前後台程序,將“喂狗”的操作放在主循環中;
(2)對于比較耗時的任務,單獨“喂狗”,避免任務結束前就導致看門狗複位;
(3)不在中斷子程序中“喂狗”。
2.2參數處理
贸易结算用的電磁流量計,其参数至关重要,因为这直接涉及计量的准确性。为此,BG真人大游也采取以下措施来确保参数不丢失,不出错。
(1)将参数保存在两种不同类型的非易失性存储器中。在電磁流量計中,是分别保存在EEPROM和FRAM中,形成双备份,从而降低参数丢失的概率。
(2)對寫入的參數做CRC校驗,並將CRC校驗值一同保存。在加載參數時根據CRC來確認參數是否正確,若不正確則先使用默認參數,並通過通信手段主動向監控端上報,提醒用戶盡快幹預,從而將損失降到**低。
(3)對于加載到RAM中的參數,同樣做CRC校驗,程序在運行過程中定時核對,若發現錯誤則重新從EEPROM或FRAM中加載參數。
 
3結論
通过以上措施,電磁流量計的计量精度和可靠性都有了很大保障。配合以太网或4G通信等组网方式,可以将积算仪安装在无人值守的测量站点,实时监控,给用户带来很大的方便。