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基于EFM32的電磁流量計方案

li5236 ? 來源:傳感器門戶網 ? 作者:傳感器門戶網 ? 2022-03-29 10:32 ? 次閱讀

概述

電磁流量計是一種測量導電介質體積流量的計量儀表,具有測量精度高、穩定性好、可靠性高等特點。電磁流量計除可測量一般導電液體的流量外,還可測量 液固兩相液體、高粘度液體及鹽類、強酸、強堿液體的體積流量,可廣泛應用于水泥、化工、輕紡、冶金、礦山、造紙、醫藥、給排水、食品飲料、環保等工業技術 部門,其產品的性能、質量和可靠性對上述企業的經濟效益有著重要的影響。

傳統電磁流量計一般采用8位或16位的單片機,單片機處理性能較弱和外圍接口少,同時不合適做低功耗設計;針對用電池供電的電磁流量計,系統需使用低功耗、高處理性的32 位處理器,為此以下將詳細闡述基于EFM32的電池供電的電磁流量計方案。

電磁檢測原理

電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律。在電磁流量計中,測量管內的導電介質相當于法拉第試驗中的導電金屬桿,上下兩端的兩個電磁線圈產生恒定磁 場。當有導電介質流過時,則會產生感應電壓,工作原理如圖1所示。管道內部的兩個電極測量產生的感應電壓。測量管道通過不導電的內襯(橡膠,特氟隆等)實 現與流體和測量電極的電磁隔離。

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圖1 電磁流量計原理圖

B-磁通密度;D-測量管內徑;V-流量信號(電動勢);U-液體平均軸向流速;則

根據法拉第電磁感應定律,感應電壓強度可用下面的簡式表達: V=kBLeU。

在圓形管道中,體積流量是:

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由上式可見,體積流量qv與感應電動勢v和測量管內徑D成線性關系,與磁場的磁感應強度B成反比,與其它物理參數無關。這就是電磁流量計測量導電液體體積流量的原理。

系統框架

基于EFM32的電磁流量計主要包括微控制器、流量傳感器、系統電源、信號調理電路,共4個部分,系統框圖如圖2所示。

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圖2 電磁流量計系統框架

微控制器

電磁流量計的主控MCU可以選取帶LCD驅動能力的EFM32TG840F32或EFM32G840F128,由于EFM32的產品各系列之間對應型號引 腳直接兼容,用戶可根據實際項目功能需求進行功能裁剪或升級。主控MCU通過DA輸出勵磁信號驅動流量傳感器的勵磁線圈產生磁場,并負責采集與處理流量傳 感器輸出的感應電動勢,同時可控制按鍵、顯示等人機界面;勵磁信號可采用三值低頻方波勵磁形式,如圖3所示;

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圖 3 勵磁信號波形

流量傳感器

電磁流量計的主要特點:傳感器結構簡單,沒有機械轉動測量部件;在測量過程中,不受被測介質溫度、粘度、密度以及電導率(在一定范圍內)的影響;量程范圍極寬,并只與被測介質的平均流速成正比,而與軸對稱分布下的流動狀態(層流、湍流)無關,而且反應靈敏,線性好。

系統電源

電磁流量計為電池供電,EFM32的工作電壓為1.85~3.8V,工作電壓范圍比較寬,在一些3.6V的電池供電系統中無需前端添加LDO芯片。

方案優勢

相對于傳統的8位、16位單片機實現的電磁流量計,基于EFM32實現的本方案具有以下優勢:

超低功耗

EFM32是全球最低功耗的32位微控制器,RTC、DMA可運行的EM2模式下,功耗電流僅為900nA,不運行RTC的模式下可低至600nA,而在 不保存RAM數據時更是只有20nA。同時,片上更是集成了低功耗外設:低功耗UARTI2C可運行于EM2模式下,可在CPU睡眠模式下實現數據的收 發及數據識別喚醒。由于電磁流量計為電池供電,對功耗有一定的要求,在對功耗要求比較高的場合甚至可由EFM32控制各模塊的供電,最大限度的提高其待機 時間,因此EFM32的低功耗具有明顯的優勢。

降低成本

EFM32采用ARM公司的Cortex-M3內核設計,其運算性能優異,支持硬件乘法器及除法器,支持ARM和Thumb2指令集,使程序代碼密度高, 執行效率快。片上集成有AD、DA信號采集與輸出模塊。在顯示上,EFM32集成了最高達8*36段LCD驅動,LG和GG系列可支持320*240的 16位TFT的RGB驅動,在帶顯示產品上可節省顯示驅動IC。

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