一种新型低功耗无磁流量计的设计

      1 概述

      在远传、卡式水表以及热量表中，流量传感器的设计是一个难点。目前国内研制的水表、热量表流量传感器普遍采用磁传方式将叶轮转动信号传出，由于在叶轮上安装了磁性材料，其缺点是显而易见的：

      第一，在强磁场附近，普遍出现叶轮摆动，磁传失效的现象；
      第二，由于叶轮另一端加装减速齿轮等，使叶轮转动阻力增大，使得流量计在低流速情况下计量不准，最终使得叶轮无法运转；
      第三，在热表流量传感器的设计中，由于叶轮上安装的磁性材料随着温度升高而降低，大多数磁传热水表普遍存在着高温失步现象，即丢转现象，流量测量中准确度明显降低。

      另外，由于我国供暧水质较差，水中含有大量铁锈，时间长也会大量吸附在磁性的叶轮周围，影响流量精度。

      在传感器信号采集方面，目前一般采用干簧管、霍尔元件以及最新的韦根传感器等，由于干簧管固有的机械特点，使用寿命及抗振性受到影响；霍尔元件也存在功耗及低或高流速的频率响应问题；而韦根传感器存在磁阻大的缺点，极易吸附住叶轮增加始动流量。

      上面几种传感器均不防磁，一旦被磁干扰将无法正常工作。本设计采用新型无磁电涡流流量传感器，具有结构简单、低功耗、无磁、防磁、成本低等优点，根本上解决了水表、热量表中流量采集问题。

      2 系统结构及工作原理

      本系统由叶轮、信号采集线圈及振荡器、CPU信号处理等电路组成。水中的叶轮上半周贴附一个铜片作为被感应器件。而与之隔离的仪表内用一振荡线圈作为涡流感应器件，振荡线圈为磁芯绕以4000周D0.04漆包线制成。

      当被测流体流过传感器时，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地使振荡线圈与叶轮有铜片一边与无钢片一边交替接近，由于电涡流作用影响线圈的振荡频率。

      所谓电涡流，即振荡线圈可产生了一个高频电磁场，当被测金属体的表面靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，即电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这两个磁场相互迭加就改变了原线圈的阻抗并使LC振荡器的品质因数降低，使由线圈组成的LC振荡器振荡频率发生变化，即有铜片时振荡器频率比无钢片时要低，测得这一频率的变化即可测得叶轮是处于金属铜片的一边还是无金属钢片的一边，进而由单片机计算出叶轮的转数，从而推导出流量。

      3 硬件设计

      振荡线圈与相应电路构成LC振荡器，为消除温度变化对线圈频率的影响，流量计采用两个相同的相对安装的线圈与叶轮上一个铜片产生涡流方式采集流量。为降低功耗并使涡流达到一定大小，振荡器频率选择在20kHz左右，经除干扰及整形电路处理后送入主CPU。主CPU采用美国德州仪器公司生产的16位MSP430系列单片机MSP430F133。该系列单片机具有低电压、低功耗、运算速度快等特点，其在睡眠LMP3状态静态功耗仅1~2μA左右，非常适合于使用电池的低功耗水表。热量表等的设计。为降低功耗，系统CPU平时采用睡眠状态，不给外部振荡电路供电，只有当信号采集时才给外部振荡电路供电。

      4 软件设计

      软件设计采用比较两线圈差值法当两线圈频率大于某一频率时作为一个状态，若两线圈频率相反则为另一状态，采用两次相同状态作为状态确认。线圈频率20k，周期50μs，变化范围5%=2.5μs/周期。水表最大转速按12转/s设计。

      MSP430单片机软件采用低功耗设计，电路系统采用外部32768晶体与内部DCO振荡器结合方式运行。主程序CPU以LMP3方式睡眠，采用外部32768晶体振荡器作为时钟，利用time_A定时中断每10ms唤醒CPU进行频率采样。为保证时间采集精度，采样期间CPU以LMPI方式睡眠，以内部DCO振荡器（频率1M，）作为系统时钟，靠线圈振荡上升沿唤醒CPU外部中断进行频率周期计时。频率采集采用每次采集15个周期时间总和作比较。

      软件流程图如图1所示。