基于間歇?jiǎng)?lì)磁和信號(hào)重構(gòu)的電磁水表變送器研制

于新龍, 徐科軍, 許 偉, 吳建平，閆小雪

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

1 引 言

電磁水表是一種基于電磁感應(yīng)原理的流量測(cè)量?jī)x表,主要用于生活用水的測(cè)量,以取代機(jī)械式水表。機(jī)械水表依靠水流推動(dòng)表內(nèi)機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)來測(cè)量用水量,始動(dòng)流量大,測(cè)量準(zhǔn)確度低,易磨損,跑冒滴漏現(xiàn)象嚴(yán)重。電磁水表具有管道內(nèi)無阻擋體、始動(dòng)流量低、測(cè)量準(zhǔn)確度高、不易磨損和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),能夠提高水計(jì)量的準(zhǔn)確性,在生活用水計(jì)量中具有很大優(yōu)勢(shì)。電磁水表與普通的電磁流量計(jì)具有相同的原理和類似的結(jié)構(gòu),但是,由于應(yīng)用場(chǎng)合的不同,電磁水表與普通電磁流量計(jì)在測(cè)量要求和技術(shù)指標(biāo)方面有著明顯的不同。

1)量程比。普通電磁流量計(jì)的量程比一般為20～25,而電磁水表的量程比為400左右[1]。

2)流量的測(cè)量下限。普通電磁流量計(jì)測(cè)量是流速下限一般為0.5 m/s,要求高的為0.3 m/s[2]；而電磁水表的測(cè)量下限要做到30 mm/s,要求高的為20 mm/s。

3)功耗。生活用水計(jì)量的大部分應(yīng)用場(chǎng)合難以接入電網(wǎng),所以電磁水表一般采用電池供電[1]。這就要求電磁水表必須大幅度降低功耗,而為了降低功耗,電磁水表的勵(lì)磁電流一般降到20～40 mA,遠(yuǎn)低于電磁流量計(jì)在流量測(cè)量時(shí)的勵(lì)磁電流[3～5]。

4)傳感器信號(hào)微弱。和普通電磁流量計(jì)相比, 電磁水表由于勵(lì)磁電流小,導(dǎo)致傳感器的原始信號(hào)幅值較小,而電磁水表的測(cè)量下限又遠(yuǎn)低于普通電磁流量計(jì),這導(dǎo)致電磁水表小流量測(cè)量時(shí)的信號(hào)非常微弱,小流速測(cè)量時(shí)受干擾影響很大。因此,做到穩(wěn)定、精確地測(cè)量小流速是比較困難的[6]。

雖然國(guó)外公司已經(jīng)生產(chǎn)出了電磁水表,并給出性能指標(biāo),但是,均沒有披露具體的技術(shù)細(xì)節(jié)。對(duì)電磁水表進(jìn)行深入研究的論文非常少。文獻(xiàn)[7]簡(jiǎn)單介紹了電磁水表具有低功耗和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)；文獻(xiàn)[8]簡(jiǎn)單介紹了MSP430單片機(jī)在新型智能水表中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[9,10]介紹了電磁水表的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)；文獻(xiàn)[11]為電磁水表設(shè)計(jì)了一款霍爾效應(yīng)傳感器來消除噪聲干擾,降低功耗。但是,上述文獻(xiàn)均未涉及電磁水表變送器的研制。為此,設(shè)計(jì)間歇?jiǎng)?lì)磁方式,每周期一次三值波勵(lì)磁,以降低勵(lì)磁功耗,實(shí)現(xiàn)電磁水表的低功耗；提出幅值解調(diào)和重構(gòu)濾波的信號(hào)處理方法,去除工頻干擾、極化干擾、微分干擾和同相干擾等,以保證極小流量的準(zhǔn)確、穩(wěn)定測(cè)量。研制基于MSP430低功耗單片機(jī)的變送器,實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理方案,并進(jìn)行水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 間歇式勵(lì)磁方式

電磁水表采用電池供電,這要求其在工作時(shí)具有較低的功耗,以保證電池能有較長(zhǎng)的使用期限。而勵(lì)磁系統(tǒng)是電磁水表功耗最大的部分,所以,為了降低功耗,延長(zhǎng)其使用時(shí)間,設(shè)計(jì)了間歇?jiǎng)?lì)磁方式。間歇?jiǎng)?lì)磁方式為每周期一次三值波勵(lì)磁,剩余時(shí)間勵(lì)磁不工作。勵(lì)磁電流波形如圖1所示。每周期共分為5段。D1～D4段分別為三值波勵(lì)磁的正勵(lì)磁段、零勵(lì)磁段、負(fù)勵(lì)磁段和零勵(lì)磁段。每段時(shí)間相同,時(shí)間寬度可調(diào),并保持為工頻周期的整數(shù)倍。其中,D1和D3段為勵(lì)磁工作段,對(duì)應(yīng)勵(lì)磁線圈中的電流分別為正向和反向；D2、D4段以及每周期的剩余時(shí)間段D5段勵(lì)磁不工作,勵(lì)磁線圈中的電流為零。

圖1 勵(lì)磁電流Fig.1 Excitation current

由于電磁水表在每周期中只有D1和D3兩段時(shí)間勵(lì)磁才工作,即每周期的勵(lì)磁工作時(shí)間固定,則勵(lì)磁功耗可隨著勵(lì)磁頻率的降低而減小。在標(biāo)定時(shí),為了保證有較高的響應(yīng)速度,可將勵(lì)磁頻率設(shè)置為1～5 Hz。而在實(shí)際工作中,由于生活用水的測(cè)量主要是累計(jì)一段時(shí)間的用水量,對(duì)電磁水表的響應(yīng)速度要求不高,所以,在實(shí)際測(cè)量時(shí),為了降低勵(lì)磁功耗,勵(lì)磁頻率可設(shè)置為1/15 Hz或1/30 Hz。而D1～D4段的每段間隔時(shí)間較短,同時(shí)每段時(shí)間正好為工頻周期的整數(shù)倍,因此在這種勵(lì)磁工作方式下,還可以通過幅值解調(diào)來抑制流量信號(hào)中的極化干擾和工頻干擾。

2.2 重構(gòu)濾波信號(hào)處理方法

由于電磁水表采用間歇式勵(lì)磁方式,即每周期一次三值波勵(lì)磁,則導(dǎo)電液體流經(jīng)勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí),感應(yīng)產(chǎn)生的傳感器輸出信號(hào)同樣為每周期一個(gè)三值波,如圖2所示。

圖2 傳感器信號(hào)Fig.2 Sensor signal

圖2中,d1～d4分別為與D1～D4勵(lì)磁段對(duì)應(yīng)的傳感器信號(hào)段后半段的均值。為了抑制傳感器信號(hào)中工頻干擾和極化干擾,采用(d1-d2)-(d3-d4)的幅值解調(diào)計(jì)算方法。

雖然幅值解調(diào)能有效地抑制傳感器輸出信號(hào)中的工頻干擾和極化干擾,但是,傳感器信號(hào)中還存在其它噪聲,如微分干擾、同相干擾、串模干擾、共模干擾等。為了將流量信號(hào)與噪聲分離,采用梳狀帶通濾波器對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波。這是因?yàn)槭釥顜V波能保留特定的頻率分量,抑制其它的頻率分量,這樣就能提取出傳感器輸出信號(hào)中的流量信號(hào),實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確測(cè)量。但是,對(duì)間歇?jiǎng)?lì)磁方式產(chǎn)生的傳感器信號(hào)進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)：傳感器輸出信號(hào)中既有奇次諧波分量,也有偶次諧波分量,流量信號(hào)的頻譜與噪聲頻譜混雜,且流量信號(hào)頻譜不只是勵(lì)磁頻率的奇數(shù)倍。傳感器信號(hào)的幅值譜如圖3所示。而梳狀帶通濾波提取信號(hào)的奇次諧波分量,衰減偶次諧波分量。若對(duì)間歇?jiǎng)?lì)磁產(chǎn)生的傳感器信號(hào)直接進(jìn)行梳狀帶通濾波,濾波后會(huì)造成流量信號(hào)的衰減,無法實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確測(cè)量。所以,不能直接采用在普通電磁流量計(jì)中常用的梳狀帶通濾波處理傳感器輸出信號(hào)[12]。為此,提出重構(gòu)濾波的信號(hào)處理方法,以便對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行梳狀帶通濾波。

圖3 傳感器信號(hào)的幅值譜Fig.3 Amplitude spectrum of sensor signal

重構(gòu)濾波的信號(hào)處理方法是先對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào),得到重構(gòu)信號(hào)所需要的幅值；再根據(jù)得到的幅值將三值波信號(hào)重構(gòu)為矩形波形號(hào)；由于重構(gòu)所得矩形波信號(hào)只含有奇次諧波分量,所以可以對(duì)重構(gòu)后的矩形波信號(hào)進(jìn)行梳狀帶通濾波,抑制噪聲,提取出流量信號(hào)；最后再對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào),進(jìn)一步抑制工頻噪聲和極化噪聲,得出流量值。這樣將傳感器信號(hào)重構(gòu)為矩形波信號(hào)后再進(jìn)行梳狀帶通濾波,避免了直接采用梳狀帶通濾波造成的信號(hào)偶次諧波分量的衰減,解決了流量準(zhǔn)確測(cè)量的問題。

先對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào)。由圖2知,d1～d4分別為對(duì)應(yīng)于D1～D4勵(lì)磁段的信號(hào)后半段的均值,則幅值解調(diào)結(jié)果為：

(1)

式中:j為傳感器輸出信號(hào)的第j個(gè)周期,j≥1；A(j)為信號(hào)幅值。通過幅值解調(diào)可以削弱傳感器輸出信號(hào)中的極化干擾和工頻干擾,但由于信號(hào)沒有經(jīng)過濾波,此時(shí)幅值解調(diào)結(jié)果中還有其他干擾分量,所以,需要重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行濾波。而解調(diào)幅值時(shí),采用信號(hào)段后半段的均值。因此在信號(hào)重構(gòu)時(shí),同樣根據(jù)傳感器信號(hào)后半段的均值重構(gòu)矩形波信號(hào),然后進(jìn)行梳狀帶通濾波。

假設(shè)重構(gòu)得到的矩形波信號(hào)為r,r(i)和r(i-1)分別為重構(gòu)信號(hào)當(dāng)前半周期的均值和前一個(gè)半周期的均值。由于矩形波信號(hào)是根據(jù)傳感器信號(hào)的幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行重構(gòu),那么,可令重構(gòu)得到的矩形波的幅值解調(diào)結(jié)果與傳感器信號(hào)的幅值解調(diào)結(jié)果相同。則可得傳感器信號(hào)幅值解調(diào)結(jié)果與重構(gòu)信號(hào)r的關(guān)系:

(2)

式中:i為重構(gòu)后矩形波信號(hào)的第i個(gè)半周期,i≥2,等式右邊為重構(gòu)信號(hào)的兩個(gè)半周期幅值解調(diào)。那么,由式(2)可知第i半周重構(gòu)后的信號(hào)為:

r(i)=2A(i)(-1)i-1+r(i-1)

(3)

圖4為重構(gòu)后的矩形波信號(hào)r。此時(shí)的流量信號(hào)在頻域上只有基波和奇次諧波分量,可通過對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)進(jìn)行梳狀帶通濾波處理,以去除流量信號(hào)中的干擾。

圖4 重構(gòu)后矩形波信號(hào)Fig.4 Reconstructed rectangular wave signal

梳狀帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：

(4)

式中：N為濾波器的階數(shù)；a和b為梳狀帶通濾波器的參數(shù)。設(shè)輸入信號(hào)為x(n),經(jīng)過梳狀帶通濾波后輸出信號(hào)為y(n),則梳狀帶通濾波器就要實(shí)現(xiàn)下列差分方程：

y(n)=b×(x(n)-x(n-N))-a×y(n-N)

(5)

根據(jù)梳狀濾波器傳遞函數(shù)和其對(duì)應(yīng)的差分方程,對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)進(jìn)行梳狀帶通濾波處理,可得：

Alb(i)=b(1)(r(i)-r(i-1))-

a(end)×Alb(i-1)

(6)

式中:i≥2,i表示第i個(gè)半周期,Alb(i)為濾波后的信號(hào)幅值,b(1)和a(end)為梳狀帶通濾波的參數(shù),該參數(shù)可由Matlab中的iircomb函數(shù)得到。那么,在第i-1半周的梳狀濾波結(jié)果Alb(i-1)已知的情況下,根據(jù)第i-1、i半周期的重構(gòu)信號(hào)r(i-1)和r(i),可計(jì)算出第i半周的梳狀濾波結(jié)果Alb(i)。

由式(6)可知,計(jì)算第i半周的梳狀濾波結(jié)果Alb(i)必須要知道前半周期(i-1半周期)的值,所以需要對(duì)重構(gòu)信號(hào)r以及其梳狀帶通濾波結(jié)果Alb進(jìn)行初始化,令r(1)和Alb(1)初始值為：

r(1)=Amp(1),Alb(1)=Amp

(1)

式中Amp(1)可根據(jù)式(1)得到,之后,每得到一個(gè)新的傳感器輸出信號(hào)幅值解調(diào)結(jié)果,即可參與到梳狀帶通濾波中,得到當(dāng)前半周期的濾波結(jié)果。對(duì)濾波后的結(jié)果再進(jìn)行幅值解調(diào),可得：

(7)

式中Aend(i)為最終輸出信號(hào)幅值。經(jīng)過傳感器輸出信號(hào)的幅值解調(diào)、重構(gòu)信號(hào)、梳狀帶通濾波、再次幅值解調(diào),最終輸出去除信號(hào)中干擾后的幅值解調(diào)結(jié)果Aend(i)。

3 低功耗實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件研制

為實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)控制的同時(shí)進(jìn)一步降低電磁水表的功耗,選擇16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器MSP430單片機(jī)作為硬件系統(tǒng)的控制核心。研制由MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源管理模塊、勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)采集模塊、外部存儲(chǔ)模塊、人機(jī)接口模塊和輸出模塊組成的硬件系統(tǒng),硬件框圖如圖5所示。

圖5 硬件框圖Fig.5 Hardware block diagram

MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)采用單片機(jī)MSP430F449,實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能模塊的控制和信號(hào)的處理。電源管理模塊由電源轉(zhuǎn)換模塊和電量監(jiān)測(cè)電路組成,為變送器提供所需的電源,并通過MSP430單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊由H橋電路、恒流電路和電阻切換電路組成,用于驅(qū)動(dòng)電磁水表傳感器中的勵(lì)磁線圈；MSP430單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)通過通用輸入輸出口(GPIO)控制電阻切換電路,以改變流過勵(lì)磁線圈中電流的大小,實(shí)現(xiàn)極低流量的準(zhǔn)確測(cè)量。信號(hào)采集模塊由低通濾波器和32位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成,用于提取電磁水表的傳感器輸出信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過串行外設(shè)接口(SPI)傳給單片機(jī)最小系統(tǒng)；低通濾波器是由電阻電容搭建的二階無源濾波器,用于濾除高頻噪聲。外部存儲(chǔ)模塊是鐵電存儲(chǔ)器模塊,用于保存儀表關(guān)鍵數(shù)據(jù),具有掉電不會(huì)丟失的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。人機(jī)接口模塊由按鍵輸入和液晶顯示器(LCD)顯示組成,用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。輸出模塊包括通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)模塊和脈沖輸出模塊,其中,GPRS模塊通過通用異步收發(fā)傳輸器(UART)與MSP430單片機(jī)連接,能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線抄表；脈沖輸出主要用于電磁水表的標(biāo)定和檢定。

由于電磁水表勵(lì)磁電流小且流量測(cè)量下限低,導(dǎo)致小流速測(cè)量時(shí)傳感器輸出信號(hào)非常微弱,因而前置放大電路帶來的干擾會(huì)對(duì)小流速的測(cè)量結(jié)果造成影響。所以,采用32位ADC直接采集經(jīng)過低通濾波后的傳感器信號(hào),以避免前置放大電路帶來的干擾。同時(shí),利用ADC自身增益將信號(hào)放大32倍,充分發(fā)揮32位ADC高分辨率的優(yōu)勢(shì)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

為了便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù),軟件設(shè)計(jì)采取了模塊化設(shè)計(jì)方案,將完成特定功能的函數(shù)組合成功能模塊,然后由主監(jiān)控程序統(tǒng)一調(diào)用,實(shí)現(xiàn)電磁水表所要求的各項(xiàng)功能。軟件部分主要包括主監(jiān)控程序模塊、初始化模塊、勵(lì)磁控制模塊、信號(hào)采集模塊、算法模塊、存儲(chǔ)模塊、人機(jī)接口模塊、中斷模塊、輸出模塊、通訊模塊和看門狗模塊。如圖6所示。

圖6 軟件框圖Fig.6 Software block diagram

主監(jiān)控流程如圖7所示,系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化,初始化完成后啟動(dòng)ADC,ADC開始采樣；然后,MSP430單片機(jī)通過定時(shí)器與2個(gè)GPIO口配合產(chǎn)生勵(lì)磁控制時(shí)序和勵(lì)磁周期,驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁模塊開始工作,產(chǎn)生勵(lì)磁電流,進(jìn)而傳感器產(chǎn)生流量信號(hào)。采集了傳感器信號(hào)后調(diào)用算法模塊,在算法模塊中,先對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào)；然后,對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu),并對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)進(jìn)行梳狀帶通濾波；最后,再次進(jìn)行幅值解調(diào),計(jì)算得到瞬時(shí)流量和累積流量,并實(shí)時(shí)顯示在液晶上。

圖7 主監(jiān)控程序流程圖Fig.7 Flow chart of main monitor program

由于電磁水表采用間歇?jiǎng)?lì)磁的方式,每周期只有三值波段(圖1中D1～D4段)存在勵(lì)磁電流,因此,只有三值波段存在流量信號(hào),其他時(shí)段信號(hào)均為傳感器零點(diǎn)信號(hào)。所以,在軟件處理中,每周期僅需要采集與勵(lì)磁電流三值波段對(duì)應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)。當(dāng)該信號(hào)采集完成之后,ADC即可停止采樣,直到下一個(gè)勵(lì)磁周期的開始,ADC再次開始工作。這種工作方式不僅可以進(jìn)一步降低功耗,同時(shí)也為后續(xù)的算法執(zhí)行和LCD刷新顯示節(jié)省時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 水流量標(biāo)定結(jié)果

將研制的變送器與重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司生產(chǎn)的口徑為100 mm的法蘭式傳感器相配合,形成一套完整的電磁水表,在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司靜態(tài)質(zhì)量法實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行水流量標(biāo)定和檢定實(shí)驗(yàn)。靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度為0.033%。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中,共標(biāo)定了10個(gè)流量點(diǎn),最大流量為160 m3/h(流速為5.7 m/s),最小流量為0.3 m3/h(流速為10 mm/s),每個(gè)流量點(diǎn)分別標(biāo)定3次。

根據(jù)標(biāo)定得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用基于示值誤差擬合的方法計(jì)算得到儀表系數(shù),其中,示值誤差擬合的公式為[13]：

式中：xi為被檢表流速;yi為標(biāo)準(zhǔn)流速。

將儀表系數(shù)設(shè)置到電磁水表的變送器中,再次利用質(zhì)量法進(jìn)行水流量檢定實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證電磁水表的準(zhǔn)確度。水流量檢定實(shí)驗(yàn)中,共檢定了5個(gè)流量點(diǎn)。其中,最小流量約為0.4 m3/h(流速約為14 mm/s),最大流量約為160 m3/h(流速約為5.6 m/s)(這里將質(zhì)量單位通過水密度ρ換算到了體積單位)。檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1中的水流量檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,流量為0.4 m3/h時(shí),即最小流量時(shí)相對(duì)平均誤差最大,為-1.771%,而其它流量的相對(duì)誤差均在±1%以內(nèi)。

4.2 技術(shù)指標(biāo)比較

根據(jù)國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML)的國(guó)際建議OMIL R49：2006(E),水表的流量范圍可由Q1(最小流量)、Q2(分界流量)、Q3(常用流量)、Q4(最大流量)來表述,量程比由R值(Q3/Q1)來反映。電磁水表按照準(zhǔn)確度等級(jí)劃分為1級(jí)和2級(jí),其中,1級(jí)水表的最大允許誤差在高區(qū)(Q2～Q4)為±1%,在低區(qū)(Q1～Q2)為±3%；2級(jí)水表的最大允許誤差在高區(qū)(Q2～Q4)為±2%,在低區(qū)(Q1～Q2)為±5%。由表1的水流量檢定結(jié)果可見,基于間歇?jiǎng)?lì)磁和重構(gòu)濾波的電磁水表滿足1級(jí)水表的精度要求,且在滿足1級(jí)水表精度的同時(shí)量程比為400。

表1 口徑為100 mm的傳感器檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of sensor with a diameter of 100 mm

根據(jù)德國(guó)科隆公司(簡(jiǎn)稱科隆)的技術(shù)手冊(cè)[14],以口徑為100 mm的電磁水表的技術(shù)指標(biāo)為例：其電磁水表在滿足1級(jí)水表的精度要求時(shí),最小測(cè)量流量Q1為1 m3/h,常用測(cè)量流量Q3為250 m3/h,量程比為250；在滿足2級(jí)水表的精度要求時(shí),最小測(cè)量流量Q1為0.4 m3/h,常用測(cè)量流量Q3為160 m3/h,量程比為400。根據(jù)德國(guó)西門子股份公司(簡(jiǎn)稱西門子)的技術(shù)手冊(cè)[15],同樣以100口徑電磁水表的技術(shù)指標(biāo)為例：其電磁水表在滿足1級(jí)水表的精度要求時(shí),最小測(cè)量流量Q1為1 m3/h,常用測(cè)量流量Q3為250 m3/h,量程比為250；在滿足2級(jí)水表的精度要求時(shí),最小測(cè)量流量Q1為0.63 m3/h,常用測(cè)量流量Q3為250,量程比為400。

與科隆和西門子電磁水表的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)比較可知,基于間歇?jiǎng)?lì)磁和重構(gòu)濾波的電磁水表在同樣滿足1級(jí)水表的精度要求時(shí),最小測(cè)量流量Q1為0.4 m3/h,即本文研制的電磁水表的流量測(cè)量下限明顯更低,比科隆和西門子1級(jí)電磁水表的流量測(cè)量下限低60%,與科隆電磁水表2級(jí)精度要求的流量下限相同。而且,本文研制的電磁水表作為1級(jí)水表時(shí)量程比達(dá)到400,比科隆和西門子1級(jí)電磁水表的量程比高60%,與科隆和西門子2級(jí)水表的量程比相同。即在相同的精度要求下,本文研制的電磁水表流量測(cè)量下限和量程比均優(yōu)科隆和西門子的產(chǎn)品的指標(biāo)。

5 結(jié) 論

針對(duì)電磁水表需要電池供電,要求功耗低以及其勵(lì)磁電流小、流量下限低導(dǎo)致的傳感器信號(hào)幅值微弱、小流量測(cè)量不穩(wěn)定的問題,設(shè)計(jì)了每周期一次三值波的間歇?jiǎng)?lì)磁方式,極大降低了勵(lì)磁功耗,并且還可通過降低勵(lì)磁頻率來減小勵(lì)磁功耗；提出了重構(gòu)濾波處理方法,先幅值解調(diào),然后將三值波信號(hào)重構(gòu)為矩形波信號(hào),以進(jìn)行梳狀帶通濾波,最后再次幅值解調(diào),有效地濾除了信號(hào)中的干擾,保證了小流速的準(zhǔn)確、穩(wěn)定測(cè)量。基于MSP430研制了電磁水表變送器硬件和軟件,配合100 mm口徑的傳感器進(jìn)行了水流量標(biāo)定和檢定實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于間歇?jiǎng)?lì)磁和重構(gòu)濾波的電磁水表在最小流量的時(shí)候相對(duì)誤差為-1.771%,在±3%以內(nèi),其余流量的相對(duì)誤差均在±1%以內(nèi),即在滿足1級(jí)水表的測(cè)量精度要求時(shí),流量測(cè)量下限可達(dá)0.4 m3/h,量程比可達(dá)400。

將基于間歇?jiǎng)?lì)磁和重構(gòu)濾波的電磁水表與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品做了技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明,在同樣滿足1級(jí)水表的精度時(shí),本文電磁水表的流量測(cè)量下限和量程比均明顯優(yōu)于科隆和西門子的電磁水表。

致謝:感謝重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司提供電磁水表傳感器和實(shí)驗(yàn)條件。