本發(fā)明涉及電磁流量計，特別涉及一種超高頻諧振勵磁低功耗電磁流量計及其專用芯片。

背景技術(shù)：

1、電磁流量計是一種利用電磁感應(yīng)定律原理而設(shè)計的高精度、長壽命流量計，其基本原理是：流動的導(dǎo)電的液體在運動方向上切割磁力線會在液體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如果磁感應(yīng)強度恒定為b，則根據(jù)電磁感應(yīng)定律感生電動勢u?=?blv，b是磁感應(yīng)強度，l是有效切割磁力線的水流寬度，v是水流速度，而u是感應(yīng)電動勢的大小。因此，只要恒定磁感應(yīng)強度b，并且管道參數(shù)l固定，就可以得到：u與v成正比，u?=?k?*?v，通過測量u的值就可以計算得到水流速度v，水流速度乘以管道截面積就可以得到流量計的體積流速：flux?=?v?*?s，s為管道的有效截面積。

2、以上是電磁流量計的工作原理，從中可以推斷出電磁流量計的缺點如下：

3、第一、功耗大，電磁流量計在實現(xiàn)水流計量時由于存在水的極化效應(yīng)，兩個測量電極之間存在不確定的極化電壓，為克服極化電壓需要采用交替勵磁，而不能采用永磁勵磁，這就導(dǎo)致電磁流量計需要較大的勵磁電流。

4、第二、成本較高，電磁流量計需要較大的勵磁線圈、并且管道內(nèi)部需要襯絕緣層，因此導(dǎo)致其制造成本較高。

5、目前家用水表正向著智能化的方向發(fā)展，但是由于成本以及技術(shù)成熟度的限制，家用水表智能化普遍還是在機械式儀表的基礎(chǔ)上加裝機電轉(zhuǎn)換裝置而實現(xiàn)的，這種智能化方向的優(yōu)點是：技術(shù)延續(xù)性好、保留了機械式水表的耐用性等；但是缺點也非常明顯：需要機械到電的轉(zhuǎn)換、精度難以提高、基表壽命較短等。

6、因此，業(yè)內(nèi)長期以來希望能夠找到家用智能水表的全電子化的道路，為此全球很多計量業(yè)內(nèi)的公司均做出了持續(xù)不斷的努力，目前，較為有希望的方法包括：超聲波流量計、電磁流量計。超聲波流量計的優(yōu)點是：精度高、功耗低，但是缺點也非常明顯：換能器的抗噪能力較差，在強烈震動、熱疲勞作用下有很大的損壞幾率，目前還沒有很好的克服辦法；而電磁流量計具有精度高、壽命長、耐噪性好的優(yōu)點，但是其功耗和成本卻成為業(yè)內(nèi)攻堅的難點。

7、為此，本技術(shù)設(shè)計了一種超高頻諧振勵磁低功耗電磁流量計及其專用芯片，針對的就是電磁流量計的功耗和成本缺點，用一種非常新穎并且行之有效的辦法克服了電磁流量計的這兩個缺點，為水表的全電子化開辟了一個新的道路。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種超高頻諧振勵磁低功耗電磁流量計及其專用芯片。其基本設(shè)計思想是：第一、通過縮小勵磁激勵時間并且利用勵磁線圈的電感與電容形成諧振，來實現(xiàn)降低功耗的目的；第二、采用多層pcb來制造勵磁線圈和測量電極的引出，因此極大降低制造成本。

2、本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、1、機械結(jié)構(gòu)

4、本發(fā)明的超高頻諧振勵磁低功耗電磁流量計主要優(yōu)勢結(jié)構(gòu)部分為：pcb板一體成型的勵磁繞組和電極，這個部件作為流量傳感器的最核心部件，為敘述方便命名為“傳感器芯子”。采用多層pcb制造的電磁流量計勵磁繞組和測量電極引出的“一體成型勵磁繞組和電極”，也叫傳感器芯子。采用pcb工藝制造的優(yōu)點在于：工藝重復(fù)度高，制造成本低，結(jié)構(gòu)緊湊。

5、優(yōu)選的制造工藝方法為采用多層pcb制造，其中勵磁繞組占用內(nèi)層金屬，而測量電極占用表面金屬，pcb有兩個表面top和bottom，在top和bottom兩層均制造有測量電極，兩面電極信號串聯(lián)后引出，這樣做的優(yōu)點是測量信號幅度加倍。

6、在傳感器芯子pcb上制造有電極焊接pad，電極焊接pad上焊接有測量電極，由于測量電極與水有接觸因此優(yōu)選采用不銹鋼制造，也可以采用哈氏合金制造，或者其他耐腐蝕金屬或者合金作為電極，優(yōu)選采用不銹鋼。

7、采用多層pcb工藝制造勵磁線圈和測量電極引出pad，這樣做的優(yōu)點是：制造成本低廉，工藝重復(fù)性好。但是缺點是：勵磁線圈采用pcb銅箔制造，由于pcb銅箔厚度較小，因此線圈的電阻?較大，目前試制的樣品測試數(shù)據(jù)為：線圈電阻1.5歐左右，這會導(dǎo)致在3.6v電池直接供電條件下，可以獲得的勵磁電流較小，只能達到2a左右，并且諧振回路的q值也較小，只能達到50-100。

8、為解決這個問題，也可以采用：只用pcb制造測量電極引出pad和引出線路（pcb板作為支撐），而勵磁線圈采用漆包線繞制。

9、優(yōu)選采用厚度0.6mm的雙面pcb板作為電極支撐件，在pcb的上下兩個表面粘貼單層的漆包線繞線，見圖9綠色線條示意圖部分。如果pcb上下表面粘貼的漆包線繞線厚度為0.5mm，則總厚度?=?1.6mm。這是優(yōu)選設(shè)計，傳感器芯子的有效厚度盡量薄，這樣可以給流量計提供盡量大的管道面積，減小壓損。

10、采用漆包線繞線實現(xiàn)勵磁繞組的優(yōu)點是：線圈電阻很小，可以大幅度提高諧振勵磁的諧振回路q值，并且可以獲得很大的勵磁電流，提高測量信號幅度，在試制時發(fā)明人采用外徑0.5mm的漆包線，單層繞制16匝，兩層共32匝，實際測量的電感量為22uh，繞組電阻只有0.16歐，在1mhz超高頻勵磁時，電感阻抗zl?=?138.2歐，諧振回路q值理論上可以達到：q=?138.2/0.16?=?864，而最大勵磁電流理論上可以達到：3.6v/0.16歐?=?22.5a，q值高意味著只需要跟小的能量激勵就可以實現(xiàn)很長時間的測量，更加有利于降低功耗。

11、為了實現(xiàn)電氣與水的隔離，需要把多層pcb制造的“傳感器芯子”安裝到一個塑料殼體內(nèi)部。為敘述方便取名為：“傳感器芯子盒”，優(yōu)選采用耐水性好的塑料制造，例如ppo，或者pps等，在傳感器芯子盒底面上制造有兩個電極引出孔，為實現(xiàn)更好的防水效果，在把傳感器芯子安裝到“傳感器芯子盒”里面時應(yīng)同時在“傳感器芯子盒”內(nèi)部填充環(huán)氧樹脂灌封膠。為實現(xiàn)電氣與水的隔離也可以采用把傳感器芯子直接注塑到塑料內(nèi)部的方法實現(xiàn)。

12、為實現(xiàn)流量測量，本發(fā)明設(shè)計了電磁流量計芯子支架，簡稱為：傳感器芯子支架，采用耐水性好的塑料制造，例如：尼龍、聚苯硫醚（ppo）、聚砜（pps）等。傳感器芯子支架是一段圓柱形管道，中間是測量管道，圓柱管道的外側(cè)中間位置開有磁屏蔽帶卷繞限位槽。防水傳感器芯子以及信號處理pcb板、勵磁驅(qū)動pcb板安裝到位后，可以在這個“磁屏蔽帶卷繞限位槽”里面卷繞磁屏蔽帶，磁屏蔽帶采用坡莫合金帶材，厚度0.05-0.1mm左右，多層卷繞形成對外的磁屏蔽，卷繞厚度約為0.5mm。在傳感器芯子支架的兩個側(cè)面開有“信號處理pcb板安裝腔”，在這個兩個腔體內(nèi)安裝電磁流量計信號處理pcb、勵磁信號驅(qū)動pcb，其中一個腔安裝勵磁信號驅(qū)動pcb板，另一個腔內(nèi)安裝測量信號處理pcb板。在信號處理pcb安裝腔的中間開有兩邊圓弧的傳感器芯子防水盒安裝槽孔，這個槽孔貫穿上下兩個信號處理pcb安裝腔，用于安裝防水傳感器芯子，從這個結(jié)構(gòu)可以看出防水傳感器芯子安裝在測量管道的中間。在防水傳感器芯子安裝槽孔周圍開有“防水膠灌封腔”，當(dāng)把防水傳感器芯子安裝到防水傳感器芯子安裝槽孔后，需要在這個腔內(nèi)灌封環(huán)?氧樹脂密封膠，實現(xiàn)測量管道與電氣部分的水電隔絕。

13、傳感器芯子支架與防水傳感器芯子組合完成后，叫做：電磁流量計測量芯子。防水傳感器芯子插入傳感器芯子支架后，把測量管道一分為二，防水傳感器芯子在測量管道的正中間，這樣做的優(yōu)點是：第一、勵磁信號在管道中間，遠(yuǎn)離電磁流量計的磁場屏蔽層金屬和外管道金屬，在實現(xiàn)高頻諧振勵磁時，這些金屬層的吸收最小，勵磁線圈可以維持很高的q值。第二、管道一分為二，因此測量信號可以分為兩面，兩面的測量信號可以串聯(lián)起來獲得2倍的測量電壓，因此測量精度更高。

14、電磁流量計測量芯子，外面卷繞磁屏蔽帶，磁屏蔽帶上開有信號引出孔，磁屏蔽帶可以提供很好的屏蔽環(huán)境，防止因為外部磁路的變化影響測量精度。本發(fā)明優(yōu)選采用厚度0.1mm的坡莫合金帶作為磁屏蔽層材料，卷繞4-5層，形成總厚度0.4?-0.5mm的磁屏蔽層。也可以采用純鐵或者硅鋼材料制造屏蔽帶，成本會更加低廉。在屏蔽帶上開有信號引出孔，可以把電磁流量計供電、信號輸出到外部。

15、電磁流量計測量芯子作為本發(fā)明的核心測量部件，而為了防止電信號被金屬管道短路，電磁流量計測量芯子還需要在上下游各延長一段“內(nèi)襯接管”，內(nèi)襯接管采用耐水性好的塑料材料制造，例如：尼龍、聚苯硫醚（ppo）、聚砜（pps）等，內(nèi)襯接管采用膠粘方式插入電磁流量計測量芯子上的“內(nèi)襯管對插槽內(nèi)”。在電磁流量計測量芯子的圓柱兩個頂面開有“密封圈槽”，用于安裝密封圈，密封圈可以防止水流通過金屬管道與內(nèi)襯接管之間的縫隙繞路進入電氣信號腔體。密封圈在電磁流量計測量芯子上下游各一個，兩邊都需要實現(xiàn)密封。

16、在含內(nèi)襯管的電磁流量計測量芯子外面還需要套上金屬管道，金屬管道分為上游管道和下游管道兩部分，二者之間采用螺絲固定。上游管道上制造有信號引出孔和電氣盒安裝底盤。防水傳感器芯子垂直安裝在管道中，把管道一分為二，防水傳感器芯子的平面與電氣殼體固定盤的平面垂直，也就是在垂直方向上，防水傳感器芯子把水流分成左右兩個分流。這樣的安裝方向可以減少水流中的雜質(zhì)沉積到防水傳感器芯子的電極表面，提高抗污能力，延長流量計使用壽命。

17、在上下游金屬管道與含內(nèi)襯管的電磁流量計測量芯子之間采用安裝在電磁流量計測量芯子圓柱體頂面的密封環(huán)實現(xiàn)密封，可以防止水流從：金屬管道和內(nèi)襯接管之間的縫隙進入電磁流量計的電氣處理腔。同時為了加強密封效果，也可以在金屬管道和內(nèi)襯接管之間涂覆密封膠。

18、2、電路設(shè)計

19、本發(fā)明其超高頻諧振勵磁是實現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵，因此單獨拿出一個章節(jié)來敘述本發(fā)明的電路設(shè)計部分。

20、本發(fā)明涉及的一種超高頻諧振勵磁的低功耗電磁流量計，為獲得良好的功耗特性和?信號測量特性，需要實現(xiàn)勵磁電路的精確驅(qū)動、信號的高增益放大、高速數(shù)據(jù)采集、溫度補償?shù)刃盘柼幚恚虼诵枰O(shè)計二顆專用芯片，其中一顆芯片用于實現(xiàn)勵磁和同步信號輸出，另一顆芯片用于實現(xiàn)測量信號的處理，最終獲得流量信號。

21、（1）超高頻諧振勵磁

22、勵磁的消耗是導(dǎo)致電磁流量計功耗過高的最大因素，因此怎樣減小勵磁消耗，并且還能順利完成流量測量是實現(xiàn)低功耗電磁流量計的關(guān)鍵。

23、本發(fā)明實現(xiàn)超高頻諧振勵磁的關(guān)鍵創(chuàng)新設(shè)計有兩個：第一勵磁線圈安裝在管道中間，遠(yuǎn)離金屬部件這樣可以保證高頻電磁場不會被金屬吸收，勵磁線圈保持較高的q值，利用諧振電流反復(fù)振蕩實現(xiàn)電磁流量計的測量；第二、需要有高效的勵磁與高q值低損耗驅(qū)動電路。

24、如圖12所示，l1為勵磁繞組，發(fā)明人試制一種勵磁繞組電感量約為22uh，以此數(shù)值作為范例，作為支持本發(fā)明的計算依據(jù)；c1為諧振電容，n1和n2為兩個n溝道m(xù)os管，逆向串聯(lián)接成雙向模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)。?當(dāng)drv1?=?高，drv2=低，并且壓差足夠驅(qū)動mos管導(dǎo)通時，勵磁線圈l1通過vcc進行充電儲能，通過驅(qū)動時間可以控制l1的最終儲能電流，假設(shè)儲能電流最大2a，電流達到后停止drv1和drv2驅(qū)動，n1n2構(gòu)成的雙向模擬開關(guān)關(guān)斷，這時l1和c1形成自由lc諧振，諧振頻率約等于：?f?=?1/(2*π*sqrt(lc)?=?1.0231mhz，在諧振頻率下電感阻抗zl?=141歐，假設(shè)繞組直流電阻約為1.5歐，則lc回路的q值約為：q?=?zl?/?r?=?92.3。這個q值說明lc回路振蕩一個周期能量損失很小，大約只有1/100，因此只需要一個很短時間的激勵脈沖，就可以獲得很長時間的測量機會。這是本發(fā)明的重要創(chuàng)新點，短時間大電流激勵后利用lc回路的高q值振蕩，可以獲得更長的測量時間。

25、按照3.6v供電計算，l*di/dt?=?3.6v，代入電感值22uh和最終的勵磁電流2a，可以計算出勵磁驅(qū)動時間dt?=?12.22us，按照1秒測量一次計算，勵磁平均功耗：

26、?i?=?0.5?*?2a?*?12.22us?/?1s?=?12.22ua。

27、而lc回路的q值可以至少提供100個周期以上的測量，按照測量時間100個周期計算則留給測量的時間達到：97.8us，在這個時間內(nèi)，勵磁磁場由lc諧振回路提供，不再消耗電源電流，這是本發(fā)明獲得超低功耗特性的根本原因。

28、為實現(xiàn)勵磁線圈的勵磁驅(qū)動以及勵磁驅(qū)動結(jié)束后lc諧振維持較高的q值，n1n2逆向串聯(lián)，構(gòu)成雙向模擬開關(guān)，在模擬開關(guān)關(guān)斷時既可以阻斷正向信號，也可以阻斷反向信號，勵磁電感l(wèi)1和諧振電容c1構(gòu)成lc自由諧振電路，如果l1采用pcb線圈制造，q?值可以達到90以上，如果采用漆包線繞制則可以達到800以上。

29、n1n2應(yīng)采用高壓mos管，按照諧振初始電流2a計算，諧振頻率按照1.0231mhz?計算，諧振阻抗?=?141歐，諧振電壓高達：282vac，峰值電壓達到：397v，因此n1n2應(yīng)采用高壓mos管，優(yōu)選采用sic?mos管，sic?mos管優(yōu)點在于：器件的輸出電容coss較小，ds漏電流很小，驅(qū)動效率高，lc回路q值高。當(dāng)然也可以采用gan?mos或者simos，缺點是ds漏電流較大，lc回路q值較低，作為本發(fā)明的次要選則。

30、為進一步提高q值，可以選擇更高的諧振頻率，例如把諧振頻率提高到2mhz，則采用pcb制造勵磁繞組，也可以達到q?=?282/1.5?=?188，而漆包線勵磁繞組q?=?282/0.16?=1762.5，在如此高的q值下，可以獲得更多勵磁周期的測量時間，可以有效提高測量精度，而勵磁平均電流僅有12-15ua，這是本發(fā)明最具創(chuàng)新的設(shè)計。

31、但是，諧振頻率提高一倍，模擬開關(guān)的承受電壓也會提高一倍，仍然按照勵磁電流2a計算，諧振電壓高達562vac，峰值電壓達到：795v，因此模擬開關(guān)優(yōu)選采用耐壓特性好的sic?mos。

32、（2）勵磁信號驅(qū)動和測量信號的分離

33、本發(fā)明從結(jié)構(gòu)上把勵磁驅(qū)動信號和測量信號分離，其中勵磁信號占用傳感器芯子的一邊引出端，而測量信號占用另一個引出端，在電路上勵磁驅(qū)動pcb與測量信號處理pcb相互分開，并且勵磁諧振大電流局部形成回路，因此可以大幅度減小勵磁電流對測量信號的干擾。

34、為了讓勵磁諧振回路的大電流限制在勵磁驅(qū)動板上，本發(fā)明設(shè)計了圖13勵磁驅(qū)動電路，c2c3為電源濾波電容，l1c1以及cx構(gòu)成諧振回路，cx為模擬開關(guān)的分布電容，由于cx的存在，諧振電流會有一部分流過電源，但是由于cx較小，例如采用sic?mos，cx可以降低到100p以下，按照100p計算諧振電壓按照280vac計算，電源濾波電容按照4.8uf計算，cx串聯(lián)到電源上的殘余電壓?=?5.8mv，因此可以忽略不計，這樣勵磁諧振電流就可以限制在l1c1cx回路內(nèi)部，不會通過電源對其他電路形成干擾。為進一步降低勵磁諧振電流通過電源向其他電路形成耦合，可以加大電源濾波電容，例如可以增加到10uf，甚至更大，如果增加到10uf則諧振電流折算到電源殘余電壓就可以低于2.8mv。

35、（3）測量信號的處理電路

36、電磁流量計的缺點是：測量信號幅值很小，因此需要高倍數(shù)放大器對測量信號進行放大，而高倍數(shù)放大器很容易受到干擾或者自身產(chǎn)生自激，最終導(dǎo)致測量失敗。本發(fā)明涉及的超高頻諧振勵磁低功耗電磁流量計測量信號估算方法如下：

37、實際制造面積為：2.75cm2的勵磁pcb線圈，匝數(shù)共32匝，電感量21.6uh，在勵磁電流?=?2a時，線圈表面磁感應(yīng)強度b的計算如下：l?*?di/dt?=?n?*?dφ/dt，進一步推導(dǎo)則為：l?*di?=?n?*?dφ

38、代入l和di以及n的值，則可以計算出?dφ?=?21.6uh?*?2a?/?32?=?1.35uwb

39、然后再根據(jù)b*s?=dφ?，并且代入線圈有效面積2.75cm2計算得到b?=?1.35uwb/2.75cm2=?4.9mt。

40、然后根據(jù)電磁感應(yīng)定律u?=?blv，l為測量電極的距離?=?15mm，v為流速，按照最低8mm/s計算，代入上式，計算得u?=?4.9mt?*?15mm?*?8mm/s?=?588nv，而本發(fā)明采用雙面測量電極串聯(lián)方式，測量電壓可以加倍，因此最小輸出電壓?=1.176uv。

41、按照測量量程比400計算，則最大信號輸出電壓?=?1.176uv?*?400?=?470.4uv。

42、如果希望把最大信號放大到3v，則需要的放大倍數(shù)av?=?3000mv/0.47mv?=?6383倍。

43、因此，可以預(yù)估放大器應(yīng)具備5000?-?10000倍的放大倍數(shù)。這是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而最嚴(yán)重的問題是：放大器自激。

44、為解決高倍數(shù)放大電路可能會形成的自激問題，本發(fā)明采用“高頻通帶放大”與“低通放大”，兩級串聯(lián)式放大電路，并且二者通頻帶拉開較大距離，消除前后放大的耦合，避免出現(xiàn)自激：

45、首先、在高頻諧振勵磁調(diào)件下，測量電極輸出的是與勵磁電流波形相同的交流信號，假設(shè)諧振頻率約為1mhz，那么電極輸出的信號也是1mhz交流，因此放大器的前級放大電路可以設(shè)計為：0.5?-?1.5mhz帶寬的通帶交流放大器，放大倍數(shù)控制在100-250倍，這個倍數(shù)的放大器比較容易實現(xiàn)，不會出現(xiàn)自激，并且有很高的抗干擾能力。

46、其次、同步整流實現(xiàn)交流—直流轉(zhuǎn)換，上文已經(jīng)說過，本發(fā)明涉及的電磁流量計其測量電極輸出的原始信號為高頻交流信號，假設(shè)勵磁諧振頻率大約為1mhz，則原始信號也為1mhz的信號，但是這樣的高頻交流信號不利于單片機直接adc采樣，最佳方案是把交流信號轉(zhuǎn)為直流，而交流轉(zhuǎn)直流的電路最常用的是：二極管整流，但是眾所周知二極管并不具備理想的整流特性，二極管的開啟電壓會導(dǎo)致整流出現(xiàn)非線性，特別是信號幅度較小時，二極管的整流非線性會導(dǎo)嚴(yán)重偏差。

47、為解決這個問題，本發(fā)明采用“同步整流”，而同步源為：勵磁諧振回路的諧振電壓信號。根據(jù)電磁感應(yīng)定律u?=?blv，因此可以斷定感應(yīng)電勢u與磁感應(yīng)強度b是同步的，而根據(jù)畢奧薩伐爾定律（或者安培定律）b與電流同步，從而可以得出結(jié)論：電磁流量計的輸出信號與勵磁諧振回路是同步的，因此需要對勵磁諧振信號進行整形得到邏輯電平的方波信號，這就是信號檢波（整流）“同步信號”，這個同步信號生成電路需要設(shè)計在“勵磁驅(qū)動”專用芯片內(nèi)部。

48、信號前級放大采用交流通帶放大器，放大倍數(shù)100-250倍為優(yōu)選值，按照200倍計算，原始信號經(jīng)過放大后，輸出電壓約為：235uv?-?94mv左右，并且是頻率約為1mhz的交流。然后進入同步整流電路，同步整流設(shè)計為全波整流模式，整流開關(guān)采用mos管，而mos管柵極由同步信號驅(qū)動，見圖14：

49、n1n2n3n4為4個n溝道m(xù)os管，構(gòu)成橋式同步整流電路，前級交流放大器采用差分輸出，經(jīng)過c1c2隔離直流分量后變成純交流信號。n3n2由drv1和drv2正向器驅(qū)動，與同步信號相位相同，當(dāng)同步信號為高電平時，n3n2開通，橋路通過n3n2輸出。n1n4由not1和not2兩個反向器驅(qū)動，與同步信號相位相反，當(dāng)同步信號為低電平時，n1n4開通，橋路通過n1n4輸出。c3c4r1構(gòu)成π型濾波電路，濾除整流后信號中的脈動成分，檢波輸出變?yōu)橹绷髅}沖。最后、檢波后信號從1mhz左右的高頻交流轉(zhuǎn)成直流脈沖，直流脈沖寬度按照100us計算，頻率約為10khz，經(jīng)過檢波后，信號頻率發(fā)生了很大轉(zhuǎn)移，從原來的1mhz變成10khz，后級放大器的輸出就不會耦合到前級放大器，因此可以有效避免高增益放大的自激，后級放大采用轉(zhuǎn)折頻率約50khz低通放大器

50、前級放大器的通頻帶完全避開了后級的低通頻帶，因此后級放大器不會向前級產(chǎn)生自激耦合。后級低通放大器的放大倍數(shù)可以設(shè)置為：50?-?100倍。總放大倍數(shù)：5000?-25000倍，并且設(shè)計為倍數(shù)可調(diào)，這樣可以滿足不同口徑的電磁流量計使用。由于電磁流量計測量信號的幅度很小，因此需要高倍數(shù)的放大器，而傳統(tǒng)電磁流量計信號帶寬處于低頻段，前后級放大器的通頻帶是一致的，會造成后級放大輸出信號耦合到前級，非常容易導(dǎo)致放大器自激。而本發(fā)明可以?充分利用“超高頻諧振勵磁”的優(yōu)勢，勵磁諧振頻率高達1mhz甚至以上，因此可以采用前級放大器和后級放大器不在一個通頻帶的方式實現(xiàn)信號隔離，可以有效避免自激。

51、優(yōu)選的前級采用通帶放大器，中心頻率可以根據(jù)選擇的勵磁諧振頻率而確定，而前后選擇0.25?-?0.5mhz帶寬（優(yōu)選值），前級放大倍數(shù)優(yōu)選范圍為：100?-?250?倍，這樣的設(shè)計非常容易集成電路化，并且可以獲得穩(wěn)定的放大。

52、優(yōu)選的后級采用低通濾波器，轉(zhuǎn)折頻率選擇為50khz左右，與前級高頻通帶相差很遠(yuǎn)，因此不會形成前后級的耦合，即使總放大倍數(shù)超過10萬，也不會形成自激，其原理類似超外差無線接收機。

53、本發(fā)明的獨特放大器結(jié)構(gòu)，決定了本發(fā)明可以獲得精確的流量測量。在本發(fā)明涉及的信號放大電路中，前后級放大器采用不同的通頻帶，這樣做的優(yōu)點是前后級信號不會產(chǎn)生耦合，避免自激，為實現(xiàn)這個目的需要在前后級放大器之間插入：信號同步檢波變換電路。本發(fā)明利用勵磁諧振信號與測量信號之間的同步關(guān)系，把勵磁諧振信號整形成方波作為同步檢波的“同步信號”，用于控制檢波mos橋路的開通動作。這樣做的優(yōu)點是：利用mos的同步導(dǎo)通實現(xiàn)精確檢波。

54、3、專用芯片化設(shè)計

55、本發(fā)明涉及一種超高頻諧振勵磁低功耗電磁流量計，其優(yōu)勢在于：第一、通過超高頻諧振勵磁可以大幅度降低勵磁功耗，驅(qū)動電路僅僅需要提供一個初始勵磁電流，而后續(xù)的信號測量采用勵磁線圈與電容的諧振即可完成，這是實現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵；第二、利用超高頻勵磁的特性，可以把測量信號的放大電路分成：前級的高頻通帶放大和后級的低通放大，中間插入同步檢波變換，這樣可以獲得穩(wěn)定的高倍增益，提高測量精度。

56、但是，上述電路比較復(fù)雜，成本較高，比較恰當(dāng)?shù)姆椒ㄊ窃O(shè)計專用芯片。

57、根據(jù)本發(fā)明的獨特結(jié)構(gòu)：勵磁處理和信號處理在測量管道的兩側(cè)，分別占用其中的一側(cè)，這樣設(shè)計的優(yōu)點在于：強大的勵磁諧振電流會限制在勵磁處理pcb上，而信號處理pcb單獨放置，有效避免了諧振電流干擾測量信號。

58、因此專用芯片根據(jù)功能劃分可以分成兩顆：勵磁驅(qū)動與同步信號生成芯片、信號處理與流量生成芯片。

59、（1）勵磁驅(qū)動與同步信號生成芯片

60、如圖10所示，l1為勵磁繞組電感，c1為諧振電容，cx為n1n2的分布電容。n1n2為n溝道m(xù)os管，兩個管子逆串接成雙向模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)，優(yōu)選采用sic?mos，有耐壓高損耗小的優(yōu)點。t1為模擬開關(guān)驅(qū)動耦合變壓器，耦合脈沖寬度5?-?20us。c2c3l2c4c5構(gòu)成電源濾波電路，可以有效隔絕勵磁諧振電流對電源的干擾。勵磁驅(qū)動與同步信號生成芯片，其內(nèi)部集成一個脈沖變壓器驅(qū)動器，和一個勵磁諧振信號整形電路。其中脈沖變壓器驅(qū)動器用于把輸入的勵磁信號放大到可以推動脈沖變壓器的功率；其中勵磁諧振信號整形電路用于把勵磁諧振信號整形為方波，作為電磁流量計信號檢波變換的“同步信號”。

61、（2）電磁流量計信號處理和流量生成芯片

62、電磁流量計的測量電極輸出信號為與諧振勵磁信號同步的高頻信號，并且信號幅度很小，預(yù)計信號電壓只有：?1.176uv?—?0.47mv，因此需要5000-?10000倍的放大才可以進行adc采樣，從而完成后續(xù)的流量計算。但是高倍數(shù)的放大電路非常容易自激，導(dǎo)致信號放大失敗，為解決這個問題，本發(fā)明采用前級高頻帶通放大器與后級低通放大器串聯(lián)的辦法，中間插入檢波變換，這有效避免了自激。

63、原始信號經(jīng)過前級放大，再經(jīng)過同步檢波后，變成寬度約為100個勵磁諧振周期的直流脈沖信號，寬度優(yōu)選為50-100個勵磁信號周期，這樣可以有效區(qū)分前后級放大器的通頻帶，不容易自激。直流?脈沖寬度太窄會造成前級后級放大器通帶重疊，容易自激，太寬會導(dǎo)致信號處理時間過長最終導(dǎo)致電路功耗過大。因此優(yōu)選100個勵磁諧振周期。

64、在本發(fā)明涉及的電磁流量計勵磁與信號測量過程中，都會出現(xiàn)溫度造成影響的問題，例如：勵磁驅(qū)動脈沖寬度一樣的情況下，溫度會造成模擬開關(guān)內(nèi)阻、線圈內(nèi)阻發(fā)生變化，在同樣脈沖寬度下，獲得的勵磁電流不一致，這會導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差，為克服溫度對測量精度的影響，電磁流量計信號處理和流量生成芯片內(nèi)部需要帶有溫度補償功能。

65、內(nèi)置pn結(jié)測溫信號調(diào)理電路，可以向單片機提供精確的測溫，由芯片內(nèi)集成的單片機內(nèi)核實現(xiàn)流量測量的溫度補償。

66、芯片內(nèi)置測量信號處理電路，由：前級通帶放大器、檢波變換、后級低通放大器組成，輸入原始信號為：電磁流量計的電極信號，同步信號來自于勵磁諧振電路的波形整形，同步信號用于控制同步橋路的檢波動作。

67、芯片內(nèi)置單片機內(nèi)核，含有高速adc，和程序數(shù)據(jù)存儲器，以及通信接口，其中高速adc用于測量溫度、流量信號，通信接口用于實現(xiàn)功能配置和輸出流量數(shù)據(jù)。

68、本發(fā)明的有益效果是：

69、1、與傳統(tǒng)電磁流量計的對比以及本發(fā)明的良好效果

70、本發(fā)明涉及的超高頻諧振勵磁低功耗電磁流量計，其基本原理就是：通過lc諧振回路的自由振蕩，僅僅需要一個充電脈沖，然后就可以利用諧振獲得更長時間的反復(fù)勵磁，從而獲得更長的測量時間，并且實現(xiàn)超低功耗的目的。

71、為達到這個目的，發(fā)明人從結(jié)構(gòu)上把勵磁線圈安裝在測量管道中間，遠(yuǎn)離金屬件，這樣可以避免高頻電磁場被金屬件吸收，從而獲得較高的q值。而傳統(tǒng)電磁流量計把勵磁線圈放在管道外面，雖然勵磁線圈的防水更加容易，但是勵磁線圈靠近磁屏蔽層獲得外部金屬管道線圈勵磁產(chǎn)生的電磁場會被金屬部件吸收，因此傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電磁流量計，無法采用本發(fā)明的“超高頻諧振勵磁”。

72、同時發(fā)明人優(yōu)選采用sic?mos實現(xiàn)雙向模擬開關(guān)驅(qū)動勵磁線圈，sic?mos損耗很小，并且利用雙向模擬開關(guān)的雙向阻斷作用，因此諧振回路可以獲得高q值。而傳統(tǒng)電磁流量計采用雙向直流脈沖勵磁，因此不需要雙向模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)的勵磁驅(qū)動，雙向直流脈沖勵磁的優(yōu)點是：可以獲得穩(wěn)定的勵磁電流，但是缺點在于：磁力周期長，功耗大。而本發(fā)明采用高壓大電流雙向模擬開關(guān)驅(qū)動勵磁，可以利用線圈和諧振電容的諧振作用提供更長的信號測量時間，而且利用lc回路的諧振作用，在測量期間不再需要電源提供電能，因此達到了降低功耗的目的，實際樣品試制測試本發(fā)明可以把勵磁功耗降低到15ua以下。本發(fā)明優(yōu)選采用sic?mos構(gòu)成的雙向模擬開關(guān)作為勵磁驅(qū)動，其目的是減小開關(guān)器件在諧振勵磁期間的消耗，提高諧振勵磁lc回路的q值，這是本發(fā)明的重要優(yōu)勢。當(dāng)然也可以采用開關(guān)效率較低的普通si?mos，但是效果欠佳，不能作為繞開本發(fā)明的借口。

73、同時由于被測信號非常微弱，發(fā)明人充分利用輸出信號與勵磁諧振同步的特性，以及超高頻諧振勵磁特性，在放大器中間插入一次檢波變換，把前級放大器和后級放大器的通頻帶區(qū)分開，從而避免前后耦合，避免自激，獲得了高倍穩(wěn)定放大器。而傳統(tǒng)電磁流量計采用直接放大電路結(jié)構(gòu)，前后級之間的信號帶寬一致，因此非常容易出現(xiàn)自激，測量誤差較大。而本發(fā)明可以獲得高達1-10萬倍的穩(wěn)定放大，測量精度更高。

74、同時考慮到勵磁、以及周圍材料對電磁波的吸收均會隨溫度變化，因此發(fā)明人采用溫度修調(diào)的方式實現(xiàn)流量—溫度補償，因此在全溫度范圍內(nèi)均可以獲得高精度。

75、通過以上技術(shù)措施，獲得的良好效果是：

76、第一、電磁流量計在1秒測量一次的情況下，平均功耗在13?-15ua；

77、第二、最小測量流速5-8mm/s，折算到dn15管道，最小流量達到4.5?-?7.2l/h，最大流量按照3000l/h計算，量程比達到：416?-?666。

78、2、與超聲波流量計的比較

79、隨著智能化計量儀表的發(fā)展，全球范圍內(nèi)的水表廠家都在尋求智能水表的全電子化道路，為實現(xiàn)這個目的國內(nèi)外的同行做出了大量努力，目前最受關(guān)注的方案是：超聲波流量計水表，但是超聲波流量計采用壓電陶瓷換能器，壓電陶瓷較為脆弱，在遇到強烈震動，以及長期高低溫老化下，壓電陶瓷會出現(xiàn)內(nèi)部分層斷裂故障，而失去計量作用，與此同時水中的泥垢會不斷沉積在換能器表面，導(dǎo)致?lián)Q能器失配，從而引起較大測量誤差。長期以來業(yè)內(nèi)始終認(rèn)為：電磁流量計是一種更加耐噪，更加準(zhǔn)確、更加穩(wěn)定的流量測量方法，但是長期以來電磁流量計由于需要較大電流進行勵磁，因此功耗較大，因此無法用于小口徑水表的全電子化。

80、而本發(fā)明采用超高頻諧振勵磁實現(xiàn)了電磁流量計的低功耗化，并且采用特殊的信號處理方法實現(xiàn)了穩(wěn)定的高倍放大器，從而實現(xiàn)在低功耗化的同時不損失精度，甚至獲得更高的測量精度。因此本發(fā)明開啟了全電子化水表的新時代，對世界范圍內(nèi)的水表、流量計發(fā)展有巨大推動作用。