０引言

电磁流量计［１］的作用是通过对流量变送器以及用于补偿的温度、压力变送器的模拟信号、脉冲信号和数字信号进行采集、处理，然后用相关的数学模型计算出瞬时流量、累积流量等，并进行显示、存储和数据传输。在贸易算领域使用的电磁流量计根据供需双方的约定，会有更多的功能。但无论如何，供需双方对积算仪的测量精度，可靠性更为关注，因为这直接涉及双方的经济利益。对此，我们通过模拟信号处理、校准、ＰＣＢ布线、参数备份与校验等方面的设计，来确保精度和可靠性符合用户要求。

 

１提高测量精度的措施

１．１４～２０ｍＡ模拟信号的处理

４～２０ｍＡ电流环由于其众所周知的优点，在工业现场被广泛使用。在流量测量领域，很多变送器都支持４～２０ｍＡ信号输出。电磁流量计对该信号的采集处理比较简单，就是将电流信号通过采样电阻转换为电压信号。然后送入Ａ／Ｄ转换器，转换为数字信号。电路原理如图１所示。

电路特点：

（１）采用高精度、低温漂的采样电阻确保在整个温度范围内（－１０～５５℃）都满足精度指标，见表１；

（２）采用差分信号输入到Ａ／Ｄ转换器，有效降低共模干扰；

（３）采用压敏电阻和ＴＶＳ二级保护，避免雷击浪涌损坏后级电路，提高稳定性。

１．２ＰＴ１００热电阻信号处理ＰＴ１００热电阻用来测量介质的温度，进而获取密度等补偿参数。它的优点是结构简单、稳定性好、抗干扰能力强。

热电阻一般采用恒流源激励的方式，将阻值变化转换为电压变化的信号。为了确保激励电流不会使热电阻本身发热而导致测量误差，需要使用≤１ｍＡ的恒流源［２］。图２展示了一个由四个运放构成的ＰＴ１００测温电路［３］，该电路适合三线制热电阻。

从图２可以看出，运放Ｄ１Ａ、Ｄ１Ｂ和参考电压源Ｖｒｅｆ＿２．５Ｖ共同构成了一个恒流源，Ｉｒｅｆ＝２．５／２７００＝０．９２５９ｍＡ。Ｄ１Ｃ用于消除引线电阻，而运放Ｄ１Ｄ及其外围器件则构成了带增益的Ｓａｌｌｅｎ－Ｋｅｙ滤波器。由于采用了精密基准电压（２．５Ｖ）、电阻，低零漂运放等措施，整个电路在１０～３２０Ω范围内经校准后，相对误差**大值为－０．１６％。

１．３校准方法的改进

为了确保电磁流量计测量的准确性，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，我们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，我们都是对信号的零点和满量程点进行校准。例如：测量４～２０ｍＡ信号时，在０ｍＡ点和２０ｍＡ点进行校准。但是，根据实际的经验和不断测试，我们发现将校准点的下限选择为实际使用值而非０点，更能提高测量精度，实际上也更符合要求。有两点原因：

（１）通常情况下，越接近量程的下限，相对误差就越大。毫无疑问选择０点进行校准相对误差是**大的，而把一个相对误差**大的值作为校准点是不合适的。

（２）任何信号都有一个量程范围或者说常用范围。如电流环的４～２０ｍＡ，热电阻的１０～３２０Ω，我们**为关注这个范围内的测量精度，因此只要在此范围内进行校准即可。这也是我们可以将校准点下限选择在４ｍＡ或者１０Ω的原因。

经过以上改进，模拟量４～２０ｍＡ和ＰＴ１００热电阻的测量精度有了一定的改善，特别是在量程下限的时候。测试数据如表１所示。

１．４隔离与ＰＣＢ布局

１．４．１隔离措施

电磁流量计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。实际上在我们的电磁流量计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］，在电磁流量计的ＰＣＢ布局中，我们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采用硬件看门狗

在无人值守的产品中，采用看门狗电路避免系统死机，这是硬件工程师都熟知的，这里不再赘述。但是，看门狗还需要程序来支持，如何“喂狗”，如何能对所有的任务都能监控，在程序设计时是值得好好思考的［５］。对此，我们采用以下策略：

（１）对于无操作系统的前后台程序，将“喂狗”的操作放在主循环中；

（２）对于比较耗时的任务，单独“喂狗”，避免任务结束前就导致看门狗复位；

（３）不在中断子程序中“喂狗”。

２．２参数处理

贸易结算用的电磁流量计，其参数至关重要，因为这直接涉及计量的准确性。为此，我们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。在电磁流量计中，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）对写入的参数做ＣＲＣ校验，并将ＣＲＣ校验值一同保存。在加载参数时根据ＣＲＣ来确认参数是否正确，若不正确则先使用默认参数，并通过通信手段主动向监控端上报，提醒用户尽快干预，从而将损失降到**低。

（３）对于加载到ＲＡＭ中的参数，同样做ＣＲＣ校验，程序在运行过程中定时核对，若发现错误则重新从ＥＥＰＲＯＭ或ＦＲＡＭ中加载参数。

 

３结论

通过以上措施，电磁流量计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。