概述

电磁流量计是一种测量导电介质体积流量的计量仪表,具有测量精度高、稳定性好、可靠性高等特点。电磁流量计除可测量一般导电液体的流量外,还可测量液固两相液体、高粘度液体及盐类、强酸、强碱液体的体积流量,可广泛应用于水泥、化工、轻纺、冶金、矿山、造纸、医药、给排水、食品饮料、环保等工业技术部门,其产品的性能、质量和可靠性对上述企业的经济效益有着重要的影响。


传统电磁流量计一般采用8位或16位的单片机,单片机处理性能较弱和外围接口少,同时不合适做低功耗设计;针对用电池供电的电磁流量计,系统需使用低功耗、高处理性的32 位处理器,为此以下将详细阐述基于EFM32的电池供电的电磁流量计方案。


电磁检测原理


电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中,测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆,上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时,则会产生感应电压,工作原理如图1所示。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬(橡胶,特氟隆等)实现与流体和测量电极的电磁隔离。

 


图1 电磁流量计原理图

 


B-磁通密度;D-测量管内径;V-流量信号(电动势);U-液体平均轴向流速;则

根据法拉第电磁感应定律,感应电压强度可用下面的简式表达: V=kBLeU。


在圆形管道中,体积流量是:

 

 

 

 

由上式可见,体积流量qv与感应电动势v和测量管内径D成线性关系,与磁场的磁感应强度B成反比,与其它物理参数无关。这就是电磁流量计测量导电液体体积流量的原理。


系统框架


基于EFM32的电磁流量计主要包括微控制器流量传感器系统电源、信号调理电路,共4个部分,系统框图如图2所示。

 


图2 电磁流量计系统框架

 


微控制器


电磁流量计的主控MCU可以选取带LCD驱动能力的EFM32TG840F32或EFM32G840F128,由于EFM32的产品各系列之间对应型号引脚直接兼容,用户可根据实际项目功能需求进行功能裁剪或升级。主控MCU通过DA输出励磁信号驱动流量传感器的励磁线圈产生磁场,并负责采集与处理流量传感器输出的感应电动势,同时可控制按键、显示等人机界面;励磁信号可采用三值低频方波励磁形式,如图3所示;

 


图 3 励磁信号波形

 

流量传感器


电磁流量计的主要特点:传感器结构简单,没有机械转动测量部件;在测量过程中,不受被测介质温度、粘度、密度以及电导率(在一定范围内)的影响;量程范围极宽,并只与被测介质的平均流速成正比,而与轴对称分布下的流动状态(层流、湍流)无关,而且反应灵敏,线性好。


系统电源


电磁流量计为电池供电,EFM32的工作电压为1.85~3.8V,工作电压范围比较宽,在一些3.6V的电池供电系统中无需前端添加LDO芯片。


方案优势


相对于传统的8位、16位单片机实现的电磁流量计,基于EFM32实现的本方案具有以下优势:


超低功耗


EFM32是全球最低功耗的32位微控制器,RTC、DMA可运行的EM2模式下,功耗电流仅为900nA,不运行RTC的模式下可低至600nA,而在不保存RAM数据时更是只有20nA。同时,片上更是集成了低功耗外设:低功耗UART及I2C可运行于EM2模式下,可在CPU睡眠模式下实现数据的收发及数据识别唤醒。由于电磁流量计为电池供电,对功耗有一定的要求,在对功耗要求比较高的场合甚至可由EFM32控制各模块的供电,最大限度的提高其待机时间,因此EFM32的低功耗具有明显的优势。


降低成本


EFM32采用ARM公司的Cortex-M3内核设计,其运算性能优异,支持硬件乘法器及除法器,支持ARM和Thumb2指令集,使程序代码密度高,执行效率快。片上集成有AD、DA信号采集与输出模块。在显示上,EFM32集成了最高达8*36段LCD驱动,LG和GG系列可支持320*240的16位TFT的RGB驱动,在带显示产品上可节省显示驱动IC。


后续EFR产品


Energy Micro后续会推出RF与MCU的SOC产品,在连续接收模式下只有4mA,在400MHz 0dBm的发送功率下5mA,10dBm时为14mA,最大输出功率为17dBm。最大接收灵敏度为-121dBm 。传输速度可高达4Mbit/s。它对于实现无线抄表和数据远传功能的电磁流量计非常适合。


总结


EFM32具有优异的低功耗特性,非常适合于对于用电池供电的电磁流量计应用。EFM32内核采用目前流行的Cortex-M3设计,极大地缩短了开发者的开发时间。EFM32具有丰富的外设,为系统扩展功能及降低成本提供了条件。因此,EFM32非常的适合于电磁流量计的应用。