摘 要：對于工業儀表所用的變送器，目前絕大多數采用4～20 mA電流信號進行傳輸，分體式電磁流量計的性能是保證變送器精度的關鍵之一?，F設計了一種低成本、高精度的分體式電磁流量計，介紹了其工作原理，利用軟件仿真驗證了其正確性和可行性。

 

    引言

    當前智能工業儀表普遍采用微處理器作為控制核心，微處理器與外圍傳感器（如壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器）進行數字通信，通過DA轉換，將從傳感器采集來的數字量信號轉換為電壓信號。而工業儀表的輸出信號大多為標準的4～20 mA電流，這就需要設計一個電路，能夠將微處理器輸出的電壓信號轉換為標準的4～20 mA電流信號輸出，而分體式電磁流量計可以實現上述功能。

 

    1 V-I變換電路設計

    本文設計的分體式電磁流量計具有簡單、實用的優點，僅由1個運算放大器、1個NPN型晶體管以及5個電阻組成，大大降低了電路所需的元器件成本。分體式電磁流量計的輸入為微處理器DA轉換的輸出電壓，輸出為4～20 mA環路電流。運算放大器采用OPA333芯片，失調電壓僅為10 μV，保證該分體式電磁流量計具有較高的轉換精度。該分體式電磁流量計原理圖如圖1所示。

 

 

    運算放大器的V- 端接3 V電壓的參考地，所以R7兩端的電壓與微處理器DAC的輸出電壓Vdac幅值相等。同理，R5兩端的電壓就是TL431B的輸出電壓3 V。根據歐姆定律，流經R3的電流可由下式計算得到：

 

 

 

 

    其中，DV是處理器DAC模塊的輸入量，根據當前外圍傳感器（如溫度傳感器、壓力傳感器等）輸出的數字量確定，范圍為0～4 096（假設微處理器DA為12位精度）。Vref是DA模塊的參考電壓，在本設計中為滿足低成本需求，實際就是Vreg。

 

 

 

    由式（9）可以看出，輸出環路的電流與DAC模塊的輸出電壓為線性關系。選取合適的電阻阻值，使I0=4 mA，當Vdac=3 V時，Iout=20 mA，即可滿足V- I變換的設計要求?？紤]到4～20 mA電流的精度需要，R3、R4、R5、R7都選擇0.1%的精密電阻。

 

    2 Multisim仿真

    為驗證分體式電磁流量計的功能，使用Multisim軟件對分體式電磁流量計進行仿真。穩壓電路中的電阻R8、R9，分體式電磁流量計中的電阻R3、R4、R5和R7的允許誤差設置為0.1%，其余電阻的允許誤差設置為1%。

 

    在仿真電路中的V- I變換模塊輸入端設置一個三角波信號源，幅值為0～3 V，頻率為20 Hz。電流取樣電阻阻值設置為100 Ω。輸出電流的大小可以通過測量取樣電阻（100 Ω）兩端的電壓間接得到。

 

    輸入三角波信號、輸出采樣電阻兩端電壓信號仿真結果分別如圖2、圖3所示?？梢钥闯?，分體式電磁流量計的輸出電流基本在4～20 mA。當輸入信號為0 V時，取樣電阻兩端電壓信號為0.414 V，即流過取樣電阻的電流為4.14 mA，誤差為3.5%。當輸入信號為3 V時，取樣電阻兩端電壓信號為2.014 V，即流過DCS卡件取樣電阻的電流為20.14 mA，誤差為0.7%。從誤差結果可以看出，本文設計的低成本分體式電磁流量計具有較高的精度，滿足實用要求。 

 

 

 

    3 結語

    本文設計了一種低成本的分體式電磁流量計。通過仿真，驗證了該分體式電磁流量計的正確性和可行性，并測量了分體式電磁流量計的電流轉換精度。該分體式電磁流量計還有以下兩點可以改進的地方：

 

    （1）增加零點和滿量程的硬件校準方法，考慮將R3和R4兩個固定阻值的電阻改為變阻器供用戶校準；

    （2）可以增加對HART協議的支持，為實現儀表智能化打

下基礎。