摘 要：对于工业仪表所用的变送器，目前绝大多数采用4～20 mA电流信号进行传输，分体式电磁流量计的性能是保证变送器精度的关键之一。现设计了一种低成本、高精度的分体式电磁流量计，介绍了其工作原理，利用软件仿真验证了其正确性和可行性。

 

    引言

    当前智能工业仪表普遍采用微处理器作为控制核心，微处理器与外围传感器（如压力传感器、温度传感器、湿度传感器）进行数字通信，通过DA转换，将从传感器采集来的数字量信号转换为电压信号。而工业仪表的输出信号大多为标准的4～20 mA电流，这就需要设计一个电路，能够将微处理器输出的电压信号转换为标准的4～20 mA电流信号输出，而分体式电磁流量计可以实现上述功能。

 

    1 V-I变换电路设计

    本文设计的分体式电磁流量计具有简单、实用的优点，仅由1个运算放大器、1个NPN型晶体管以及5个电阻组成，大大降低了电路所需的元器件成本。分体式电磁流量计的输入为微处理器DA转换的输出电压，输出为4～20 mA环路电流。运算放大器采用OPA333芯片，失调电压仅为10 μV，保证该分体式电磁流量计具有较高的转换精度。该分体式电磁流量计原理图如图1所示。

 

 

    运算放大器的V- 端接3 V电压的参考地，所以R7两端的电压与微处理器DAC的输出电压Vdac幅值相等。同理，R5两端的电压就是TL431B的输出电压3 V。根据欧姆定律，流经R3的电流可由下式计算得到：

 

 

 

 

    其中，DV是处理器DAC模块的输入量，根据当前外围传感器（如温度传感器、压力传感器等）输出的数字量确定，范围为0～4 096（假设微处理器DA为12位精度）。Vref是DA模块的参考电压，在本设计中为满足低成本需求，实际就是Vreg。

 

 

 

    由式（9）可以看出，输出环路的电流与DAC模块的输出电压为线性关系。选取合适的电阻阻值，使I0=4 mA，当Vdac=3 V时，Iout=20 mA，即可满足V- I变换的设计要求。考虑到4～20 mA电流的精度需要，R3、R4、R5、R7都选择0.1%的精密电阻。

 

    2 Multisim仿真

    为验证分体式电磁流量计的功能，使用Multisim软件对分体式电磁流量计进行仿真。稳压电路中的电阻R8、R9，分体式电磁流量计中的电阻R3、R4、R5和R7的允许误差设置为0.1%，其余电阻的允许误差设置为1%。

 

    在仿真电路中的V- I变换模块输入端设置一个三角波信号源，幅值为0～3 V，频率为20 Hz。电流取样电阻阻值设置为100 Ω。输出电流的大小可以通过测量取样电阻（100 Ω）两端的电压间接得到。

 

    输入三角波信号、输出采样电阻两端电压信号仿真结果分别如图2、图3所示。可以看出，分体式电磁流量计的输出电流基本在4～20 mA。当输入信号为0 V时，取样电阻两端电压信号为0.414 V，即流过取样电阻的电流为4.14 mA，误差为3.5%。当输入信号为3 V时，取样电阻两端电压信号为2.014 V，即流过DCS卡件取样电阻的电流为20.14 mA，误差为0.7%。从误差结果可以看出，本文设计的低成本分体式电磁流量计具有较高的精度，满足实用要求。 

 

 

 

    3 结语

    本文设计了一种低成本的分体式电磁流量计。通过仿真，验证了该分体式电磁流量计的正确性和可行性，并测量了分体式电磁流量计的电流转换精度。该分体式电磁流量计还有以下两点可以改进的地方：

 

    （1）增加零点和满量程的硬件校准方法，考虑将R3和R4两个固定阻值的电阻改为变阻器供用户校准；

    （2）可以增加对HART协议的支持，为实现仪表智能化打

下基础。