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

       相关元器件供应：

       型号：EFM32TG840F32   

       品牌：SILICON LABS

　　EFM32TG840F32-QFN64 ARM Cortex-M3 32-bit Microcontroller

　　The EFM32TG840F32-QFN64 is an ARM Cortex-M3 based microcontroller (MCU) with speeds up to 32 MHz and is part of the Tiny Gecko family of energy friendly devices. Built on top of a low-power platform that includes innovative low energy techniques, fast wake-up times and energy saving modes the EFM32TG840F32-QFN64 is ideal for energy sensitive applications. In addition, this device includes 32 kB Flash, 4 kB RAM, 56 Dig I/O Pins, 2 x 16-bit Timers and multiple communication interfaces.

EFM32TG840F32-QFN64 ARM Cortex-M3 32 位微控制器

EFM32TG840F32-QFN64 是基于 ARM Cortex-M3 且速度达 32 MHz 的微控制器 (MCU)，并且是 Tiny Gecko 节能设备系列的一部分。建立在低能耗平台之上，该低能耗平台包括创新型低能耗技术、快速唤醒时间和最适合能源敏感应用的节能模式 EFM32TG840F32-QFN64。另外，本设备包括 32 kB 闪存、4 B RAM、56 数字 I/O 引脚、2 x 16 位定时器和多种通信接口。

规格摘要

MCU 内核：ARM

Cortex-M3 MHz：32

闪存 (kB)：32

RAM (kB)：4

I²S：1

SPI：2

I²C：1

UART：3

USART：2

数字 I/0 引脚：56

ADC：12 位、8 通道、1 Msps

DAC：12 位、2 通道

LCD：是

封装类型：QFN64

封装尺寸：9 × 9

EFM32TG840 DATASHEET

• ARM Cortex-M3 CPU platform

• High Performance 32-bit processor @ up to 32 MHz

• Wake-up Interrupt Controller

• Flexible Energy Management System

• 20 nA @ 3 V Shutoff Mode

• 0.6 µA @ 3 V Stop Mode, including Power-on Reset, Brown-out Detector, RAM and CPU retention

• 1.0 µA @ 3 V Deep Sleep Mode, including RTC with 32.768 kHz oscillator, Power-on Reset, Brown-out Detector, RAM and CPU retention

• 51 µA/MHz @ 3 V Sleep Mode

• 150 µA/MHz @ 3 V Run Mode, with code executed from flash

• 32/16/8 KB Flash

• 4/4/2 KB RAM

• 56 General Purpose I/O pins

• Configurable push-pull, open-drain, pull-up/down, input filter, drive strength

• Configurable peripheral I/O locations

• 16 asynchronous external interrupts

• Output state retention and wake-up from Shutoff Mode

• 8 Channel DMA Controller

• 8 Channel Peripheral Reflex System (PRS) for autonomous inter-peripheral signaling

• Hardware AES with 128/256-bit keys in 54/75 cycles

• Timers/Counters

• 2× 16-bit Timer/Counter

• 2×3 Compare/Capture/PWM channels

• 16-bit Low Energy Timer

• 1× 24-bit Real-Time Counter

• 1× 16-bit Pulse Counter

• Watchdog Timer with dedicated RC oscillator @ 50 nA

• Integrated LCD Controller for up to 8×20 segments

• Voltage boost, adjustable contrast and autonomous animation

• Communication interfaces

• 2× Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter

• UART/SPI/SmartCard (ISO 7816)/IrDA/I2S

• Triple buffered full/half-duplex operation

• Low Energy UART

• Autonomous operation with DMA in Deep Sleep Mode

• I2C Interface with SMBus support

• Address recognition in Stop Mode

• Ultra low power precision analog peripherals

• 12-bit 1 Msamples/s Analog to Digital Converter

• 8 single ended channels/4 differential channels

• On-chip temperature sensor

• 12-bit 500 ksamples/s Digital to Analog Converter

• 2 single ended channels/1 differential channel

• 2× Analog Comparator

• Capacitive sensing with up to 8 inputs

• 3× Operational Amplifier

• 6.1 MHz GBW, Rail-to-rail, Programmable Gain

• Supply Voltage Comparator

• Low Energy Sensor Interface (LESENSE)

• Autonomous sensor monitoring in Deep Sleep Mode

• Wide range of sensors supported, including LC sensors and capacitive buttons

• Ultra efficient Power-on Reset and Brown-Out Detector

• 2-pin Serial Wire Debug interface

• 1-pin Serial Wire Viewer

• Pre-Programmed UART Bootloader

• Temperature range -40 to 85 ºC

• Single power supply 1.98 to 3.8 V

• QFN64 package

32-bit ARM Cortex-M0+, Cortex-M3 and Cortex-M4 microcontrollers for:

• Energy, gas, water and smart metering

• Health and fitness applications

• Smart accessories

• Alarm and security systems

• Industrial and home automation

EFM32TG840系列

EFM32TG840F8-QFN64

EFM32TG840F16-QFN64

EFM32TG840F32-QFN64

　　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

　　EFM32TG/G系列单片机采用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。

　　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。

　　电磁流量计(Electromagnetic Flowmeters，简称EMF)是20世纪50~60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。 电磁流量计是应用电磁感应原理， 根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器。

　　电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。电磁流量计的优点是压损极小，可测流量范围大。最大流量与最小流量的比值一般为20：1以上，适用的工业管径范围宽，最大可达3m，输出信号和被测流量成线性，精确度较高，可测量电导率≥5μs/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆、纸浆等的流体流量。但它不能测量气体、蒸汽以及纯净水的流量。

　　当导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中会产生感应电势，感应电势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比。同理，导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁感应力线时，也会在管道两边的电极上产生感应电势。感应电势的方向由右手定则判定，感应电势的大小由下式确定：

　　Ex=BDv-----------------式(1)

　　式中Ex—感应电势，V;

　　B—磁感应强度，T

　　D—管道内径，m

　　v—液体的平均流速，m/s

　　然而体积流量qv等于流体的流速v与管道截面积(πD²)/4的乘积，将式(1)代入该式得：

　　Qv=(πD/4B)* Ex ---------式(2)

　　由上式可知，在管道直径D己定且保持磁感应强度B不变时，被测体积流量与感应电势呈线性关系。若在管道两侧各插入一根电极，就可引入感应电势Ex，测量此电势的大小，就可求得体积流量。

　　据法拉第电磁感应原理，在与测量管轴线和磁力线相垂直的管壁上安装了一对检测电极，当导电液体沿测量管轴线运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势由两个检测电极检出，数值大小与流速成正比例，其值为：

　　E=B·V·D·K

　　式中： E-感应电势;

　　K-与磁场分布及轴向长度有关的系数;

　　B-磁感应强度;

　　V-导电液体平均流速;

　　D-电极间距;(测量管内直径)

　　传感器将感应电势E作为流量信号，传送到转换器，经放大，变换滤波等信号处理后，用带背光的点阵式液晶显示瞬时流量和累积流量。转换器有4~20mA输出，报警输出及频率输出，并设有RS-485等通讯接口，并支持HART和MODBUS协议。

　　注：不同电磁流量计参数略有差异，使用时请务必查看说明书。

　　根据法拉第电磁感应定律，在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速v流动时，导电流体就切割磁力线.如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间产生感生电动势：

　　e=KBDv (3-36)

　　式中，v为管道截面上的平均流速，k为仪表常数。由此可得管道的体积流量为：

　　qv= πeD/4KB (3-37)

　　由上式可见，体积流量qv与感应电动势e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。这就是电磁流量计的测量原理。

　　需要说明的是，要使式(3—37)严格成立，必须使电磁流量计测量条件满足下列假定：

　　①磁场是均匀分布的恒定磁场;

　　②被测流体的流速轴对称分布;

　　③被测液体是非磁性的;

　　④被测液体的电导率均匀且各向同性。