恒磁式電磁流量計極化控制電路總體設計

恒磁式電磁流量計極化控制電路總體設計
   在恒磁式電磁流量計中，直流極化電壓隨機性大，而且幅值相對較大。由于磁場強度增加，反應流速的感應電動勢相應增大，但與極化電壓相比，仍然非常微弱。極化控制電路的主要任務，就是將極化電壓控制到重復穩定的值， 以便提取出微弱的、反映流量的感應電動勢。因此，極化控制電路在整個恒磁式電磁流量計中占據非常重要的地位。
   極化電壓是直流信號，其變化相對緩慢，變化頻率遠遠小于模擬開關的控制頻率。感應電動勢則是由于微觀粒子在洛侖茲力的作用下發生偏轉產生的電勢差，而微觀粒子的偏轉速度極快，所以當流體流過管道時，感應電動勢在瞬間就能建立起來，感應電動勢的產生速度遠遠大于模擬開關的控制頻率。因此， 本課題設計的動態反饋極化控制原理僅僅對宏觀上的極化電壓有抑制作用，而對由微觀粒子的偏轉產生的感應電動勢并沒有影響。所以，在連續的測量控制時序的周期作用下，極化電壓*可以控制到一個預先設定的恒定值。
   由于采用自動跟蹤反饋控制的思想，極化控制電路由微處理器來集中控制。在控制方波的一個周期內，測量時間段內MCU將模擬開關打開，不進行反饋控制，此時MCU控制ADC采集電極上的信號；控制時間段內MCU將模擬開關閉合，進行反饋控制，此時不采集電極上的信號。由于極化電壓的變化非常緩慢，而控制方波的一個周期內，被控制后的極化電壓根本來不及變化。因而， 一個周期內進行半周期的測量和半周期的控制*可以有效地控制極化電壓并采集反映流量的感應電動勢信號。
   兩個電極信號分別引入各自的極化電壓控制電路，極化控制電路的示意圖如圖4．12所示，可以分為兩大部分：前向通道和反饋通道。前向通道中，電極信號S經過濾波預處理電路后，經過級同相信號放大電路(輸入阻抗高，輸出阻抗低)進行一次放大，放大后的信號經過一階低通濾波電路，初步去除信號的高頻噪聲和感應電動勢信號，然后經過反相信號放大電路對信號進行進一步的放大，通過兩級放大后所獲得的信號通常為原先電極信號的幾百倍甚至上千倍，經過兩級信號放大電路后的信號再通過一階低通濾波電路，此時反映流量的感應電動勢和高頻噪聲已經基本消除，獲得的是平穩的直流極化電壓信號。此時的極化電壓是雙極性信號，經過電平提升電路后轉換為具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的單極性信號，并具有較強的驅動能力。然后通過A／D采樣，轉換為數字信號后發送到單片機。
   反饋通道中，A／D轉換后的極化電壓信號發送到微處理器，MCU比較極化電壓的采樣值和預先設定值的大小，然后根據結果調整時序發生器的波形， 從而改變模擬開關的開關時間，通過模擬開關連接到電極上的正負控制電壓的反饋時間發生變化，迫使極化電壓保持在預先設定的值。從而實現對極化電壓的*控制，使恒磁式電磁流量計應用到一般流體測量中成為可能。
   4．3．2．2 前向通道電路
   由圖4．12可知，前向通道電路主要包括信號的多級放大與濾波、電平提升電路以及A／D轉換電路。電平提升電路和A／D轉換電路前面已經介紹過，這里主要介紹極化電壓信號的多級放大與濾波電路，其電路圖如圖4．13所示。+3 6V 圖4．13極化電壓的放大濾波電路在圖4．13中，極化電壓信號的放大與濾波電路包括兩級一階RC有源濾波和兩級同相放大電路組成。級同相放大電路采用微功耗運算放大器OPl96， OPl96也是ADI公司生產的可單電源供電、軌對軌輸出的高性能運放，而且提供了兩個輸入失調電壓調整端，用來把運放的輸入失調電壓調整為零。OPl96 的具體性能參數可參閱其數據手冊。OPl96采用同相型放大電路，其電路的放大倍數為40。第二級同相放大電路采用運放OP281，其電路的放大倍數為20。這樣極化電壓信號總的放大倍數是兩級放大電路的放大倍數之積，即800倍。兩級一階RC濾波電路和后面的運算放大電路一起，構成了兩級的一階RC 有源濾波電路。由于極化電壓信號為直流信號，為了盡可能的抑制噪聲干擾， 同時獲得紋波較小的極化電壓信號，本課題選擇的濾波參數如圖4．13中所示。對于每級的一階RC濾波器，其截上匕頻率Y,j五=i品≈23．4 Hz。但是，由于Z7／"K(-， 電路設計為兩級一階RC濾波器串聯，帶寬將會縮小，’所以實際的截止頻率為
   4．3．2．3 反饋通道電路
   由圖4．12可知，反饋通道電路主要包括j下負控制電壓，連接正負控制電壓和電極的模擬開關，以及由MCU產生的控制模擬開關狀態的時序發生器等三部分組成。
   在本課題中，J下負控制電壓由電源加分壓電路直接產生，用來提供控制階段反饋到電極上的電壓信號。該方法簡單!但是其值相對于極化電壓來說太大， 而且其電壓固定，不能隨極化電壓幅度的變化而變化，控制不夠準確，影響信號測量的精度。因此，如果采用D／A輸出作為反饋電壓信號，MCU能夠根據極化電壓值來決定反饋電壓的大小，可以體現信號的變化，提高測量的準確性。在本課題中，模擬丌關的作用主要是控制反饋電壓與電極的連接狀態。由于測量數據的精度和反饋時間的準確度息息相關，而反饋時間由模擬開關控制， 所以需要模擬開關能很準確的進行丌關控制，因此需要模擬開關的上升下降時間都很短。本課題選用了公司的Intersil公司的ISL43112，ISL43112是單刀單擲(SPST)雙電源高性能模擬丌關，電源輸入范圍為±1．5V～±6V，該芯片的主要性能如下：導通電阻為15歐姆：導通時間40ns，關閉時間25ns。ISL41 12 通常情況下處于關斷狀態。如果控制端(IN)輸入信號為高電平時，模擬開關閉合，輸入端(NO)和輸出端(COM)呈導通狀態：相反，如果IN輸入信號為低電平時，模擬丌關斷丌，NO端和COM端呈斷丌狀態。這樣可以通過控制IN端的輸入信號控制模擬丌關的狀態。
   在本課題中，時序發生器由微處理器控制定時器產生，用以生成系統所需的邏輯時序，控制模擬丌關的通斷?？刂颇M丌關的邏輯時序波形如圖4．5所示，時序波形變化依據可以用示意圖4．14表示。圖4．14模擬開關控制時序變化示意圖
   每個電極上連接一對模擬開關K1和K2，K1接正控制電壓，K2接負控制電壓。兩個電極上的極化電壓信號經過A／D轉換后，轉化為數字信號送入微處理器，微處理器對采樣所得的極化電壓信號和設定值進行比較，按照圖4．14的控制邏輯改變模擬開關K1和K2的導通時間，進而改變控制階段正反饋電壓和負反饋電壓的作用時間，使極化電壓不斷向某一設定值靠攏，并最終穩定在該設定值，從而消除極化電壓對流量信號所產生的影響。這樣兩個電極上的信號差分即可獲得反映流量的感應電動勢信號。--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：