恒磁式電磁流量計(jì)極化控制電路總體設(shè)計(jì)

恒磁式電磁流量計(jì)極化控制電路總體設(shè)計(jì)
   在恒磁式電磁流量計(jì)中，直流極化電壓隨機(jī)性大，而且幅值相對(duì)較大。由于磁場強(qiáng)度增加，反應(yīng)流速的感應(yīng)電動(dòng)勢相應(yīng)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(wù)，就是將極化電壓控制到重復(fù)穩(wěn)定的值， 以便提取出微弱的、反映流量的感應(yīng)電動(dòng)勢。因此，極化控制電路在整個(gè)恒磁式電磁流量計(jì)中占據(jù)非常重要的地位。
   極化電壓是直流信號(hào)，其變化相對(duì)緩慢，變化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模擬開關(guān)的控制頻率。感應(yīng)電動(dòng)勢則是由于微觀粒子在洛侖茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電勢差，而微觀粒子的偏轉(zhuǎn)速度極快，所以當(dāng)流體流過管道時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢在瞬間就能建立起來，感應(yīng)電動(dòng)勢的產(chǎn)生速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬開關(guān)的控制頻率。因此， 本課題設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)反饋極化控制原理僅僅對(duì)宏觀上的極化電壓有抑制作用，而對(duì)由微觀粒子的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢并沒有影響。所以，在連續(xù)的測量控制時(shí)序的周期作用下，極化電壓*可以控制到一個(gè)預(yù)先設(shè)定的恒定值。
   由于采用自動(dòng)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(gè)周期內(nèi)，測量時(shí)間段內(nèi)MCU將模擬開關(guān)打開，不進(jìn)行反饋控制，此時(shí)MCU控制ADC采集電極上的信號(hào)；控制時(shí)間段內(nèi)MCU將模擬開關(guān)閉合，進(jìn)行反饋控制，此時(shí)不采集電極上的信號(hào)。由于極化電壓的變化非常緩慢，而控制方波的一個(gè)周期內(nèi)，被控制后的極化電壓根本來不及變化。因而， 一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)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(yīng)電動(dòng)勢信號(hào)。
   兩個(gè)電極信號(hào)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(hào)S經(jīng)過濾波預(yù)處理電路后，經(jīng)過級(jí)同相信號(hào)放大電路(輸入阻抗高，輸出阻抗低)進(jìn)行一次放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過一階低通濾波電路，初步去除信號(hào)的高頻噪聲和感應(yīng)電動(dòng)勢信號(hào)，然后經(jīng)過反相信號(hào)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大，通過兩級(jí)放大后所獲得的信號(hào)通常為原先電極信號(hào)的幾百倍甚至上千倍，經(jīng)過兩級(jí)信號(hào)放大電路后的信號(hào)再通過一階低通濾波電路，此時(shí)反映流量的感應(yīng)電動(dòng)勢和高頻噪聲已經(jīng)基本消除，獲得的是平穩(wěn)的直流極化電壓信號(hào)。此時(shí)的極化電壓是雙極性信號(hào)，經(jīng)過電平提升電路后轉(zhuǎn)換為具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的單極性信號(hào)，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。然后通過A／D采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)送到單片機(jī)。
   反饋通道中，A／D轉(zhuǎn)換后的極化電壓信號(hào)發(fā)送到微處理器，MCU比較極化電壓的采樣值和預(yù)先設(shè)定值的大小，然后根據(jù)結(jié)果調(diào)整時(shí)序發(fā)生器的波形， 從而改變模擬開關(guān)的開關(guān)時(shí)間，通過模擬開關(guān)連接到電極上的正負(fù)控制電壓的反饋時(shí)間發(fā)生變化，迫使極化電壓保持在預(yù)先設(shè)定的值。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)極化電壓的*控制，使恒磁式電磁流量計(jì)應(yīng)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(hào)的多級(jí)放大與濾波、電平提升電路以及A／D轉(zhuǎn)換電路。電平提升電路和A／D轉(zhuǎn)換電路前面已經(jīng)介紹過，這里主要介紹極化電壓信號(hào)的多級(jí)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(hào)的放大與濾波電路包括兩級(jí)一階RC有源濾波和兩級(jí)同相放大電路組成。級(jí)同相放大電路采用微功耗運(yùn)算放大器OPl96， OPl96也是ADI公司生產(chǎn)的可單電源供電、軌對(duì)軌輸出的高性能運(yùn)放，而且提供了兩個(gè)輸入失調(diào)電壓調(diào)整端，用來把運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓調(diào)整為零。OPl96 的具體性能參數(shù)可參閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)。OPl96采用同相型放大電路，其電路的放大倍數(shù)為40。第二級(jí)同相放大電路采用運(yùn)放OP281，其電路的放大倍數(shù)為20。這樣極化電壓信號(hào)總的放大倍數(shù)是兩級(jí)放大電路的放大倍數(shù)之積，即800倍。兩級(jí)一階RC濾波電路和后面的運(yùn)算放大電路一起，構(gòu)成了兩級(jí)的一階RC 有源濾波電路。由于極化電壓信號(hào)為直流信號(hào)，為了盡可能的抑制噪聲干擾， 同時(shí)獲得紋波較小的極化電壓信號(hào)，本課題選擇的濾波參數(shù)如圖4．13中所示。對(duì)于每級(jí)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(shè)計(jì)為兩級(jí)一階RC濾波器串聯(lián)，帶寬將會(huì)縮小，’所以實(shí)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(fù)控制電壓，連接正負(fù)控制電壓和電極的模擬開關(guān)，以及由MCU產(chǎn)生的控制模擬開關(guān)狀態(tài)的時(shí)序發(fā)生器等三部分組成。
   在本課題中，J下負(fù)控制電壓由電源加分壓電路直接產(chǎn)生，用來提供控制階段反饋到電極上的電壓信號(hào)。該方法簡單!但是其值相對(duì)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(zhǔn)確，影響信號(hào)測量的精度。因此，如果采用D／A輸出作為反饋電壓信號(hào)，MCU能夠根據(jù)極化電壓值來決定反饋電壓的大小，可以體現(xiàn)信號(hào)的變化，提高測量的準(zhǔn)確性。在本課題中，模擬丌關(guān)的作用主要是控制反饋電壓與電極的連接狀態(tài)。由于測量數(shù)據(jù)的精度和反饋時(shí)間的準(zhǔn)確度息息相關(guān)，而反饋時(shí)間由模擬開關(guān)控制， 所以需要模擬開關(guān)能很準(zhǔn)確的進(jìn)行丌關(guān)控制，因此需要模擬開關(guān)的上升下降時(shí)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(guān)，電源輸入范圍為±1．5V～±6V，該芯片的主要性能如下：導(dǎo)通電阻為15歐姆：導(dǎo)通時(shí)間40ns，關(guān)閉時(shí)間25ns。ISL41 12 通常情況下處于關(guān)斷狀態(tài)。如果控制端(IN)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，模擬開關(guān)閉合，輸入端(NO)和輸出端(COM)呈導(dǎo)通狀態(tài)：相反，如果IN輸入信號(hào)為低電平時(shí)，模擬丌關(guān)斷丌，NO端和COM端呈斷丌狀態(tài)。這樣可以通過控制IN端的輸入信號(hào)控制模擬丌關(guān)的狀態(tài)。
   在本課題中，時(shí)序發(fā)生器由微處理器控制定時(shí)器產(chǎn)生，用以生成系統(tǒng)所需的邏輯時(shí)序，控制模擬丌關(guān)的通斷。控制模擬丌關(guān)的邏輯時(shí)序波形如圖4．5所示，時(shí)序波形變化依據(jù)可以用示意圖4．14表示。圖4．14模擬開關(guān)控制時(shí)序變化示意圖
   每個(gè)電極上連接一對(duì)模擬開關(guān)K1和K2，K1接正控制電壓，K2接負(fù)控制電壓。兩個(gè)電極上的極化電壓信號(hào)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入微處理器，微處理器對(duì)采樣所得的極化電壓信號(hào)和設(shè)定值進(jìn)行比較，按照?qǐng)D4．14的控制邏輯改變模擬開關(guān)K1和K2的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而改變控制階段正反饋電壓和負(fù)反饋電壓的作用時(shí)間，使極化電壓不斷向某一設(shè)定值靠攏，并最終穩(wěn)定在該設(shè)定值，從而消除極化電壓對(duì)流量信號(hào)所產(chǎn)生的影響。這樣兩個(gè)電極上的信號(hào)差分即可獲得反映流量的感應(yīng)電動(dòng)勢信號(hào)。--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：