非滿管電磁流量轉換器的研制

非滿管電磁流量計轉換器
    傳感器產生的感應電動勢信號幅值極其微弱，干擾信號很多也很復雜，信號的幅值也會受到磁場變動的影響。因此，傳感器測量到的感應電動勢不能直接用于流量的顯示，不能被其他的儀表和系統接受，必須經過放大、變換為統一的或標準的信號輸出或直接顯示測量結果，這樣在工業檢測和測量中才有實際意義。一般來說，電磁流量轉換器包括勵磁電路和信號處理電路，包括以下基本電路： 勵磁電路，電源電路，差動前置放大，主放大器，同步采樣、保持電路，高通和低通濾波，單片機【30’34，351以及其外圍電路【36。381，一些輔助功能如報警電路。下面分為勵磁電路和信號處理電路兩個部分進行介紹。
   3．1非滿管電磁流量轉換器的勵磁電路
   電磁流量轉換器勵磁電路中的勵磁芯片選用XR．2206CP，它是單片集成函數發生器，可以產生高穩定性和精度的正弦波，方波，三角波，斜波和矩形脈沖波。輸出的波形可由外部電壓控制其幅值和頻率。信號頻率的輸出可調范圍在O．1Hz-1MHz之間，溫漂很小，在20pprn／oC，適合用于通信、儀器以及函數信號發生器，AM／FM和FSK發生器上，振蕩器的頻率掃頻范圍可由外部電壓控制在2000：1，且失真率低，其中輸出正弦波的失真率在o．5％。該芯片是由壓控振蕩器、乘法器和正弦波發生器、電流開關以及unity增益緩沖放大器幾個模塊組成。圖3．1是正弦波產生的電路，該芯片的輸出腳是2腳，輸出信號的頻率由芯片的5腳和6腳之問的電容值，以及7腳或者8腳之間的電阻值所決定的，若5， 6腳之間的電容值為C，7，8腳的某一電阻值為R，則輸出信號的頻率f=I／(RC)。引腳9決定了是選擇7腳還是8腳作為輸出信號頻率的決定電阻。壓控振蕩器產生一個與輸入電流成比例的輸出頻率，圖3．1中的9腳開路，即意味著選擇了7腳的電阻作為控制正弦波輸出頻率的值的電阻，由于是7腳被激活，因此該電流由圖3．1中芯片7腳和地之間的電阻值設定，通過調節7腳的電阻值改變頻率fo 3腳連接的電阻值控制了輸出信號的幅值大小，它被偏置在電源V+和地之間的中間位置，輸出的電壓的幅值在V+／2，對于正弦波的輸出來說，3腳的電阻每增加1KQ，輸出幅值約增加60mV。勵磁信號的功率放大電路保留原有低頻正弦波電磁流量計采用的運算放大器進行電壓放大與功率放大管組成的互補對稱推挽電流放大相結合的功率放大電路【291。信號輸出22 jr 圖3．1產生低頻正弦波的電路
   3．2非滿管電磁流量轉換器的電極信號處理
    (1)電極信號的放大【29'39】
    普通型智能型電磁流量計的電極信號放大采用的前置放大電路一般是用AD620儀用放大器來實現的，AD620儀用放大器是一種用來測量兩個輸入端之間的電位差，并以設定的增益對信號進行精密放大的專用增益模塊，它是與傳感器配合使用的重要放大器。AD620只需一個外接電阻就可以實現l～1000倍的信號放大倍數，但是如果要實現幾個不同放大倍數之間的轉換，就需要并聯幾個不同大小的電阻，每個電阻可以通過跳線控制通斷，以選擇需要的不同的放大倍數，為了省去每次都要調節不同的電阻值獲得需要的放大倍數，這里改用可編程增益儀用放大器LTC6915來實現這一個功能，只需要在程序上設定一下，就可以實現不同放大倍數之間的轉換。電極信號的放大電路如下圖3．2所示，圖3．2所示的是一對測量電極的信號放大電路，其余兩對的信號放大與之相同，只是在可編程增益儀用放大器LTC6915的增益大小設置上不同。圖3．2電極信號放大電路圖電極之間的差動信號在進入可編程增益儀表放大器之前，先要將電極信號進行信號的預處理。
     電極信號的預處理電路相當于是一個低通濾波和一個高通濾波串聯，其中Rlsib和Clsib，R2sib和C2sib組成低通濾波器，C3sib，R4sib，R5sib和運放U7A以及C5sib，R6sib，R7sib和運放U7B組成兩組高通濾波器。低通濾波器消除高頻干擾，電路這樣設置的目的是使得高通濾波器的電阻近似與運放的輸入阻抗，并且高頻濾波器可以起到隔直的作用。
    LTC6915這款可編程增益儀表放大器的增益大小可以通過并行接口，可以將放大倍數設置在0-4096范圍內的14級可編程增益放大器，放大的范圍*可以滿足電磁流量轉換器中代替一般儀用放大器如AD620的要求。在5V電壓的供電下，共模抑制比可以達到125dB，在溫漂不超過50nV／。C時，輸出的電壓偏差在109V以下。它采用的是充電平衡采樣數據技術將一個差分輸入電壓轉換成單端信號，再由一個零漂移運算放大器對信號進行放大。引腳11接電源正，該芯片采用并行模式，增益由并行代碼DO～D3決定，即圖中的CS(DO)、DATA(D1)、CLK(D2)、Dout(D3)。同時D3腳要連接一個10K的電阻值用于分流。放大器的增益設置如表3．1： 表3．1放大器的增益設置D3，D2，D1，DO 0010 010l 1000 增益O 1 2 4 8 16 32 64 128 D3，D2，D 1，DO 101l 1100 110l ～111l 增益256 512 4096 DO，D1，D2，D3連接到單片機的I／O上，通過改變I／O的高低電平達到最終改變放大器增益的目的。
   (2)信號放大后的濾波處理
   電極信號放大處理后，在通到多路模擬開關之前，先經過高通濾波和低通濾波電路的濾波處理。因為電極信號除了包含有用信號(交流信號)之外，還有直流偏置和工頻干擾，經過了放大器的放大之后，干擾信號也隨之放大，因此在進入多路模擬開關之前，先要硬件濾波處理。高通濾波和低通濾波均采用二階巴特沃思濾波器，并且用Matlab軟件的simulink功能進行了電路仿真【40，411，性能較好。
   (3)多路模擬開關
   在上文中也提到，多路模擬開關是用來選擇合適的某對測量電極，進行感應電動勢信號的提取，該部分電路圖如圖3．3所示。這里選擇的模擬開關是MAX4602，它是四路常開的多路模擬開關，它在工作于低得多的電壓時，可以提供2．5Q的導通電阻，供電為±12V時的導通電阻不超過3Q。所謂的四路常開是指，當沒有輸入控制信號時，四路輸出為零。圖3．3多路模擬開關文中只需要用到其中的三個模擬開關，每對電極經過可編程增益放大器之后的單端信號，連接到MAX4602的INl、IN2和IN3的三個輸入端，由于每次只會有一路模擬開關的輸出端是導通的，因此將三路輸出信號連接到一起。控制信號的輸入仍然是通過單片機完成，由單片機I／O口的P6．3、P6．4和P6．5的高低電平狀態控制。
   (4)乘法器電路
   乘法器電路采用的芯片AD734， AD734的輸入范圍只能在．10～10V，這么大的輸入范圍，可以保證即使前置的電路干擾信號沒有去除干凈，乘法器輸入端的有用信號幅值也在輸入范圍內。
    AD734也是一款四象限模擬乘法器，但是其信號頻寬輸入為10MHz，但是因為勵磁頻率本身就是低頻信號，AD734的10MHz的頻寬輸入*可以滿足需求。兩路輸入是勵磁反饋信號FB和多路模擬開關的輸出信號，這里的AD734的電路的輸入輸出關系不是W=XY，而是W=XY／10，因此在乘法器后面串接一個放大電路，否則就造成輸出信號太微弱了。
    前文中提過，乘法器的輸出信號的直流分量與流體流過的平均流速是呈線性關系的，因此為了提取該直流信號，也為了后續的軟件濾波處理的效果可以更好， 在放大器的后一級串接了一個二階巴特沃斯低通濾波器，鑒于勵磁頻率選用5Hz，因此低通濾波器的截止頻率f設置5．3Hz即可滿足要求。圖3．4中低通濾波器的輸出信號out端理論上應該是一直流信號，但是實際中可能還會存在一些交流的干擾信號，因此在out端通入單片機的A／D模塊之前， 還需要進行電平提升，以滿足MSP430系列單片機信號輸入范圍的要求。
    本文詳細介紹了非滿管開封電磁流量計的測量步驟和它的兩大組成部分，傳感器和轉換器的硬件設計。傳感器部分設計了將3對測量電極與差壓傳感器相結合的方法，用以實現非滿管流體流速和液位值的測量。轉換器部分以MSP430單片機為核心，其中，勵磁電路產生勵磁信號通入勵磁線圈中進行激勵、信號處理電路將每對電極間的感應電動勢信號進行了放大、濾波，并且在信號處理電路中，采用了多路模擬開關，用于選擇不同液位下的測量電極對，實現了非滿管流體流量測量的基礎硬件平臺。--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：