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非滿(mǎn)管電磁流量轉(zhuǎn)換器的研制

來(lái)源:開(kāi)封市中儀流量?jī)x表有限公司   2021年12月24日 09:00  

非滿(mǎn)管電磁流量轉(zhuǎn)換器的研制

非滿(mǎn)管電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器
    傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)幅值極其微弱,干擾信號(hào)很多也很復(fù)雜,信號(hào)的幅值也會(huì)受到磁場(chǎng)變動(dòng)的影響。因此,傳感器測(cè)量到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不能直接用于流量的顯示,不能被其他的儀表和系統(tǒng)接受,必須經(jīng)過(guò)放大、變換為統(tǒng)一的或標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸出或直接顯示測(cè)量結(jié)果,這樣在工業(yè)檢測(cè)和測(cè)量中才有實(shí)際意義。一般來(lái)說(shuō),電磁流量轉(zhuǎn)換器包括勵(lì)磁電路和信號(hào)處理電路,包括以下基本電路: 勵(lì)磁電路,電源電路,差動(dòng)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(jī)【30’34,351以及其外圍電路【36。381,一些輔助功能如報(bào)警電路。下面分為勵(lì)磁電路和信號(hào)處理電路兩個(gè)部分進(jìn)行介紹。
   3.1非滿(mǎn)管電磁流量轉(zhuǎn)換器的勵(lì)磁電路
   電磁流量轉(zhuǎn)換器勵(lì)磁電路中的勵(lì)磁芯片選用XR.2206CP,它是單片集成函數(shù)發(fā)生器,可以產(chǎn)生高穩(wěn)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(hào)頻率的輸出可調(diào)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(shù)信號(hào)發(fā)生器,AM/FM和FSK發(fā)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(fā)生器、電流開(kāi)關(guān)以及unity增益緩沖放大器幾個(gè)模塊組成。圖3.1是正弦波產(chǎn)生的電路,該芯片的輸出腳是2腳,輸出信號(hào)的頻率由芯片的5腳和6腳之問(wèn)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(hào)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(hào)頻率的決定電阻。壓控振蕩器產(chǎn)生一個(gè)與輸入電流成比例的輸出頻率,圖3.1中的9腳開(kāi)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(shè)定,通過(guò)調(diào)節(jié)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(hào)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(duì)于正弦波的輸出來(lái)說(shuō),3腳的電阻每增加1KQ,輸出幅值約增加60mV。勵(lì)磁信號(hào)的功率放大電路保留原有低頻正弦波電磁流量計(jì)采用的運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大與功率放大管組成的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)推挽電流放大相結(jié)合的功率放大電路【291。信號(hào)輸出22 jr 圖3.1產(chǎn)生低頻正弦波的電路
   3.2非滿(mǎn)管電磁流量轉(zhuǎn)換器的電極信號(hào)處理
    (1)電極信號(hào)的放大【29'39】
    普通型智能型電磁流量計(jì)的電極信號(hào)放大采用的前置放大電路一般是用AD620儀用放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,AD620儀用放大器是一種用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入端之間的電位差,并以設(shè)定的增益對(duì)信號(hào)進(jìn)行精密放大的專(zhuān)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(gè)外接電阻就可以實(shí)現(xiàn)l~1000倍的信號(hào)放大倍數(shù),但是如果要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)不同放大倍數(shù)之間的轉(zhuǎn)換,就需要并聯(lián)幾個(gè)不同大小的電阻,每個(gè)電阻可以通過(guò)跳線(xiàn)控制通斷,以選擇需要的不同的放大倍數(shù),為了省去每次都要調(diào)節(jié)不同的電阻值獲得需要的放大倍數(shù),這里改用可編程增益儀用放大器LTC6915來(lái)實(shí)現(xiàn)這一個(gè)功能,只需要在程序上設(shè)定一下,就可以實(shí)現(xiàn)不同放大倍數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。電極信號(hào)的放大電路如下圖3.2所示,圖3.2所示的是一對(duì)測(cè)量電極的信號(hào)放大電路,其余兩對(duì)的信號(hào)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(shè)置上不同。圖3.2電極信號(hào)放大電路圖電極之間的差動(dòng)信號(hào)在進(jìn)入可編程增益儀表放大器之前,先要將電極信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理。
     電極信號(hào)的預(yù)處理電路相當(dāng)于是一個(gè)低通濾波和一個(gè)高通濾波串聯(lián),其中Rlsib和Clsib,R2sib和C2sib組成低通濾波器,C3sib,R4sib,R5sib和運(yùn)放U7A以及C5sib,R6sib,R7sib和運(yùn)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(shè)置的目的是使得高通濾波器的電阻近似與運(yùn)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(guò)并行接口,可以將放大倍數(shù)設(shè)置在0-4096范圍內(nèi)的14級(jí)可編程增益放大器,放大的范圍*可以滿(mǎn)足電磁流量轉(zhuǎn)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(dá)到125dB,在溫漂不超過(guò)50nV/。C時(shí),輸出的電壓偏差在109V以下。它采用的是充電平衡采樣數(shù)據(jù)技術(shù)將一個(gè)差分輸入電壓轉(zhuǎn)換成單端信號(hào),再由一個(gè)零漂移運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)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(shí)D3腳要連接一個(gè)10K的電阻值用于分流。放大器的增益設(shè)置如表3.1: 表3.1放大器的增益設(shè)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(jī)的I/O上,通過(guò)改變I/O的高低電平達(dá)到最終改變放大器增益的目的。
   (2)信號(hào)放大后的濾波處理
   電極信號(hào)放大處理后,在通到多路模擬開(kāi)關(guān)之前,先經(jīng)過(guò)高通濾波和低通濾波電路的濾波處理。因?yàn)殡姌O信號(hào)除了包含有用信號(hào)(交流信號(hào))之外,還有直流偏置和工頻干擾,經(jīng)過(guò)了放大器的放大之后,干擾信號(hào)也隨之放大,因此在進(jìn)入多路模擬開(kāi)關(guān)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(jìn)行了電路仿真【40,411,性能較好。
   (3)多路模擬開(kāi)關(guān)
   在上文中也提到,多路模擬開(kāi)關(guān)是用來(lái)選擇合適的某對(duì)測(cè)量電極,進(jìn)行感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的提取,該部分電路圖如圖3.3所示。這里選擇的模擬開(kāi)關(guān)是MAX4602,它是四路常開(kāi)的多路模擬開(kāi)關(guān),它在工作于低得多的電壓時(shí),可以提供2.5Q的導(dǎo)通電阻,供電為±12V時(shí)的導(dǎo)通電阻不超過(guò)3Q。所謂的四路常開(kāi)是指,當(dāng)沒(méi)有輸入控制信號(hào)時(shí),四路輸出為零。圖3.3多路模擬開(kāi)關(guān)文中只需要用到其中的三個(gè)模擬開(kāi)關(guān),每對(duì)電極經(jīng)過(guò)可編程增益放大器之后的單端信號(hào),連接到MAX4602的INl、IN2和IN3的三個(gè)輸入端,由于每次只會(huì)有一路模擬開(kāi)關(guān)的輸出端是導(dǎo)通的,因此將三路輸出信號(hào)連接到一起。控制信號(hào)的輸入仍然是通過(guò)單片機(jī)完成,由單片機(jī)I/O口的P6.3、P6.4和P6.5的高低電平狀態(tài)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(hào)沒(méi)有去除干凈,乘法器輸入端的有用信號(hào)幅值也在輸入范圍內(nèi)。
    AD734也是一款四象限模擬乘法器,但是其信號(hào)頻寬輸入為10MHz,但是因?yàn)閯?lì)磁頻率本身就是低頻信號(hào),AD734的10MHz的頻寬輸入*可以滿(mǎn)足需求。兩路輸入是勵(lì)磁反饋信號(hào)FB和多路模擬開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào),這里的AD734的電路的輸入輸出關(guān)系不是W=XY,而是W=XY/10,因此在乘法器后面串接一個(gè)放大電路,否則就造成輸出信號(hào)太微弱了。
    前文中提過(guò),乘法器的輸出信號(hào)的直流分量與流體流過(guò)的平均流速是呈線(xiàn)性關(guān)系的,因此為了提取該直流信號(hào),也為了后續(xù)的軟件濾波處理的效果可以更好, 在放大器的后一級(jí)串接了一個(gè)二階巴特沃斯低通濾波器,鑒于勵(lì)磁頻率選用5Hz,因此低通濾波器的截止頻率f設(shè)置5.3Hz即可滿(mǎn)足要求。圖3.4中低通濾波器的輸出信號(hào)out端理論上應(yīng)該是一直流信號(hào),但是實(shí)際中可能還會(huì)存在一些交流的干擾信號(hào),因此在out端通入單片機(jī)的A/D模塊之前, 還需要進(jìn)行電平提升,以滿(mǎn)足MSP430系列單片機(jī)信號(hào)輸入范圍的要求。
    本文詳細(xì)介紹了非滿(mǎn)管開(kāi)封電磁流量計(jì)的測(cè)量步驟和它的兩大組成部分,傳感器和轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)。傳感器部分設(shè)計(jì)了將3對(duì)測(cè)量電極與差壓傳感器相結(jié)合的方法,用以實(shí)現(xiàn)非滿(mǎn)管流體流速和液位值的測(cè)量。轉(zhuǎn)換器部分以MSP430單片機(jī)為核心,其中,勵(lì)磁電路產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)通入勵(lì)磁線(xiàn)圈中進(jìn)行激勵(lì)、信號(hào)處理電路將每對(duì)電極間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行了放大、濾波,并且在信號(hào)處理電路中,采用了多路模擬開(kāi)關(guān),用于選擇不同液位下的測(cè)量電極對(duì),實(shí)現(xiàn)了非滿(mǎn)管流體流量測(cè)量的基礎(chǔ)硬件平臺(tái)。--擴(kuò)展閱讀:開(kāi)封中儀流量?jī)x表有限公司專(zhuān)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(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)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(wèn)開(kāi)封中儀網(wǎng)站:

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