非滿管電磁流量轉(zhuǎn)換器的研制

非滿管電磁流量計(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。一般來說，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)于正弦波的輸出來說，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儀用放大器來實(shí)現(xiàn)的，AD620儀用放大器是一種用來測(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)電阻可以通過跳線控制通斷，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，在通到多路模擬開關(guān)之前，先經(jīng)過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)多路模擬開關(guān)
   在上文中也提到，多路模擬開關(guān)是用來選擇合適的某對(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。這里選擇的模擬開關(guān)是MAX4602，它是四路常開的多路模擬開關(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3Q。所謂的四路常開是指，當(dāng)沒有輸入控制信號(hào)時(shí)，四路輸出為零。圖3．3多路模擬開關(guān)文中只需要用到其中的三個(gè)模擬開關(guān)，每對(duì)電極經(jīng)過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?？刂菩盘?hào)的輸入仍然是通過單片機(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*可以滿足需求。兩路輸入是勵(lì)磁反饋信號(hào)FB和多路模擬開關(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，乘法器的輸出信號(hào)的直流分量與流體流過的平均流速是呈線性關(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)介紹了非滿管開封電磁流量計(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)了非滿管流體流量測(cè)量的基礎(chǔ)硬件平臺(tái)。--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量?jī)x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(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問開封中儀網(wǎng)站：