流量计系列产品
 
 

电磁流量计综述(下)

发布时间:2017-10-31
 

3、信号处理系统
信号处理系统的功能,是将电极片两端感应的电动势讯号经过处理后直接输出流率讯号。图11是实用的信号处理系统原理方框图。

在图11中,1为测量导管,2和2'为电极,3为线圈,4为控制波形产生器,5是线圈激励电路,6和7是门电路,8是解调器,9是直流耦合差动放大器,10和11是跟踪与保持电路,15是流率/频率输出电路,16是附加输出电路,17和18是模拟门电路,19为积累器,20和21是比较器,22和22'是参考补偿电路,23是输出端,32是触发器。
信号处理系统的工作工程如下:控制波形产生器4产生一个地周方波给线圈激励电路5,激励电路利用从控制波形产生器来的方波同步地向场线圈3交替地提供正、负两个方向的电流(如图12中的波形A),由于线圈存在感抗,所以波形的上升沿与下降沿成拱状。

图12中的波B是电极2和2'两端的感应电位,波形B与波形A相对应,但是由于某些外界因素的影响,波形变得不很光滑,在正负交变激励下,其频率与激励频率一致,振幅值与流体切割磁力线的多少成正比,它代表通过测量管的流量率。
图12中的波形C是控制波形产生器输出至门6的波形,从图中可以看出,它对应于波形B的正半周期的后半部分;波形D是控制波形产生器输出至门7的波形,它对应于波形B的负半周期的后半部分。波形C与波形D的作用是:在未能建立电磁场的情况下(由于某些因素影响)打开门6和门7。
补偿电路14提供给差动放大器9一个直流补偿信号,使波形B的主流讯号置零,再将电极2和2'两端输出波形B经差动放大器放大。
放大的信号被送到门6和门7的输入端,放大后的信号正半周期的后半部分经门6进入跟踪保持电路10,而信号负半周期的后半部分经门7后进入跟踪保持电路11。
当门6或门7中任何一个被控制波形产生器4打开时,相应的跟踪保持电路开始操作并跟踪由相应门过来的信号。当门被关闭时,跟踪电路的输出仍保持上次所获取的值,直至再次获得另一采样值为止。
跟踪保持电路10和11输出信号之差代表差动放大器9输出信号的峰一峰值,正、负峰值点位的中间值从等值电阻12、13的中心接头处引出,经由直流补偿电路14后作为一个校正信号送给放大器9,使峰一峰值的中心点位值为“0”。这样,跟踪保持电路10的输出是一个负信号,两信号之间的差值即表示流率。
门18或门18被触发器交替选择,积累器根据触发器选择的门决定是向上或向下积累,积累器19的输出在比较器20、21中与其参考值相比较,两个比较器的输出决定了触发器(R.S型触发器)32的状态。其工作过程如下:积累器向上积累,直至参考上界,然后,积累器开始向下积累,直至参考下界,触发器也如此来回变换,积累器到达一个参考界限(上限或下限)所需要的时间依赖于其输入信号的振幅,用这种方法就可以在触发器32的输出23上获取所需的输出频率,它代表解调器输出的振幅(表示流率)。
由于在整个电路中不可避免地出现一些开关时延,输出频率与解调器输出之间的关系不是很线性的,参考补偿电路22和22'用于校正输出频率与解调器之间的关系,以保证输出频率与解调器输出之间的关系是线性的。
图13是直流耦合差动放大器9的详细电路图。它包括三个差动放大器A1、A2、A3。
电极2与放大器A1正输入端相连,电极2'与放大器A2的正输入端相连,直流补偿电路14的输出与A1的负输入端相连,放大器A1的输出与其负输入端之间有一电阻Rb。

电阻R1、R2、R3、Rb组成放大器A1、A2的输出网络,以调整A1、A2的增益,并接收直流补偿电路14的输出。
放大器A3用作为一个可调整增益的变换器,电路的增益函数为(R5+R5')/R4,其增益的大小应满足所测量的流量率范围。
图14是直流补偿电路14的具体电路图。电路包括一个差动放大器A和一个差动输入跨导放大器A5。

电阻12和13(图11)的接头处与电阻R7的一端相连,R7的另一端接“0”电势。
电容器C5和C1主要用于改善线路的高频和低频响应特性。电路的输出接至直流耦合差动放大器9。
图15是解调器8的具体电路图。它主要包括门路6、7和跟踪保持电路10、11(由差动放大器A6和A7组成)。
当门6和门7开始时,放大器A6和A7开始积累直流耦合差动放大器9的输出信号;当门6和门7关闭时,放大器A6和A7在其输出上保持积累的信号值。
放大器A6、A7的输出分别与电容器C3相连的电阻R13及与电容器C'3相连的电阻R'13相连,其目的是为下一级的高频信号提供一个低阻抗通道。
如果图12中的波形B相对于“0”电势对称,则电容器C3两端的电动势与C'3两端的电动势大小相等,符号相反,此时电阻R12和R13接头处的电势也同样为公共电势(0V)。如果波形B与公共电势不对称,则电容器C3与电容C'3的两端电势幅值不同,电阻R12和R13接头处的电势也不等于“0”电势,此点的电势经过直流补偿电路14对直流耦合差动放大器9进行直流补偿校正。
图16是输出电路15的详细电路图。积累器19包括一个差动放大器A8,其正输入端接“0”电势,其输出通过电容器C4与其负输入端相连,门17、18的输出连在一起,并与串联的可变电阻、固定电阻R15相连,串联电阻的另一端与放大器A8的负输入端相连。
比较器20和21分别包括差动放大器A9和A10,A8的输出与A9的负输入端、A10的正输入端相连,A9的正输入端与电阻R16、R17的一端相连,R16的另一端与A7的输出端相连(图15),R17的另一端与参考电势+5V相连,电阻R16和R17构成了参考补偿电路,放大器A10的负输入端与-5V参考补偿电势相连。R'16和R'17构成了放大器A10的参考补偿电路。放大器A9和A10的输出端分别与RS型触发器32的输入端相连。
触发器32的输出脉冲信号一方面用于控制门17和门18的开启或关闭,另一方面其输出讯号频率代表流率的大小,供下一级进一步进行数据处理,并直接显示或打印出流量。
综上所述,整个信号处理系统的主要工作过程是:电极片2和2'两端产生与流量成正比的感应电动势,该电动势经直流耦合差动放大器9线性放大,跟踪与保持电路10、11分别跟踪与保持由放大器9来的正负峰值,门电路17和18受触发器32的控制决定开或关,因此也就决定了积累器19的积累方向(正向积累或负向积累),积累器19向某一方向积累的时间决定于比较器的参考值和跟踪保持电路10、11来的信号峰值,以正向积累为例,积累时间t1=K/Vstg(Vstg是经门17提供给积累器19的正向电压峰值),经过t1的积累时间,积累器19的输出到达正向参考电势值,因而比较器20输出信号使触发器32翻转,此时门17关闭,门18被打开,积累器19开始向负向积累,如果通过直流补偿电路14得到理想的直流补偿,则负向积累时间t2=t3,输出信号周期T为:

信号频率f为:

由公式(2)可知,输出信号频率与流率成正比。
通过改变公式(1)中的系数K,即改变参考电势,可改变输出讯号频率与流率间的比值,以满足仪器的测量范围要求。
根据仪器的功能要求,触发器32的输出端可以与微机及显示器连接,编制相应的软件后,可显示或存储信号或流量。
4、结束语
电磁流量计用于其广泛的实用性,是目前发展最快的流速流量测量设备之一。
上述有关的结构是以管道流量测量为主,但其基本原理也同样适用其他测流场合,在此不一一说明。