流量计系列产品
 
 

关于电磁流量计测量新型放大电路介绍

发布时间:2017-12-26
 

摘要:介绍电磁流量计测量放大电路借助于单片机的功能,自行设计的一种新型放大电路。它是高精度电磁流量计的基础部分,也是最关键的部分。放大电路自身的精度优于0.2%。在现场应用的温度范围可达-25~+80℃。在干扰信号幅度大于有用信号幅度10倍时,仍能保持0.2%精度。
1、问题的提出
在精密测量系统中,如果待测信号为几十微伏至1mV左右的交流信号,且信号的频率与50Hz工频相近时,放大电路的设计难度会很大。原因在于如果要用滤波电路滤除50Hz工频干扰,则有用信号也会被滤除。而要放大几十微伏的小信号,放大器的放大倍数通常都在5000~10000倍范围内,所以工频干扰信号也被不加抑制地放大了,并且要比有用信号的幅度大得多。同时被放大的还有一些不规则的交流干扰信号。而这些干扰信号互相迭加起来的幅值要比有用的信号大十几倍到二十几倍。常规的数据采集电路中使用双积分式A/D转换器采集数据,然后进入单片机,再用数字滤波算法对数据进行处理。用双积分A/D转换器的优点是众所周知的,它可以滤除50Hz工频干扰,条件是采样时间应严格为20ms的整数倍。而工频干扰也应是严格的50Hz正弦交流信号。但现场的干扰信号是十分复杂的,以上这两个条件都不一定能严格满足,特别是当干扰波形中含有其它频率的信号时,双积分A/D转换器对交流干扰的抑制作用就会下降。当干扰信号幅度远远大于有用信号时,双积分A/D转换器的抗干扰效果也会明显变差。
在采集程序中,用软件滤波的方式虽然可以提高滤波效果,但滤波时间较长,这是因为双积分A/D转换器采集速度慢,而滤波程序通常要十几个数据到几十个数据才能有较好的滤波效果。因此,不能完全依靠软件滤波,必须要用硬件电路和软件控制相结合的办法解决滤波问题。
2、设计思想
电磁流量计是需要激磁的,目的是产生与导电液体流速成正比的电信号。同时激磁必须是双向的,为的是消除电极两端因单向激磁产生极化现象。被测信号的波形如图1所示。

信号是以对称方波脉冲的形式出现的。脉冲的宽度T为40ms,一个周期为160ms,T选择的太大会给阻容耦合带来困难。脉冲的占空比为0.5,也可以更小。脉冲的幅度正比于液体的流速。当液体流速v=0.3m/s时,脉冲幅度只有60μV。此时的量程下限为v=0.05m/s,对应的脉冲幅度约为l0μV,放大器的放大倍数选为5000。
从示波器上可以观察到干扰信号的幅度大约为0.5V,而有用的脉冲信号的下限值为10μV×5000=50mV,如不仔细观察是分辨不出有用信号的。为了将方波脉冲保留而将工频干扰滤除,作者设计出这样一种电路,可以将有用信号从干扰中选出来。电路原理如图2所示。

从图2中可以看出,由Al,A2,A3。所组成的放大电路为一个典型的高输入阻抗的双端输入、单端输出的交流放大电路。由A4,A5所组成的放大电路为一个高输入阻抗的双端输入、单端输出的直流放大电路。K1,K2采用模拟开关CD4052。这是一个双路四通道的模拟开关。电路中的两个开关是同步的。R是滤波电阻,C1,C2是两只容量相同的滤波电容。
输入信号经过Al,A2,A3所组成的交流放大器放大后在V01输出一个方波信号。假定方波信号为正时开关接通“1”通道。此时由于A5运放为
高阻输入运放,因此正的方波信号通过K2保持在电容C2上。而此时迭加在方波信号上的交流干扰信号则被R和C2组成的滤波器滤掉。同理,当V01的信号波形为负时,通道“2”接通,K2的“2”通道悬空,C2上的电压保持不变。此时负向方渡通过Kl的“2”通道与电容C1接通,负 向方波被保持在C1上,而交流干扰信号被RC1滤掉。由此可见,正、负两个方向的方波分别被保持在两个电容上,其电压极性相反,幅度为方波信号的峰峰值。只要滤波时间常数选取值t>160ms,即七倍于工频周期,50Hz的交流信号在电容上几乎为零。用示波器是观察不到的。
应该指出的是RC滤波对方波信号也起延缓作用,但经过七个周期的方波之后,电容上的电压与方波的实际峰值误差只有0.02%。电容上的波形与V01的波形如图3所示。

由图3可知,方波信号经过一个断续的过渡过程之后达到最大幅值。电路中实际选择R=10kΩ,C1=C2=22μf,滤波时间常数τ=220ms,是工频周期的ll倍。万用表交流档测出的交流电压只有0.2mV,电容上的电压信号是一个相当于倍压峰值整流后的直流信号,通过后面的直流放大转换器将差动电压△Ve放大并转换为单极性直流信号,然后送给A/D转换器,这时的A/D转换器可以选择任何类型的芯片。
该放大电路还有一个优点,即共模抑制比CMRR非常高。原因是当共模干扰信号产生时,会将V01的输出波形作上下平移,但由于正负波形的峰峰值未改变,尽管电容上的电压会随着改变,但其差值不会改变,即△Vc=Vc1-Vc2不随共模电压变化。其CMRR>90dB,因此这个放大电路的抗共模干扰能力是非常强的。
由于CD4052的第“0”通道接地,因此可以校正A4,A5和A/D产生的零点漂移,但其前提是的零点漂移可以忽略。此电路中A3为斩波稳零放大器,其放大倍数Av3=5,零点漂移几乎为零。同时当信号不正常时,比如流量计在空管状态时,信号极不正常,这时可通过接地保护运放和A/D不至于因严重超量程而损坏。
该放大电路的现场使用指标是:输入电阻ri>lGΩ,CMRR>80dB,总放大倍数Ar=5000。电路自身阻尼时间常数r=0.8s,全量程的示值误差为0.5%,满量程误差为0.2%,稳定性为示值得±1%。该电路与单片机结合后,其全量程的示值误差小于0.5%,满量程误差小于0.2%。
关于运算放大器的选择和电路结构的选择是按现场使用指标设计的。第一级放大电路的输入阻抗rL>1GΩ,由于第一级放大电路的输入端直接与测量电极相联,而电极在导电液体处于静止状态时,两电极间就已经有电动势存在。这个电动势是由液体中的各种带电离子和外界电磁场对液体及管壁的干扰而产生的。由于这个电动势变化无常,时大时小,因此如果第一级输入不用隔直电容的话,电极两端这个变化无常的电动势就会直接被放大。为了不让第一级的输出进入饱和、截止两个区域,就必须使放大倍数稍小一些。根据现场测试,测量电极间的电动势EI<0.4V。因此选取第一级放大倍数AV1=20,运放电源电压为±12V。当EI=0.4V时,第一级输出直流电压不超过±8V。仍然在正常工作区间,第一级输出的交流脉冲信号幅度最大为±20mV。运放选用TI公司生产的TLE2064,其输入电流为4PA,可以保证ri>lGΩ的要求。
第一级与第二级之间的耦台电容数值决定方波脉冲能否不失真地传递下去。第二级差动放大电路的输入电阻是两个100kΩ电阻。因此耦合电容若要使宽度为40ms的方波脉冲不失真地传递下去,阻容的时间常数应大于320ms,即为宽度的八倍。在此选取4.7μf无极性电容,使方波传输失真小于0.05%。第二级应选零点漂移小的运放,因为它与后级是直接耦合的,选取任何斩波稳零运放都可以胜任。第三级运放选取的原则是输入阻抗要在10MΩ以上即可,零点漂移也要小一些。因这一级放大倍数较小,只有十几倍。所以对零点漂移的要求不是太高。由于所采用的电路形式均为典型电路,因此不再详述原理。
3、结束语
上述电路的设计可以达到电磁流量计对信号调理的苛刻要求。在批量生产中能够达到的外部指标是:当流速v在0.25~8m/s范围内,全量程的示值误差小于0.5%,满量程误差小于0.2%。
稳定性在阻尼时间5s,v>lm/s时可达示值的±0.5%,在v<lm/s时可达示值的±1.0%。共模抑制比CMRR>80dB,输入阻抗ri>2GΩ。放大电路输出电压中交流分量小于2mV。
此电路经过长期现场运行,证明性能可以满足使用要求。各级元件的选择符合设计要求。