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電磁流量計的智能化前端信號電路設計

文章出處:AG贵宾厅實業 人氣:發表時間:2018-01-02 10:08

    電磁流量計是一種依據電磁感應定律開發的測量導電流體流量的儀表,在石油、化工、冶金、醫藥、環保等行業內均有廣泛使用。但是,國內的電磁流量計智能化水平低,測量精度不高,與國際先進的電磁流量計在技術上有一定的差距。其中,電磁流量計的前端放大電路是最為關鍵的部分,但也是最為薄弱的環節,為此開發了一種智能化的前端放大電路。根據流量或口徑可自動調整放大倍數,極大地提高了電磁流量計的測量精度。
1 原理和智能化放大電路設計
1.1 原 理
    電磁流量計是電磁感應定律的具體應用。導電流體在磁場中流動切割磁力線,產生電動勢,推導公式為
    E = K·Q (1)
    式(1) 表明電極兩端的感應電動勢E 與被測導電介質的體積流量成正比。其中電動勢E是一個微弱的交變信號, 此信號具有以下3 個特點:
    ① 感應的電動勢為 0.1~7 mV左右的交變信號。在實際測量中,基本上可以測出的是1 m流速對應1 mV;
    ② 此信號內阻高, 為幾M Ω ;
    ③ 其它幹擾成分信號多,尤其為 50 Hz工頻幹擾, 幅度遠遠大於流量的感應電動勢。
1.2 智能化放大電路組成
    針對感應電動勢的上述特點設計了高精度電磁流量計智能化放大電路, 其參考電路如圖1 所示。電路由以下幾部分組成: 采用高精度儀表放大器A1組成的前端放大器、運放A2等組成的濾波回路、運放A3等組成的可變增益放大器、運放A4等組成的采樣和保持電路以及24 位高精度的Σ - Δ A/D轉換器(該A/D 含在美國Analog 公司最新推出的A/D μC824 單片機中)。
圖1 高精度電磁流量計智能化放大電路
圖1 高精度電磁流量計智能化放大電路
1.2.1 前置放大電路
    首先應該說明:由於感應電動勢是交變信號,此交變信號是由勵磁信號感應產生的。勵磁信號選用交變頻率50 Hz 的8 分頻(6.25 Hz),即勵磁信號的周期為160 ms。電路采用三值方波勵磁形式,此形式能很好地消除電極兩端的極化效應,勵磁波形如圖2 所示。
圖2 三值方波勵磁圖
圖2 三值方波勵磁圖
    由此勵磁產生的信號也為與圖2類似的交變信號。但由於此信號內阻為幾M Ω, 如果儀表要達到± 0.5 % 的整體精度,那麽整個放大電路的精度必須<0.2 %, 而最前端的A1 放大回路的精度必須控製在0.1 % 以內,因此,必須選用高達1000 M Ω以上輸入阻抗的運算放大器。為此, AG贵宾厅選用了INA114 集成儀表運放, 具有± 40 V的輸入保護電壓, 輸入阻抗為10 GΩ, 外接元件少, 符合儀表小型化的要求, 同時通過外接的1 個精密電阻R3,就可以調節放大倍數, 計算公式為:
    A = 1+ 50 k Ω /R3
    由於電極對地的電動勢各種幹擾成分多,為保證前置放大器不處於飽和與截止狀態,同時也盡量降低A1 運放本身與後麵電路帶來的噪聲,選用10倍左右的放大倍數,即R3 的值為4.7 k Ω或5.1 k Ω,保證第一級IN114 的輸出電壓<± 5 V。
    圖1 中的R2、R3 電阻給IN114 提供偏置電流,其阻值為10 M Ω。
1.2.2 二階有源低通濾波器
    圖1 中R4、R5、C1、C2 和A2 運放構成了二階壓控電壓源有源低通濾波器。這是一個經典電路,由二階壓控電壓源濾波器的一般表達式,分析推導出放大倍數:
    AVF= 1
    而傳遞函數為:
公式1

    其中:
    特征角頻率
    ω n2 = 1/R4R5C1C2 (3)
    等效品質因素
公式2
    根據式(2) 求得低通濾波器的幅頻特性:
公式3

    由此幅頻特性用歸一化後的幅值取對數表示,可得出:
    當ω / ω n =1,Q=0.707 時, 20lg|A(j ω)|=-3 dB;
    當ω / ω n =10,Q=0.707 時,20lg|A(jω)|=-40 dB。
    因此, 當勵磁頻率為6.25 Hz 時, 取
    Q = 0.707 (6)
    ω n =2 π f = 2 π× 6.25 = 39.27 (7)
    綜合式(3)、(4)、(6) 和(7),AG贵宾厅選用適當的值:
    R4=47 k Ω,R5=47 k Ω,C1=1 μ F,C2=0.33 μ F
    這樣一來,此低通濾波電路在6.25 Hz的特征頻率下有很好的低通濾波效果。
1.2.3 可調增益放大電路
    接下來的一級電路為高倍數放大電路, 由圖1中的A3 放大器、R6、R7、R8、R9和口徑電阻網絡組成。由於電磁流量計的前置隻有10 左右的放大倍數,因此這一級還需要根據不同的儀表口徑分別放大10~40倍,使電磁流量計的總放大倍數達到1000~4000。即使0.1~5 mV流量對應的電動勢通過放大後達到0.4~2.5 V,供後續的采樣保持和A/D轉換器使用。簡化後的放大電路如圖3 所示。
圖3 高增益放大電路
圖3 高增益放大電路

    該電路最大的優點是:用低值電阻實現高放大倍數的比例運算,R7、R8 和口徑電阻組成了T型網絡以代替反饋電阻Rf。這樣一來R7、R8和口徑電阻R 的阻值容易選擇,且可以控製阻值精度,從而控製儀表精度。圖3 電路的放大倍數通過三角形- 星形轉換最後得到:
    AVF= - (R7+R8+R7R8/R) / R6 (8)
    在實際電路中,AG贵宾厅取R7=47 k Ω,R8=47 k Ω,R6=4.7 k Ω。口徑電阻R 是一個電阻網絡, 由單片機AD μ C824 控製CD4051 來選擇不同的電阻, 具體的值由實際標定來確定。
1.2.4 采樣保持電路
    為了將方波流量信號保留而將主要的工頻幹擾消除,AG贵宾厅采取了這種采樣保持電路,從圖1中可以看出由R10、C4、C5 和CD4066 切換開關組成。作為一個積分器,同時也是一個濾波電路,當選擇積分時間t1為幹擾信號周期T2的整數倍,此時幹擾信號可完全被平均掉。由於最有可能的串模幹擾為工頻50 Hz幹擾,即T2=20 ms,因此在這個電路中,AG贵宾厅采用R10=10 k Ω,C4=C5=22 μ F, 時間常數τ =220 m s, 為工頻信號周期的5 倍, 完全濾掉了工頻幹擾。缺點是有一定的信號滯後。
    當正的方波信號來時,接通上麵的開關,正方波信號被保持在C4 上,而交流信號被R10、C4濾掉;同樣當負的方波信號來時,接通下麵的開關,負方波信號被保持在C5上,而交流信號被R10、C5濾掉。這樣一來,正、負兩個信號的方波幅值分別被保持在C4、C5 上,分別接入儀表放大器A4(IN114)的同相輸入端。由於該放大器具有10 GΩ的輸入阻抗, 提高了采樣保持電路的保持特性。
    為了可以測量管道的正向和反向流量,一般情況下是: 當測量正向流量時,A4 放大器輸出的差動電壓為正值; 當測量反向流量時,A4 放大器輸出的差動電壓為負值。為解決這個問題,在IN114的REF端接入一個+2.5 V的參考電壓,以達到正向流量放大後的電壓信號在2.5~5.0 V之間,零流量在2.5 V左右, 反向流量放大後的電壓信號在0~2.5 V之間, 輸入到後麵AD μ C824 單片機內置的24 位高精度的Σ - Δ A/D 轉換器。
1.2.5 內含高精度Σ-ΔA/D轉換器的ADμ C824單片機
    通過前麵一係列的信號放大、濾波和采樣保持電路處理,已經得到了一個比較穩定的電磁流量計信號。為得到高精度電磁流量計,還需要采用高精度A/D 轉換輸入到單片機中。
    為使電磁流量計轉換器的設計小型化,AG贵宾厅采用了性能價格比很高的AD μ C824 單片機,ADμC824 是美國Analog 公司新推出的, 可以說是一個全集成的數據采集係統,內部分為模擬和數字兩大部分。模擬部分集成了兩個高精度的Σ - Δ A/D轉換器,對輸入信號可以增益控製。當信號弱時,可以通過切換量程,從20 mV~2.56 V共8個量程調節。對A/D輸入通道還可以配置數字濾波,十分方便,還有12位的DAC輸出等。其它數字部分集成了8 KB的Flash 程序區, 640 B 的EEPROM, 256 B 的RAM等, 是一個非常適用於電磁流量計的高性能單片機。
    在電路設計中, AG贵宾厅充分利用其優越的性能,對AD μ C824 采用模擬5 V和數字5 V兩組電源分別供電。這樣可以將電磁流量計前端運放已經處理好的信號直接輸入到A/D 的輸入端AIN1, 在內部配置了50 Hz 數字濾波器,避免了常規設計中的模擬或數字的隔離環節。本部分A/D采樣的分辨率為24 位, 精度達到了1/10000 以上, 對提高整個電磁流量計的性能起了很大的作用。
2 結 論
    此電磁流量計的放大電路采用了高性能的集成電路和先進的設計思想,在實際的產品中得到了很好的應用。整體儀表電路通過實際的標定, 精度高, 達到了± 0.5 %, 且可以進行正向、反向流量測量和空管判斷。量程比為35:1,它在石化、環保、醫藥和鋼鐵等領域均得到了廣泛的使用。

此文關鍵字:電磁,流量計,的,智能化,前端,信號,電路設計,