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涡街流量计的传感信号放大电路设计

发表时间:2021-04-27

涡街流量计是20世纪60年代末期发展起来的一种基于液体振动原理的流量计.涡街流量计具有量程宽、无可动部件、运行可靠、维护简单、压力损失小、一定的计量精度等优点.涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计,即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体(涡街流量传感器中称之为漩涡发生体),就会在其下流两侧产生两列有规律的漩涡即卡门涡街,其漩涡频率来流速度成正比。

目前,将涡街流量计用于流量测量,需要研究的关键性问题有:(1)抑制流场噪声的影响.流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响,而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响.附加的旋涡干扰了涡街信号,降低了性噪比.(2)准确测量小流量.因为小流量所产生的横向升力较小,检测信号非常微弱,易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响.小信号处理不好会造成量程比受限,小流量不能测量,还会产生50Hz干扰,信号自激.因此,涡街流量计的传感信号放大一直是这种速度式仪表设计中的一大难点。

本文设计的仪表放大器具有非常优越的特性,能将传感器非常微弱的信号不失真地放大以便于信号采集,对传感器信号进行很好的调整以符合模数转换器件的工作范围;摒弃了以前放大电路常见的50Hz干扰,信号自激,测量不稳定等问题,该仪表放大器从2006年使用至今效果较为理想,获得了市场肯定。


1.仪表放大器在流量计传感信号电路中的应用

仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器,具有差分输人、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件(运算放大器)基本相同,而在性能上与标准运算放大器有很大的不同.标准运算放大器是单端器件,其传输函数主要由反馈网络决定;而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号,因而具有很高的共模抑制比(CMR)。

仪表放大器的特点:(1)高共模抑制比.共模抑制比(CMRR)则是差模增益(Ad)与共模增益(Ae)之

比,即:CMRR=20(Ad/Ac)dB;仪表放大器具有很高的共模抑制比,CMRR典型值为70~100dB以上.

(2)高输入阻抗.要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗,仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互平衡,其典型值为109~1012Ω.由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压,因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上.在1kHz条件下,折合到输入端的输人噪声要求小于10nV/Hz。

(3)低线性误差.输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正,但是线性误差是器件固有缺陷,它不能由外部调整来消除.一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%,有的甚至低于0.0001%

(4)低失调电压和失调电压漂移.仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成,输入和输出失调电压典型值分别为100uV和2mV.(5)低输入偏置电流和失调电流误差.双极型输入运算放大器的基极电流,FET型输入运算放大器的栅极电流,这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差.双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为1nA~50pA,而FET输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为50pA。

为了有效地工作,要求仪表放大器不仅能放大微伏级信号,而且还能抑制其输入端的共模信号.这就要求仪表放大器具有很大的共模抑制(CMR):典型的CMR值为70~100dB.当增益提高时,CMR通常还能获得改善。


2.传感放大电路的改进

传统涡街流量计在使用中放大电路常见的问题有:(1)工频50Hz干扰,间断出现的50Hz干扰使测量数据不准确;(2)信号自激,造成没流量时仪表有读数;(3)测量不稳定针对以上出现的问题,采取了改进电路取代了

以前的放大电路.经过一段时间的试验证明,流量计基本没有了工频50Hz干扰,信号自激和测量不稳定的现象,投入市场后取得了良好的效果。

该电路主要功能为将传感器输出的信号以差模方式进行放大.此前置放大器关系到整个放大电路的优劣,必须具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和强抗干扰能力等性能.故本设计采用NEC企业的UPC831的运放测量放大电路作为此放大电路的前级放大器.该形式的仪表放大器,其输入阻抗约为30~5000MΩ,共模抑制比(cMr)Rdb=70~90dB,电源抑制比SVR=70~90dB,失调电压温漂r=0.25~10uV/℃。

传感器信号从SN4、SN5二个端口输入放大电路,SIN7端口加正2.6V电源,运放采用日本NEC企业的UPC831集成运放,正负2.6V电源供电,本放大电路中核心器件低功耗仪表放大器UPC31特点及性能。

UPC831是一种低功耗的仪表放大器它采用单、双两种电源供电,可实现轨-轨输出,具有极佳的交流和直流特性.UPC831采用工业标准8脚封装,引脚排列图如图所示

QQ截图20210427154821.jpg

3.仪表放大器RFI抑制电路及50Hz陷波电路的设计

微功耗仪表放大器易受RF整流的影响.UPC831具有低输入级工作电流,简单地增加输人电阻器R1的值或电容器C5、C6的值,会以减小信号带宽为代价提供进一步的RF衰减.由于UPC831仪表放大器具有比通用IC更高的噪声,所以可以使用较高的输人电阻器而不会严重降低电路的噪声性能.为了使用较高阻值的输入电阻器,设计出 RC RFI电路。工频干扰是信号的主要干扰.虽然前置放大电路对共模干扰有较强的抑制作用,但有部分工频干扰是以差模方式进入电路,所以必须滤除本设计采用R12、R5、C7陷波电路滤除50HZ工频干扰。


4.放大特性的检测及结论

(1)消耗电流A1:检测+2.6V线路中的电流,合格值在250pA以下;消耗电流A2:检测-2.6V线路中的电流,合格值在250uA以下

(2)频率特性:信号发生器输入Vp-p为400mV,输出Vp-P为400mV,在输入频率为1.7Hz,10Hz,4kHz时,衰减器的值分别为:18.7t1.5dB,21.0±1.5dB,21.1±1.5dB。

(3)噪声:在不加外部信号的条件下,检测CNI的7、9脚之间的电压Vp-p应该小于30mV.

经过测试放大电路达到设计要求,另外在电路板的制作过程中,又可采取环形接地的方式,对UPC831电路的主体部分采用上下全屏蔽的形式.通过这些措施,有效保证了小信号的放大,给后级放大提供了一个非常好的信号.由示波器还可看出响应信号和调制脉冲信号是同频变化的信号,放大器输出的响应信号中并没有夹杂其他频率的信号,说明放大电路的频率响应特性良好.



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