摘 要： 渦街流量計(jì)測量阻流體時(shí)物理信號動態(tài)范圍大，尤其在測量弱信號時(shí)易受噪聲影響，因此其前置放大電路性能必須充分考慮電路本底噪聲因素。分析了Ф50型號氣體渦街流量計(jì)前置放大電路的系統(tǒng)噪聲組成，對電路噪聲進(jìn)行分析、計(jì)算，得出理論上的電路本底等效噪聲值為4.59 μV。利用Multisim 14.0 作為仿真環(huán)境進(jìn)行測試驗(yàn)證，表明利用此電路可檢測10 μV以上的信號。提出的電路設(shè)計(jì)為實(shí)際電路優(yōu)化提供了理論參考依據(jù)。
引言
渦街流量計(jì)在計(jì)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景。目前，若要利用渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)精密測量，還需要處理本底噪聲問題，因?yàn)樗怯绊憸y量精度的好主要因素。
劉三山[1]提出了兩種數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件研制，在硬件電路中應(yīng)用陷波濾波和數(shù)字頻譜相結(jié)合的方法規(guī)避了噪聲影響。黃詠梅等[2]在渦街流量計(jì)的研究中不僅淺顯易懂地講述了渦街檢測原理，也對檢測方法、檢測難點(diǎn)、發(fā)展趨勢等作了詳細(xì)的介紹。王一樺等[3]成功找到了電荷放大器的主要噪聲影響，給后續(xù)的研究提供了指導(dǎo)。孫穎奇等[4]提出一種思路，利用良好的屏蔽設(shè)計(jì)來減少噪聲對微弱信號的干擾，但當(dāng)噪聲直接疊加在渦街流量計(jì)信號上時(shí)，尤其是低流速情況下，測量流量還是會產(chǎn)生較大的偏差，因此在設(shè)計(jì)之初有效估算噪聲強(qiáng)度，有利于確v認(rèn)渦街流量計(jì)能檢測到的信號好小測量范圍。
本文針對上述問題，首先基于Ф50型號氣體渦街流量計(jì)的前置放大電路進(jìn)行分析，將復(fù)雜的電路等效成簡化電路；接著在特定渦街流量計(jì)前置放大電路的基礎(chǔ)上，對前置放大器進(jìn)行噪聲量化計(jì)算；好后基于噪聲影響情況，進(jìn)行精度測量模擬仿真實(shí)驗(yàn)，證實(shí)理論計(jì)算結(jié)果的可靠性。結(jié)果顯示：噪聲測量、算法和精度測試，能夠?yàn)閷?shí)際電路測量中渦街流量計(jì)的性能改善提供理論參考。
1 渦街流量計(jì)計(jì)量原理
渦街流量計(jì)的原理是在氣體或液體等流體中安置阻流體，流體在經(jīng)過阻流體時(shí)會交替產(chǎn)生兩串規(guī)則的旋渦（這種旋渦稱為“卡門渦街”），旋渦頻率被壓力傳感器檢測到后，利用流量Q與頻率f的關(guān)系式測量流體的流量，即
Q=f/k (1)
其中，K是流量計(jì)的流量系數(shù)，可看作固定常數(shù)。
2 前置放大電路噪聲分析
本文選取了好典型的Ф50型號氣體渦街流量計(jì)的前置放大電路作為特定樣本對噪聲進(jìn)行分析。系統(tǒng)噪聲包括電路內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲（也稱固有噪聲），也包括電路外部的干擾噪聲。前置放大器的固有噪聲主要包括電阻熱噪聲、集成運(yùn)算放大器自身的等效噪聲。本章主要對渦街流量計(jì)系統(tǒng)電阻熱噪聲、運(yùn)算放大器自身的等效噪聲進(jìn)行分析，外部干擾噪聲不在討論范圍之內(nèi)。
2.1 熱噪聲原理
（1）電阻熱噪聲：主要由電子的隨機(jī)熱運(yùn)動引起，產(chǎn)生噪聲電壓。電阻兩端產(chǎn)生的熱噪聲電壓有效值Et滿足
Q=f/k (2)
其中，k—玻爾茲曼常數(shù)；T—電阻的溫度；R—電阻的阻值，Ω；B—信號帶寬。
注：在室溫下（ 1 7 或 290 K ） ，4kT≈1.6×10-20 V2/(Hz·Ω)。
（2）阻容并聯(lián)的熱噪聲：為了限制頻帶寬度，有時(shí)要在電阻兩端連接電容。在阻容并聯(lián)的情況，電路中開路的熱噪聲有效值Eto為
其中，C—并聯(lián)電容。
可以證明，無源元件的任意連接所產(chǎn)生的熱噪聲等同于等效網(wǎng)絡(luò)阻抗的實(shí)部電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。
2.2 運(yùn)算放大器自身等效噪聲分析
運(yùn)算放大器的噪聲模型也可以用等效噪聲模型替代。圖1所示為含噪放大器的電路圖，圖2為噪聲等效電路。其中，e s是被測信號電壓，Rs是信號源的輸出電阻，e t是電阻熱噪聲等效的噪聲電壓源，e n和i n分別是放大器自身的等效噪聲電壓源和電流源。
設(shè)e t、e n和i n互不相關(guān)，噪聲電流源可以轉(zhuǎn)化為電壓源i nRs，其有效值的平方表示為
而對于等效輸入噪聲電壓源en，其平方根譜密度為
3 前置放大電路噪聲計(jì)算分析
因不同電路的需求不同，設(shè)計(jì)一個(gè)電路往往也需要具有一些其他功能，例如去除直流偏置、抑制共模信號等。本章對該電路進(jìn)行合理的簡化，以更方便地計(jì)算噪聲，并對噪聲進(jìn)行等效分析與計(jì)算。
3.1 前置放大器電路分析
渦街流量計(jì)前置放大電路如圖3所示。在該電路設(shè)計(jì)中，采用了SGM8532芯片，利用電路的對稱性和負(fù)反饋?zhàn)饔?，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號，抑制共模信號。在J 2、R 1和R 2的電路中，交流信號可以順利通過①、②，而直流信號因受到C 3、C 4的影響只能走J 1、R 1和R 2的環(huán)路，使得兩條通路的直流信號電位相同，去除了直流偏置。在對稱環(huán)路中，為了計(jì)算方便，我們將③等效成地。簡化后的電路圖和等效噪聲電路圖分別如圖4和圖5所示。
3.2 噪聲估算
由 式(2)可 知R 3和R 4串聯(lián)所產(chǎn)生的熱噪聲為
Et=2.65×10-7 V；
由 式 (3) 可知阻容并聯(lián)所產(chǎn)生的熱噪聲為
Eto=4.47×10-6 V。 圖6所示為SGM8532芯片手冊的部分片段，由圖6及式(5)可得En=1.04×10-6 V。
由公式(4)可知，該電路輸出的噪聲有效值為
計(jì)算得總的噪聲有效值為
因此，理論上該電路可以檢測大于10 μV（大于噪聲6 dB以上）的微弱信號。
4 仿真結(jié)果驗(yàn)證
本章利用Multisim 14.0 作為仿真環(huán)境，其自帶的噪聲源可以使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。放大器為理想放大器，V1為該放大器等效噪聲源，確保噪聲的準(zhǔn)確性。
電路仿真結(jié)果如圖7所示。由仿真結(jié)果可以看出，在總的噪聲中，V(p-p)大概為2~8 μV，與實(shí)際結(jié)果相差不大，在同一量級。實(shí)際噪聲稍微小，可能是輸出頻率比理論值略小導(dǎo)致的。
5 結(jié)束語
本文首先簡要介紹了渦街流量計(jì)原理及構(gòu)成，然后著重分析了渦街流量計(jì)前置放大電路的各種噪聲及公式，并以典型的Ф50型號氣體渦街流量計(jì)的前置放大電路作為特定樣本，在建立噪聲模型的基礎(chǔ)上，簡單、有效地計(jì)算得到了渦街流量計(jì)前置放大電路的噪聲。通過對電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，佐證了理論計(jì)算的有效性。該電路可以測量大于10 μV的渦街信號，為后續(xù)實(shí)測及電路優(yōu)化提供理論參考依據(jù)。
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