恒磁式電磁流量計(jì)極化控制電路總體設(shè)計(jì)
恒磁式電磁流量計(jì)極化控制電路總體設(shè)計(jì)
在恒磁式電磁流量計(jì)中，直流極化電壓隨機(jī)性大，而且幅值相對較大。由于磁場強(qiáng)度增加，反應(yīng)流速的感應(yīng)電動勢相應(yīng)增大，但與極化電壓相比，仍然非常微弱。極化控制電路的主要任務(wù)，就是將極化電壓控制到重復(fù)穩(wěn)定的值， 以便提取出微弱的、反映流量的感應(yīng)電動勢。因此，極化控制電路在整個(gè)恒磁式電磁流量計(jì)中占據(jù)非常重要的地位。
極化電壓是直流信號，其變化相對緩慢，變化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模擬開關(guān)的控制頻率。感應(yīng)電動勢則是由于微觀粒子在洛侖茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電勢差，而微觀粒子的偏轉(zhuǎn)速度極快，所以當(dāng)流體流過管道時(shí)，感應(yīng)電動勢在瞬間就能建立起來，感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬開關(guān)的控制頻率。因此， 本課題設(shè)計(jì)的動態(tài)反饋極化控制原理僅僅對宏觀上的極化電壓有抑制作用，而對由微觀粒子的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢并沒有影響。所以，在連續(xù)的測量控制時(shí)序的周期作用下，極化電壓*可以控制到一個(gè)預(yù)先設(shè)定的恒定值。
由于采用自動跟蹤反饋控制的思想，極化控制電路由微處理器來集中控制。在控制方波的一個(gè)周期內(nèi)，測量時(shí)間段內(nèi)MCU將模擬開關(guān)打開，不進(jìn)行反饋控制，此時(shí)MCU控制ADC采集電極上的信號；控制時(shí)間段內(nèi)MCU將模擬開關(guān)閉合，進(jìn)行反饋控制，此時(shí)不采集電極上的信號。由于極化電壓的變化非常緩慢，而控制方波的一個(gè)周期內(nèi)，被控制后的極化電壓根本來不及變化。因而， 一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行半周期的測量和半周期的控制*可以有效地控制極化電壓并采集反映流量的感應(yīng)電動勢信號。
兩個(gè)電極信號分別引入各自的極化電壓控制電路，極化控制電路的示意圖如圖4．12所示，可以分為兩大部分：前向通道和反饋通道。前向通道中，電極信號S經(jīng)過濾波預(yù)處理電路后，經(jīng)過級同相信號放大電路(輸入阻抗高，輸出阻抗低)進(jìn)行一次放大，放大后的信號經(jīng)過一階低通濾波電路，初步去除信號的高頻噪聲和感應(yīng)電動勢信號，然后經(jīng)過反相信號放大電路對信號進(jìn)行進(jìn)一步的放大，通過兩級放大后所獲得的信號通常為原先電極信號的幾百倍甚至上千倍，經(jīng)過兩級信號放大電路后的信號再通過一階低通濾波電路，此時(shí)反映流量的感應(yīng)電動勢和高頻噪聲已經(jīng)基本消除，獲得的是平穩(wěn)的直流極化電壓信號。此時(shí)的極化電壓是雙極性信號，經(jīng)過電平提升電路后轉(zhuǎn)換為具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的單極性信號，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。然后通過A／D采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后發(fā)送到單片機(jī)。
反饋通道中，A／D轉(zhuǎn)換后的極化電壓信號發(fā)送到微處理器，MCU比較極化電壓的采樣值和預(yù)先設(shè)定值的大小，然后根據(jù)結(jié)果調(diào)整時(shí)序發(fā)生器的波形， 從而改變模擬開關(guān)的開關(guān)時(shí)間，通過模擬開關(guān)連接到電極上的正負(fù)控制電壓的反饋時(shí)間發(fā)生變化，迫使極化電壓保持在預(yù)先設(shè)定的值。從而實(shí)現(xiàn)對極化電壓的*控制，使恒磁式電磁流量計(jì)應(yīng)用到一般流體測量中成為可能。
4．3．2．2 前向通道電路
由圖4．12可知，前向通道電路主要包括信號的多級放大與濾波、電平提升電路以及A／D轉(zhuǎn)換電路。電平提升電路和A／D轉(zhuǎn)換電路前面已經(jīng)介紹過，這里主要介紹極化電壓信號的多級放大與濾波電路，其電路圖如圖4．13所示。+3 6V 圖4．13極化電壓的放大濾波電路在圖4．13中，極化電壓信號的放大與濾波電路包括兩級一階RC有源濾波和兩級同相放大電路組成。級同相放大電路采用微功耗運(yùn)算放大器OPl96， OPl96也是ADI公司生產(chǎn)的可單電源供電、軌對軌輸出的高性能運(yùn)放，而且提供了兩個(gè)輸入失調(diào)電壓調(diào)整端，用來把運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓調(diào)整為零。OPl96 的具體性能參數(shù)可參閱其數(shù)據(jù)手冊。OPl96采用同相型放大電路，其電路的放大倍數(shù)為40。第二級同相放大電路采用運(yùn)放OP281，其電路的放大倍數(shù)為20。這樣極化電壓信號總的放大倍數(shù)是兩級放大電路的放大倍數(shù)之積，即800倍。兩級一階RC濾波電路和后面的運(yùn)算放大電路一起，構(gòu)成了兩級的一階RC 有源濾波電路。由于極化電壓信號為直流信號，為了盡可能的抑制噪聲干擾， 同時(shí)獲得紋波較小的極化電壓信號，本課題選擇的濾波參數(shù)如圖4．13中所示。對于每級的一階RC濾波器，其截上匕頻率Y,j五=i品≈23．4 Hz。但是，由于Z7／"K(-， 電路設(shè)計(jì)為兩級一階RC濾波器串聯(lián)，帶寬將會縮小，’所以實(shí)際的截止頻率為
4．3．2．3 反饋通道電路
由圖4．12可知，反饋通道電路主要包括j下負(fù)控制電壓，連接正負(fù)控制電壓和電極的模擬開關(guān)，以及由MCU產(chǎn)生的控制模擬開關(guān)狀態(tài)的時(shí)序發(fā)生器等三部分組成。
在本課題中，J下負(fù)控制電壓由電源加分壓電路直接產(chǎn)生，用來提供控制階段反饋到電極上的電壓信號。該方法簡單!但是其值相對于極化電壓來說太大， 而且其電壓固定，不能隨極化電壓幅度的變化而變化，控制不夠準(zhǔn)確，影響信號測量的精度。因此，如果采用D／A輸出作為反饋電壓信號，MCU能夠根據(jù)極化電壓值來決定反饋電壓的大小，可以體現(xiàn)信號的變化，提高測量的準(zhǔn)確性。在本課題中，模擬丌關(guān)的作用主要是控制反饋電壓與電極的連接狀態(tài)。由于測量數(shù)據(jù)的精度和反饋時(shí)間的準(zhǔn)確度息息相關(guān)，而反饋時(shí)間由模擬開關(guān)控制， 所以需要模擬開關(guān)能很準(zhǔn)確的進(jìn)行丌關(guān)控制，因此需要模擬開關(guān)的上升下降時(shí)間都很短。本課題選用了公司的Intersil公司的ISL43112，ISL43112是單刀單擲(SPST)雙電源高性能模擬丌關(guān)，電源輸入范圍為±1．5V～±6V，該芯片的主要性能如下：導(dǎo)通電阻為15歐姆：導(dǎo)通時(shí)間40ns，關(guān)閉時(shí)間25ns。ISL41 12 通常情況下處于關(guān)斷狀態(tài)。如果控制端(IN)輸入信號為高電平時(shí)，模擬開關(guān)閉合，輸入端(NO)和輸出端(COM)呈導(dǎo)通狀態(tài)：相反，如果IN輸入信號為低電平時(shí)，模擬丌關(guān)斷丌，NO端和COM端呈斷丌狀態(tài)。這樣可以通過控制IN端的輸入信號控制模擬丌關(guān)的狀態(tài)。
在本課題中，時(shí)序發(fā)生器由微處理器控制定時(shí)器產(chǎn)生，用以生成系統(tǒng)所需的邏輯時(shí)序，控制模擬丌關(guān)的通斷?？刂颇M丌關(guān)的邏輯時(shí)序波形如圖4．5所示，時(shí)序波形變化依據(jù)可以用示意圖4．14表示。圖4．14模擬開關(guān)控制時(shí)序變化示意圖
每個(gè)電極上連接一對模擬開關(guān)K1和K2，K1接正控制電壓，K2接負(fù)控制電壓。兩個(gè)電極上的極化電壓信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入微處理器，微處理器對采樣所得的極化電壓信號和設(shè)定值進(jìn)行比較，按照圖4．14的控制邏輯改變模擬開關(guān)K1和K2的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而改變控制階段正反饋電壓和負(fù)反饋電壓的作用時(shí)間，使極化電壓不斷向某一設(shè)定值靠攏，并最終穩(wěn)定在該設(shè)定值，從而消除極化電壓對流量信號所產(chǎn)生的影響。這樣兩個(gè)電極上的信號差分即可獲得反映流量的感應(yīng)電動勢信號。--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：
會員1.png)