摘要：蒸汽流量計(jì)的傳感信號放大一直是該流量儀表設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)．小信號處理不好會造成量程比受限，小流量不能測量；還會產(chǎn)生50Hz干擾，信號自激．通過改進(jìn)蒸汽流量計(jì)傳感信號放大電路設(shè)計(jì)，從而提高了測量量程比，*了信號自激現(xiàn)象，有效地解決了這些問題．
蒸汽流量計(jì)是20世紀(jì)6O年代末期發(fā)展起來的一種基于液體振動原理的流量計(jì)．蒸汽流量計(jì)具有量程寬、無可動部件、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單、壓力損失小、一定的計(jì)量精度等優(yōu)點(diǎn)．?蒸汽流量計(jì)是基于卡門蒸汽原理制成的一種流體振蕩性流量計(jì)，即在流動的流體中放置一個(gè)非流線型的對稱形狀的物體（蒸汽流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體），就會在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦即卡門蒸汽，其漩渦頻率與來流速度成正比．E2]
目前，將蒸汽流量計(jì)用于流量測量，需要研究的關(guān)鍵性問題有：（1）抑制流場噪聲的影響．流場的穩(wěn)定性、均勻性不僅對卡門蒸汽的形成和分離有影響，而且對各種敏感元件的檢測效果也有直接影響．附加的旋渦干擾了蒸汽信號，降低了性噪比．（2）準(zhǔn)確測量小流量．因?yàn)樾×髁克a(chǎn)生的橫向升力較小，檢測信號非常微弱，易受流體沖擊振動噪聲和管道振動噪聲的影響．小信號處理不好會造成量程比受限，小流量不能測量，還會產(chǎn)生50Hz干擾，信號自激．_3因此，蒸汽流量計(jì)的傳感信號放大一直是這種速度式儀表設(shè)計(jì)
中的一大難點(diǎn)．
本文設(shè)計(jì)的儀表放大器具有非常*的特性，能將傳感器非常微弱的信號不失真地放大以便于信號采集，對傳感器信號進(jìn)行很好的調(diào)整以符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的工作范圍；摒棄了以前放大電路常見的50HZ干擾，信號自激，測量不穩(wěn)定等問題．該儀表放大器從2006年使用至今效果較為理想，獲得了市場肯定，
1儀表放大器在流量計(jì)傳感信號電路中的應(yīng)用
儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)．差分放大器和儀表放大器所采用的基礎(chǔ)部件（運(yùn)算放大器）基本相同，而在性能上與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有很大的不同．標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定；而差分放大器和儀表放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比（CMR）．k4j儀表放大器的特點(diǎn)：（1）高共模抑制比．共模抑制比（CMRR）則是差模增益（Ad）與共模增益（Ac）之比，即：CMRR：20（Ad／Ac）dB；儀表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值為70～100dB以上．
（2）高輸入阻抗．要求儀表放大器必須具有*的輸入阻抗，儀表放大器的同相和反相輸入端的阻抗都很高而且相互平衡，其典型值為109～1012Q．由于儀表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓，因此儀表放大器不能把自身的噪聲加到信號上．在1kHz條件下，折合到輸入端的輸入噪聲要求小于10nV／Hz．
（3）低線性誤差．輸入失調(diào)和比例系數(shù)誤差能通過外部的調(diào)整來修正，但是線性誤差是器件固有缺陷，它不能由外部調(diào)整來消除．一個(gè)高質(zhì)量的儀表放大器典型的線性誤差為0．01％，有的甚至低于0．0001％．
（4）低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移．儀表放大器的失調(diào)漂移也由輸入和輸出兩部分組成，輸入和輸出失調(diào)電壓典型值分別為100uV和2mV．（5）低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差．雙極型輸入運(yùn)算放大器的基極電流，F(xiàn)ET型輸入運(yùn)算放大器的柵極電流，這個(gè)偏置電流流過不平衡的信號源電阻將產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)誤差．雙極型輸入儀表放大器的偏置電流典型值為1nA～50pA，而FET輸入的儀表放大器在常溫下的偏置電流典型值為50pA．
為了有效地工作，要求儀表放大器不僅能放大微伏級信號，而且還能抑制其輸入端的共模信號．這就要求儀表放大器具有很大的共模抑制（CMR）：典型的CMR值為70～100dB．當(dāng)增益提高時(shí)，CMR通常還能獲得改善．
2傳感放大電路的改進(jìn)
傳統(tǒng)蒸汽流量計(jì)在使用中放大電路常見的問題有：（1）工頻50Hz干擾，間斷出現(xiàn)的50Hz干擾使測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；（2）信號自激，造成沒流量時(shí)儀表有讀數(shù)；（3）測量不穩(wěn)定．
針對以上出現(xiàn)的問題，采取了如圖1所示的改進(jìn)電路取代了以前的放大電路．經(jīng)過一段時(shí)間的試驗(yàn)證明，流量計(jì)基本沒有了工頻50Hz干擾，信號自激和測量不穩(wěn)定的現(xiàn)象，投入市場后取得了良好的效果．

圖1傳感器數(shù)據(jù)采集放大電路圖
該電路主要功能為將傳感器輸出的信號以差模方式進(jìn)行放大．此前置放大器關(guān)系到整個(gè)放大電路的優(yōu)劣，必須具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低
噪聲和強(qiáng)抗干擾能力等性能．故本設(shè)計(jì)采用NEC公司的UPC831的運(yùn)放測量放大電路作為此放大電路的前級放大器．該形式的儀表放大器，其輸入阻抗約為30～5000Mf~，共模抑制比（CMR）Rdb=70～90dB，電源抑制比SVR=70～90dB，失調(diào)電壓溫漂r=0．25～10lxV／
傳感器信號從SIN4、SIN5二個(gè)端口輸入放大電路，SIN7端口加正2．6V電源，運(yùn)放采用日本NEC公司的UPC831集成運(yùn)放，正負(fù)2．6V電源供電，如圖2所示．
本放大電路中核心器件低功耗儀表放大器UPC831特點(diǎn)及性能如圖3和表1所示

UPC831是一種低功耗的儀表放大器．它采用單、雙兩種電源供電，可實(shí)現(xiàn)軌一軌輸出，具有的交流和直流特性．UPC831采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8腳封裝，引腳排列圖如圖4所示．

3儀表放大器RFI抑制電路及50Hz陷波電路的設(shè)計(jì)
微功耗儀表放大器易受RF整流的影響.UPC831具有低輸入級工作電流.簡單地增加輸人電阻器R1的位或電容器C5,C6的值，會以減小信號帶寬為代價(jià)提供進(jìn)一步的RF衰減.由于UPC831儀表放大器具有比通用IC更高的噪聲，所以可以使用較高的輸人電阻器而不會嚴(yán)重降低電路的噪聲性能.為了使用較高阻值的輸人電阻器，設(shè)計(jì)出RCRFI電路，如圖5所示.工頻干擾是信號的主要干擾.雖然前置放大電路對共模干擾有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模方式進(jìn)人電路.所以必須濾除.
本設(shè)計(jì)采用R12,R5,C7陷波電路濾除50HZ工頻干擾，如圖5所示.

4放大特性的檢測及結(jié)論
（1）消耗電流A1：檢N+2．6V線路中的電流，合格值在2501．A以下；消耗電流A2：檢測一2．6V線路中的電流，合格值在250t,A以下．
（2）頻率特性：信號發(fā)生器輸入Vp-p為400mY，輸出Vp—P為400mV，在輸入頻率為1．7Hz，10Hz，4kHz時(shí)，衰減器的值分別為：18．7±1．5dB，21．0-+1．5dB，21．1±1．5dB．
（3）噪聲：在不加外部信號的條件下，檢測CN1的7、9腳之間的電壓Vp—P應(yīng)該小于30mY．經(jīng)過測試放大電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求，另外在電路板的制作過程中，又可采取環(huán)形接地的方式，對UPC831電路的主體部分采用上下全屏蔽的形式．通過這些措施，有效保證了小信號的放大，給后級放大提供了一個(gè)非常好的信號．由示波器還可看出響應(yīng)信號和調(diào)制脈沖信號是同頻變化的信號，放大器輸出的響應(yīng)信號中并沒有夾雜其他頻率的信號，說明放大電路的頻率響應(yīng)特性良好．