恒磁式电磁流量计极化控制电路总体设计
恒磁式电磁流量计极化控制电路总体设计
在恒磁式电磁流量计中，直流极化电压随机性大，而且幅值相对较大。由于磁场强度增加，反应流速的感应电动势相应增大，但与极化电压相比，仍然非常微弱。极化控制电路的主要任务，就是将极化电压控制到重复稳定的值， 以便提取出微弱的、反映流量的感应电动势。因此，极化控制电路在整个恒磁式电磁流量计中占据非常重要的地位。
极化电压是直流信号，其变化相对缓慢，变化频率远远小于模拟开关的控制频率。感应电动势则是由于微观粒子在洛仑兹力的作用下发生偏转产生的电势差，而微观粒子的偏转速度极快，所以当流体流过管道时，感应电动势在瞬间就能建立起来，感应电动势的产生速度远远大于模拟开关的控制频率。因此， 本课题设计的动态反馈极化控制原理仅仅对宏观上的极化电压有抑制作用，而对由微观粒子的偏转产生的感应电动势并没有影响。所以，在连续的测量控制时序的周期作用下，极化电压*可以控制到一个预先设定的恒定值。
由于采用自动跟踪反馈控制的思想，极化控制电路由微处理器来集中控制。在控制方波的一个周期内，测量时间段内MCU将模拟开关打开，不进行反馈控制，此时MCU控制ADC采集电极上的信号；控制时间段内MCU将模拟开关闭合，进行反馈控制，此时不采集电极上的信号。由于极化电压的变化非常缓慢，而控制方波的一个周期内，被控制后的极化电压根本来不及变化。因而， 一个周期内进行半周期的测量和半周期的控制*可以有效地控制极化电压并采集反映流量的感应电动势信号。
两个电极信号分别引入各自的极化电压控制电路，极化控制电路的示意图如图4．12所示，可以分为两大部分：前向通道和反馈通道。前向通道中，电极信号S经过滤波预处理电路后，经过级同相信号放大电路(输入阻抗高，输出阻抗低)进行一次放大，放大后的信号经过一阶低通滤波电路，初步去除信号的高频噪声和感应电动势信号，然后经过反相信号放大电路对信号进行进一步的放大，通过两级放大后所获得的信号通常为原先电极信号的几百倍甚至上千倍，经过两级信号放大电路后的信号再通过一阶低通滤波电路，此时反映流量的感应电动势和高频噪声已经基本消除，获得的是平稳的直流极化电压信号。此时的极化电压是双极性信号，经过电平提升电路后转换为具有高输入阻抗、低输出阻抗的单极性信号，并具有较强的驱动能力。然后通过A／D采样，转换为数字信号后发送到单片机。
反馈通道中，A／D转换后的极化电压信号发送到微处理器，MCU比较极化电压的采样值和预先设定值的大小，然后根据结果调整时序发生器的波形， 从而改变模拟开关的开关时间，通过模拟开关连接到电极上的正负控制电压的反馈时间发生变化，迫使极化电压保持在预先设定的值。从而实现对极化电压的*控制，使恒磁式电磁流量计应用到一般流体测量中成为可能。
4．3．2．2 前向通道电路
由图4．12可知，前向通道电路主要包括信号的多级放大与滤波、电平提升电路以及A／D转换电路。电平提升电路和A／D转换电路前面已经介绍过，这里主要介绍极化电压信号的多级放大与滤波电路，其电路图如图4．13所示。+3 6V 图4．13极化电压的放大滤波电路在图4．13中，极化电压信号的放大与滤波电路包括两级一阶RC有源滤波和两级同相放大电路组成。级同相放大电路采用微功耗运算放大器OPl96， OPl96也是ADI公司生产的可单电源供电、轨对轨输出的高性能运放，而且提供了两个输入失调电压调整端，用来把运放的输入失调电压调整为零。OPl96 的具体性能参数可参阅其数据手册。OPl96采用同相型放大电路，其电路的放大倍数为40。第二级同相放大电路采用运放OP281，其电路的放大倍数为20。这样极化电压信号总的放大倍数是两级放大电路的放大倍数之积，即800倍。两级一阶RC滤波电路和后面的运算放大电路一起，构成了两级的一阶RC 有源滤波电路。由于极化电压信号为直流信号，为了尽可能的抑制噪声干扰， 同时获得纹波较小的极化电压信号，本课题选择的滤波参数如图4．13中所示。对于每级的一阶RC滤波器，其截上匕频率Y,j五=i品≈23．4 Hz。但是，由于Z7／"K(-， 电路设计为两级一阶RC滤波器串联，带宽将会缩小，’所以实际的截止频率为
4．3．2．3 反馈通道电路
由图4．12可知，反馈通道电路主要包括j下负控制电压，连接正负控制电压和电极的模拟开关，以及由MCU产生的控制模拟开关状态的时序发生器等三部分组成。
在本课题中，J下负控制电压由电源加分压电路直接产生，用来提供控制阶段反馈到电极上的电压信号。该方法简单!但是其值相对于极化电压来说太大， 而且其电压固定，不能随极化电压幅度的变化而变化，控制不够准确，影响信号测量的精度。因此，如果采用D／A输出作为反馈电压信号，MCU能够根据极化电压值来决定反馈电压的大小，可以体现信号的变化，提高测量的准确性。在本课题中，模拟丌关的作用主要是控制反馈电压与电极的连接状态。由于测量数据的精度和反馈时间的准确度息息相关，而反馈时间由模拟开关控制， 所以需要模拟开关能很准确的进行丌关控制，因此需要模拟开关的上升下降时间都很短。本课题选用了公司的Intersil公司的ISL43112，ISL43112是单刀单掷(SPST)双电源高性能模拟丌关，电源输入范围为±1．5V～±6V，该芯片的主要性能如下：导通电阻为15欧姆：导通时间40ns，关闭时间25ns。ISL41 12 通常情况下处于关断状态。如果控制端(IN)输入信号为高电平时，模拟开关闭合，输入端(NO)和输出端(COM)呈导通状态：相反，如果IN输入信号为低电平时，模拟丌关断丌，NO端和COM端呈断丌状态。这样可以通过控制IN端的输入信号控制模拟丌关的状态。
在本课题中，时序发生器由微处理器控制定时器产生，用以生成系统所需的逻辑时序，控制模拟丌关的通断。控制模拟丌关的逻辑时序波形如图4．5所示，时序波形变化依据可以用示意图4．14表示。图4．14模拟开关控制时序变化示意图
每个电极上连接一对模拟开关K1和K2，K1接正控制电压，K2接负控制电压。两个电极上的极化电压信号经过A／D转换后，转化为数字信号送入微处理器，微处理器对采样所得的极化电压信号和设定值进行比较，按照图4．14的控制逻辑改变模拟开关K1和K2的导通时间，进而改变控制阶段正反馈电压和负反馈电压的作用时间，使极化电压不断向某一设定值靠拢，并最终稳定在该设定值，从而消除极化电压对流量信号所产生的影响。这样两个电极上的信号差分即可获得反映流量的感应电动势信号。--扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：
