非满管电磁流量转换器的研制
非满管电磁流量计转换器
传感器产生的感应电动势信号幅值极其微弱，干扰信号很多也很复杂，信号的幅值也会受到磁场变动的影响。因此，传感器测量到的感应电动势不能直接用于流量的显示，不能被其他的仪表和系统接受，必须经过放大、变换为统一的或标准的信号输出或直接显示测量结果，这样在工业检测和测量中才有实际意义。一般来说，电磁流量转换器包括励磁电路和信号处理电路，包括以下基本电路： 励磁电路，电源电路，差动前置放大，主放大器，同步采样、保持电路，高通和低通滤波，单片机【30’34，351以及其外围电路【36。381，一些辅助功能如报警电路。下面分为励磁电路和信号处理电路两个部分进行介绍。
3．1非满管电磁流量转换器的励磁电路
电磁流量转换器励磁电路中的励磁芯片选用XR．2206CP，它是单片集成函数发生器，可以产生高稳定性和精度的正弦波，方波，三角波，斜波和矩形脉冲波。输出的波形可由外部电压控制其幅值和频率。信号频率的输出可调范围在O．1Hz-1MHz之间，温漂很小，在20pprn／oC，适合用于通信、仪器以及函数信号发生器，AM／FM和FSK发生器上，振荡器的频率扫频范围可由外部电压控制在2000：1，且失真率低，其中输出正弦波的失真率在o．5％。该芯片是由压控振荡器、乘法器和正弦波发生器、电流开关以及unity增益缓冲放大器几个模块组成。图3．1是正弦波产生的电路，该芯片的输出脚是2脚，输出信号的频率由芯片的5脚和6脚之问的电容值，以及7脚或者8脚之间的电阻值所决定的，若5， 6脚之间的电容值为C，7，8脚的某一电阻值为R，则输出信号的频率f=I／(RC)。引脚9决定了是选择7脚还是8脚作为输出信号频率的决定电阻。压控振荡器产生一个与输入电流成比例的输出频率，图3．1中的9脚开路，即意味着选择了7脚的电阻作为控制正弦波输出频率的值的电阻，由于是7脚被激活，因此该电流由图3．1中芯片7脚和地之间的电阻值设定，通过调节7脚的电阻值改变频率fo 3脚连接的电阻值控制了输出信号的幅值大小，它被偏置在电源V+和地之间的中间位置，输出的电压的幅值在V+／2，对于正弦波的输出来说，3脚的电阻每增加1KQ，输出幅值约增加60mV。励磁信号的功率放大电路保留原有低频正弦波电磁流量计采用的运算放大器进行电压放大与功率放大管组成的互补对称推挽电流放大相结合的功率放大电路【291。信号输出22 jr 图3．1产生低频正弦波的电路
3．2非满管电磁流量转换器的电极信号处理
(1)电极信号的放大【29'39】
普通型智能型电磁流量计的电极信号放大采用的前置放大电路一般是用AD620仪用放大器来实现的，AD620仪用放大器是一种用来测量两个输入端之间的电位差，并以设定的增益对信号进行精密放大的专用增益模块，它是与传感器配合使用的重要放大器。AD620只需一个外接电阻就可以实现l～1000倍的信号放大倍数，但是如果要实现几个不同放大倍数之间的转换，就需要并联几个不同大小的电阻，每个电阻可以通过跳线控制通断，以选择需要的不同的放大倍数，为了省去每次都要调节不同的电阻值获得需要的放大倍数，这里改用可编程增益仪用放大器LTC6915来实现这一个功能，只需要在程序上设定一下，就可以实现不同放大倍数之间的转换。电极信号的放大电路如下图3．2所示，图3．2所示的是一对测量电极的信号放大电路，其余两对的信号放大与之相同，只是在可编程增益仪用放大器LTC6915的增益大小设置上不同。图3．2电极信号放大电路图电极之间的差动信号在进入可编程增益仪表放大器之前，先要将电极信号进行信号的预处理。
电极信号的预处理电路相当于是一个低通滤波和一个高通滤波串联，其中Rlsib和Clsib，R2sib和C2sib组成低通滤波器，C3sib，R4sib，R5sib和运放U7A以及C5sib，R6sib，R7sib和运放U7B组成两组高通滤波器。低通滤波器消除高频干扰，电路这样设置的目的是使得高通滤波器的电阻近似与运放的输入阻抗，并且高频滤波器可以起到隔直的作用。
LTC6915这款可编程增益仪表放大器的增益大小可以通过并行接口，可以将放大倍数设置在0-4096范围内的14级可编程增益放大器，放大的范围*可以满足电磁流量转换器中代替一般仪用放大器如AD620的要求。在5V电压的供电下，共模抑制比可以达到125dB，在温漂不超过50nV／。C时，输出的电压偏差在109V以下。它采用的是充电平衡采样数据技术将一个差分输入电压转换成单端信号，再由一个零漂移运算放大器对信号进行放大。引脚11接电源正，该芯片采用并行模式，增益由并行代码DO～D3决定，即图中的CS(DO)、DATA(D1)、CLK(D2)、Dout(D3)。同时D3脚要连接一个10K的电阻值用于分流。放大器的增益设置如表3．1： 表3．1放大器的增益设置D3，D2，D1，DO 0010 010l 1000 增益O 1 2 4 8 16 32 64 128 D3，D2，D 1，DO 101l 1100 110l ～111l 增益256 512 4096 DO，D1，D2，D3连接到单片机的I／O上，通过改变I／O的高低电平达到最终改变放大器增益的目的。
(2)信号放大后的滤波处理
电极信号放大处理后，在通到多路模拟开关之前，先经过高通滤波和低通滤波电路的滤波处理。因为电极信号除了包含有用信号(交流信号)之外，还有直流偏置和工频干扰，经过了放大器的放大之后，干扰信号也随之放大，因此在进入多路模拟开关之前，先要硬件滤波处理。高通滤波和低通滤波均采用二阶巴特沃思滤波器，并且用Matlab软件的simulink功能进行了电路仿真【40，411，性能较好。
(3)多路模拟开关
在上文中也提到，多路模拟开关是用来选择合适的某对测量电极，进行感应电动势信号的提取，该部分电路图如图3．3所示。这里选择的模拟开关是MAX4602，它是四路常开的多路模拟开关，它在工作于低得多的电压时，可以提供2．5Q的导通电阻，供电为±12V时的导通电阻不超过3Q。所谓的四路常开是指，当没有输入控制信号时，四路输出为零。图3．3多路模拟开关文中只需要用到其中的三个模拟开关，每对电极经过可编程增益放大器之后的单端信号，连接到MAX4602的INl、IN2和IN3的三个输入端，由于每次只会有一路模拟开关的输出端是导通的，因此将三路输出信号连接到一起。控制信号的输入仍然是通过单片机完成，由单片机I／O口的P6．3、P6．4和P6．5的高低电平状态控制。
(4)乘法器电路
乘法器电路采用的芯片AD734， AD734的输入范围只能在．10～10V，这么大的输入范围，可以保证即使前置的电路干扰信号没有去除干净，乘法器输入端的有用信号幅值也在输入范围内。
AD734也是一款四象限模拟乘法器，但是其信号频宽输入为10MHz，但是因为励磁频率本身就是低频信号，AD734的10MHz的频宽输入*可以满足需求。两路输入是励磁反馈信号FB和多路模拟开关的输出信号，这里的AD734的电路的输入输出关系不是W=XY，而是W=XY／10，因此在乘法器后面串接一个放大电路，否则就造成输出信号太微弱了。
前文中提过，乘法器的输出信号的直流分量与流体流过的平均流速是呈线性关系的，因此为了提取该直流信号，也为了后续的软件滤波处理的效果可以更好， 在放大器的后一级串接了一个二阶巴特沃斯低通滤波器，鉴于励磁频率选用5Hz，因此低通滤波器的截止频率f设置5．3Hz即可满足要求。图3．4中低通滤波器的输出信号out端理论上应该是一直流信号，但是实际中可能还会存在一些交流的干扰信号，因此在out端通入单片机的A／D模块之前， 还需要进行电平提升，以满足MSP430系列单片机信号输入范围的要求。
本文详细介绍了非满管开封电磁流量计的测量步骤和它的两大组成部分，传感器和转换器的硬件设计。传感器部分设计了将3对测量电极与差压传感器相结合的方法，用以实现非满管流体流速和液位值的测量。转换器部分以MSP430单片机为核心，其中，励磁电路产生励磁信号通入励磁线圈中进行激励、信号处理电路将每对电极间的感应电动势信号进行了放大、滤波，并且在信号处理电路中，采用了多路模拟开关，用于选择不同液位下的测量电极对，实现了非满管流体流量测量的基础硬件平台。--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：
