流量計(jì)概述

　　流量計(jì)是工業(yè)測(cè)量中重要的儀表之一，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)流量測(cè)量的準(zhǔn)確度和范圍的要求越來越高，流量測(cè)量技術(shù)日新月異，而在眾多的流量計(jì)中對(duì)于微小液體流量的測(cè)量還存在空白，該型流量計(jì)正是基于此目的研制開發(fā)的。該型高精度微流量傳感器是基于轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理設(shè)計(jì)而成，而敏感元件感受轉(zhuǎn)子位移信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等調(diào)理，輸出信號(hào)幅度較大的電壓信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入CPU，經(jīng)過計(jì)算、溫度補(bǔ)償?shù)玫搅髁恐?，?shù)字化顯示流量值，并通過標(biāo)準(zhǔn)RS485輸出。通過樣品實(shí)驗(yàn)證明了它具有高精度、高可靠性、響應(yīng)時(shí)間短、低功耗、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、智能化等特點(diǎn)。

　　信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　1 儀用放大電路

　　由激磁線圈產(chǎn)生的三值矩形波信號(hào)的頻率為6．25Hz，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為同頻率的交流信號(hào)，即被測(cè)信號(hào)。

　　由于被測(cè)信號(hào)屬于低頻信號(hào)，需要用頻帶從零開始的直流放大器。那么直流放大器將面臨兩個(gè)問題：一是前級(jí)和后級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響，二是零點(diǎn)漂移問題。前級(jí)引起的零點(diǎn)漂移電壓，再被后級(jí)放大，最終將掩蓋正常的信號(hào)輸出。而差動(dòng)放大電路因其具有特殊的電路結(jié)構(gòu)，能夠有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此測(cè)量電路的第一級(jí)采用儀表放大器。

　　儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)。儀表放大器所采用的基礎(chǔ)部件（運(yùn)算放大器），它們?cè)谛阅苌吓c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; 而儀表放大器在有共模信號(hào)條件下能夠放大很微弱的差分信號(hào)，因而具有很高的共模抑制比（CMR）。

　　MAX4194 低功耗儀表放大器屬于三運(yùn)放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三運(yùn)放拓?fù)涞恼嬲齼?yōu)勢(shì)是能夠進(jìn)行真正的差分測(cè)量（高CMR），同時(shí)又有非常高的車俞入阻抗，這些特點(diǎn)使其得到了廣泛應(yīng)用，特別是在信號(hào)源阻抗非常高的場(chǎng)合。

　　外接增益設(shè)置電阻是儀表放大器的關(guān)鍵部件，要具有較好的溫度系數(shù)和溫度一致性，它的精度及溫度穩(wěn)定性直接影增益，對(duì)于放大器的總體性能有較大影響。特別是增益較大時(shí)（ G 》100），連線及插［ 1的電阻也會(huì)對(duì)增益帶來附加誤差。也就是說，式中的RG值應(yīng)為外接電阻與連線等雜散電阻的總和?？紤]到被測(cè)信號(hào)中強(qiáng)噪聲的存在，減少噪聲進(jìn)入后續(xù)電路以及使得精密儀用放大器處于線性工作區(qū)，選第一級(jí)放大倍數(shù)約為10，取RG為5.5K。

　　2.低通濾波電路

　　由傳感器測(cè)量電極檢測(cè)到的電壓信號(hào)，經(jīng)過儀表放大電路后變?yōu)閱味诵盘?hào)。由于測(cè)到的電壓信號(hào)屬微弱信號(hào)，干擾信號(hào)的幅度相對(duì)較大，為保證前置放大器工作在線性區(qū)域，所以前置放大器的輸出幅度仍然很低，不能直接進(jìn)信號(hào)采樣，還需要再經(jīng)數(shù)百倍的放大。同時(shí)需要注意的是，高倍多級(jí)的放大必須預(yù)防放大器的自激振蕩。此外，測(cè)量電路及器件本身存在噪聲外，還有電磁干擾、靜電干擾等因素，流量信號(hào)中仍然可能含有多種頻率成分的噪聲。嚴(yán)重時(shí)這些噪聲可能淹沒真正的流量信號(hào)，使得測(cè)量系統(tǒng)無法獲取有用的流量信號(hào)。因此，在采集信號(hào)前需要進(jìn)行濾波處理，將不需要的噪聲干擾信號(hào)抑制掉，用以增加測(cè)量系統(tǒng)的信噪比。

　　設(shè)計(jì)中流量信號(hào)的頻率是6.25Hz，屬低頻信號(hào)，所以設(shè)計(jì)使用低通濾波電路。

　　由集成運(yùn)放和RC網(wǎng)絡(luò)共同組成的濾波電路，由于集成運(yùn)放是有源器件，屬于有源濾波電路，具有選擇性好、帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此采用二階有源低通濾波電路。

　　運(yùn)算放大器選用美國AD 公司的OP90，它是一種低電壓微功耗器件，單、雙電源兩種供電模式。測(cè)量信號(hào)屬于微小信號(hào)，采用單電原供電，供電范［ 圍是+1.6V~+36V。此外，它的開環(huán)增益最小700V/mV，較高的共模抑制比，非常適合電池供電系統(tǒng)。

　　電路具有同相輸入結(jié)構(gòu)，集成運(yùn)放接成電壓跟隨器的形式，直流輸入電阻很高，輸出電阻很低，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。由于電路對(duì)于RC網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)很高的輸入阻抗，因此，整個(gè)電路的選頻特性基本上取決于RC網(wǎng)絡(luò)。

　　3.信號(hào)放大電路

　　經(jīng)過前置放大器的差動(dòng)放大、二階低通濾波電路之后，被測(cè)流量信號(hào)的共模干擾以及其他干擾頻率的噪聲得到了大大的削弱。但是，其信號(hào)幅值仍然很小，需要進(jìn)行幅值的高倍數(shù)放大后，才能進(jìn)行信號(hào)的采集與分析。

　　采用可調(diào)節(jié)高增益電壓放大電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大。該電路由MAX4197和MAX4194 糾l成，MAX4194的外接精密電陰l/ 月來調(diào)節(jié)放大器的增益。

　　對(duì)于高增益放大電路，為了滿足輸出信號(hào)幅值的設(shè)計(jì)要求，放大倍數(shù)通常較大，而作為測(cè)量電路本身的噪聲也會(huì)被放大，因此只有通過負(fù)反饋環(huán)路，消除共模信號(hào)的干擾，才能確保電路對(duì)被測(cè)信號(hào)的放大作用。當(dāng)流量測(cè)量信號(hào)進(jìn)入測(cè)量電路時(shí)，放大器與電容形成負(fù)反饋閉環(huán)電路，測(cè)量電路的固有噪聲信號(hào)反饋到輸入端，即電容C3上的電莊玉值，被測(cè)信號(hào)與電容的噪聲構(gòu)成差動(dòng)信號(hào)，從而去除固有噪聲干擾信號(hào)，有效減少噪聲信號(hào)的干擾。由于是兩級(jí)放大，完全可以滿足電路對(duì)信號(hào)的放大要求，使得整體放大倍數(shù)達(dá)到1萬倍左右，輸出信號(hào)幅值可以達(dá)到0.4V~ 2.5V，進(jìn)入后續(xù)的A/D采樣部分。

　　總結(jié)

　　設(shè)計(jì)了一種用于電磁流量計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路，包括儀表放大電路，低通濾波電路和信號(hào)放大電路，可以有效地抑制干擾，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從而達(dá)到測(cè)量要求。

　　電路中使用的運(yùn)算放大器均采用低電壓微功耗器件，大大降低了電路的功耗。該信號(hào)調(diào)理電路也使用與其他電池供電的便攜式測(cè)試系統(tǒng)。