电磁流量计的智能化前端信号电路设计概要

电磁流量计的智能化前端信号电路设计概要
电磁流量计的智能化前端信号电路设计
■义乌市仪表有限公司孙向东
■义乌市广播电视局何晓芹
摘要关键词阐述电磁流量计最为关键的前端放大电路。

其具有线路简单、集成度高,特别是单片机可自动调节仪表放大倍数,以适应仪表的宽量程;采用24位A/D采样流量信号,精度高,可应用于DN15~DN2000(mm所有口径的电磁流量计,是一种新型智能化放大电路,将大大提高电磁流量计的测量精度。

电磁流量计运算放大器智能化高精度
电磁流量计是一种依据电磁感应定律开发的测量导电流体流量的仪表,在石油、化工、冶金、医药、环保等行业内均有广泛使用。

但是,国内的电磁流量计智能化水平低,测量精度不高,与国际先进的电磁流量计在技术上有一定的差距。

其中,电磁流量计的前端放大电路是最为关键的部分,但也是最为薄弱的环节,为此开发了一种智能化的前端放大电路。

根据流量或口径可自动调整放大倍数,极大地提高了电磁流量计的测量精度。

1原理和智能化放大电路设计
1.1原理
电磁流量计是电磁感应定律的具体应用。

导电流体在磁场中流动切割磁力线,产生电动势,推导公式为
E = K?Q(1
式(1表明电极两端的感应电动势E与被测导电介质的体积流量成正比。

其中电动势E是一个微弱的交变信号,此信号具有以下3个特点:
①感应的电动势为0.1~7 mV左右的交变信号。

在实际测量中,基本上可以测出的是1 m流速对应1 mV;
②此信号内阻高,为几MΩ;
③其它干扰成分信号多,尤其为50 Hz工频干扰,幅度远远大于流量
的感应电动势。

1.2智能化放大电路组成
针对感应电动势的上述特点设计了高精度电磁流量计智能化放大电路,其参考电路如图1所示。

电路由以下几部分组成:采用高精度仪表放大器A1组成的前端放大器、运放A2等组成的滤波回路、运放A3等组成的可变增益放大器、运放A4等组成的采样和保持电路以及24位高精度的Σ-ΔA/D转换器(该A/D含在美国Analog公司最新推出的A/ DμC824单片机中。

1.2.1前置放大电路
首先应该说明:由于感应电动势是交变信号,此交变信号是由励磁信号感应产生的。

励磁信号选用交变频率50 Hz的8分频(6.25 Hz,即励磁信号的周期为160 ms。

电路采用三值方波励磁形式,此形式能很好地消除电极两端的极化效应,励磁波形如图2所示。

由此励磁产生的信号也为与图2类似的交变信
图1高精度电磁流量计智能化放大电路
66
67
Mi crocontrol
lers & Embedded Systems
号。

但由于此信号内阻为几M Ω,如果仪表要达到±0.5 %的整体精度,那么整个放大电路的精度必须<0.2 %,而最前端的A1放大回路的精度必须控制在0.1 %以内,因此,必须选用高达1000 M Ω以上输入阻抗的运算放大器。

为此,我们选用了
INA114集成仪表运放,具有±40 V 的输入保护电压,输入阻抗为10 G Ω,外接元件少,符合仪表小型化的要求,同时通过外接的1个精密电阻R 3,就可以调节放大倍数,计算公式为
A = 1+ 50 k Ω/R 3
由于电极对地的电动势各种干扰成分多,为保证前置放大器不处于饱和与截止状态,同时也尽量
降低A1运放本身与后面电路带来的噪声,选用10
倍左右的放大倍数,即R 3的值为4.7 k Ω或5.1 k Ω,保证第一级IN114的输出电压<±5 V 。

图1中的R 2、R 3电阻给IN114提供偏置电流,其阻值为10 M Ω。

1.2.2二阶有源低通滤波器
图1中R 4、R 5、C 1、C 2和A2运放构成了二阶压控电压源有源低通滤波器。

这是一个经典电路,由二阶压控电压源滤波器的一般表达式,分析推导出放大倍数:
A VF = 1
而传递函数为
2
22
/(n s Q n s n s A (2
其中:
特征角频率
ωn 2 = 1/R 4R 5C 1C 2 (3
等效品质因素
(5422154R R C C C R R Q ??
(4
根据式(2求得低通滤波器的幅频特性:5.02222}/(]/(1{[1
|j (|Q n n A
(5
由此幅频特性用归一化后的幅值取对数表示,可得出:
当ω/ωn =1,Q =0.707时,20lg|A (j ω|=-3 dB;当ω/ωn =10,Q =0.707时,20lg|A (j
ω|=-40 dB 。

因此,当励磁频率为6.25 Hz 时,取
Q = 0.707 (6
ωn =2πf = 2π×6.25 = 39.27 (7综合式(3、(4、(6和(7,我们选用适当的值:
R 4=47 k Ω,R 5=47 k Ω,C 1=1μF ,C 2=0.33μF 这样一来,此低通滤波电路在6.25 Hz 的特征频率下有很好的低通滤波效果。

1.2.3可调增益放大电路
接下来的一级电路为高倍数放大电路,由图1中的A3放大器、R 6、R 7、R 8、R 9和口径电阻网络组成。

由于电磁流量计的前置只有10左右的放大倍数,因此这一级还需要根据不同的仪表口径分别放大10~40倍,使电磁流量计的总放大倍数达到1000~
4000。

即使0.1~5 mV 流量对应的电动势通过放大后达到0.4~2.5 V ,供后续的采样保持和A/D 转换器使用。

简化后的放大电路如图3所示。

该电路最大的优点是:用低值电阻实现高放大倍数的比例运算,R 7、R 8和口径电阻组成了T 型网络以代替反馈电阻R f 。

这样一来R 7、R 8和口径电阻R 的阻值容易选择,且可以控制阻值精度,从而控制仪表精度。

图3电路的放大倍数通过三角形-星形转换最后得到:
A VF = - (R 7+R 8+R 7R 8/R / R 6 (8
在实际电路中,我们取R 7=47 k Ω,R 8=47 k Ω,R 6=4.7 k Ω。

口径电阻R 是一个电阻网络,由单片机AD μC824控制CD4051来选择不同的电阻,具
体的值由实际标定来确定。

1.2.4采样保持电路
为了将方波流量信号保留而将主要的工频干扰消除,我们采取了这种采样保持电路,从图1中可以看出由R 10、C 4、C 5和CD4066切换开关组成。

作为一个积
分器,同时也是一个滤波电路,当选择积分时间t 1为干扰信号周期T 2的整数倍,此时干扰信
图2三值方波励磁图
图3高增益放大电路
号可完全被平均掉。

由于最有可能的串模干扰为工频50 Hz干扰,即T
2
=20 ms,因此在这个电路中,我
们采用R
10=10 kΩ,C
4
=C
5
=22μF,时间常数τ=
220m s,为工频信号周期的5倍,完全滤掉了工频干扰。

缺点是有一定的信号滞后。

当正的方波信号来时,接通上面的开关,正方
波信号被保持在C
4上,而交流信号被R
10
、C
4
滤掉;
同样当负的方波信号来时,接通下面的开关,负方波信号被保持在C 5上,而交流信号被R
10
、C
5
滤掉。

这样一来,正、负两个信号的方波幅值分别被保持在C
4、C
5
上,分别接入仪表放大器A4(IN114的
同相输入端。

由于该放大器具有10 GΩ的输入阻抗,提高了采样保持电路的保持特性。

为了可以测量管道的正向和反向流量,一般情况下是:当测量正向流量时,A4放大器输出的差动电压为正值;当测量反向流量时,A4放大器输出的差动电压为负值。

为解决这个问题,在IN114的REF端接入一个+2.5 V的参考电压,以达到正向流量放大后的电压信号在2.5~5.0 V之间,零流量在2.5 V左右,反向流量放大后的电压信号在0~2.5 V 之间,输入到后面ADμC824单片机内置的24位高精度的Σ-ΔA/D转换器。

1.2.5内含高精度Σ-ΔA/D转换器的ADμC824单片机
通过前面一系列的信号放大、滤波和采样保持电路处理,已经得到了一个比较稳定的电磁流量计信号。

为得到高精度电磁流量计,还需要采用高精度A/D转换输入到单片机中。

为使电磁流量计转换器的设计小型化,我们采用了性能价格比很高的ADμC824单片机,ADμC824是美国Analog公司新推出的,可以说是一个全集成的数据采集系统,内部分为模拟和数字两大部分。

模拟部分集成了两个高精度的Σ-ΔA/D转换器,对输入信号可以增益控制。

当信号弱时,可以通过切换量程,从20 mV~2.56 V共8个量程调节。

对A/D输入通道还可以配置数字滤波,十分方便,还有12位的DAC输出等。

其它数字部分集成了8 KB 的Flash程序区,640 B的EEPROM,256 B的RA M 等,是一个非常适用于电磁流量计的高性能单片机。

在电路设计中,我们充分利用其优越的性能,对ADμC824采用模拟5 V和数字5 V两组电源分别供电。

这样可以将电磁流量计前端运放已经处理好的信号直接输入到A/D的输入端AIN1,在内部配置了50 Hz 数字滤波器,避免了常规设计中的模拟或数字的隔离环节。

本部分A/D
采样的分辨率为24位,精度达到了1/10000以上,对提高整个电磁流量计的性能起了很大的作用。

2结论
此电磁流量计的放大电路采用了高性能的集成电路和先进的设计思想,在实际的产品中得到了很好的应用。

整体仪表电路通过实际的标定,精度高,达到了±0.5 %,且可以进行正向、反向流量测量和空管判断。

量程比为35:1,它在石化、环保、医药和钢铁等领域均得到了广泛的使用。

参考文献
1张福学. 传感器使用电路150例. 北京:中国科技出版社,1992
2蒋焕文,孙续. 电子测量. 第2版. 北京:中国计量出版社,1989
3美国Analog Devices Inc. A DμC824数据手册. 2000
68。