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电磁流量计的智能化前端旌旗灯号电路设想

时候:2018-11-14

论述电磁流量计最为关头的前端缩小电路。其具备线路简略、集成度高, 出格是单片机可主动调理仪表缩小倍数,以顺应仪表的宽量程;接纳24 位A/D 采样流量旌旗灯号,精度高,可操纵于DN15~DN2000(mm)一切口径的 电磁流量计 ,是一种新型智能化缩小电路,将大大进步电磁流量计的丈量精度。 关头词: 电磁流量计 运算缩小器 智能化 高精度 电磁流量计是一种按照电磁感到定律开辟的丈量导电流体流量的仪表,在煤油、化工、冶金、药、环保等行业内均有普遍操纵。可是,国际的 电磁流量计 智能化程度低,丈量精度不高,与国际进步前辈的电磁流量计在手艺上有必然的差异。此中,电磁流量计的前端缩小电路是最为关头的局部,但也是最为软弱的关键,为此开辟了一种智能化的前端缩小电路。按照流量或口径可主动调剂缩小倍数,极大地进步了电磁流量计的丈量精度。 1 道理和智能化缩小电路设想 1.1 原 理 电磁流量计是电磁感到定律的详细操纵。导电流体在磁场中活动切割磁力线,发生电动势,推导 公式为E = K?Q (1) 式(1) 标明电极两头的感到电动势E 与被测导电介质的体积流量成反比。此中电动势E是一个细小的交变旌旗灯号, 此旌旗灯号具备以下3 个特色: ① 感到的电动势为 0.1~7 mV摆布的交变旌旗灯号。在现实丈量中,根基上能够测出的是1 m流速对应1 mV; ② 此旌旗灯号内阻高, 为几M Ω ; ③ 别的搅扰成份旌旗灯号多,特别为50 Hz工频搅扰, 幅度远弘远于流量的感到电动势。 1.2 智能化缩小电路构成 针对感到电动势的上述特色设想了高精度电磁流量计智能化缩小电路, 其参考电路如图1 所示。电路由以下几局部构成: 接纳高精度仪表缩小器A1构成的前端缩小器、运放A2等构成的滤波回路、运放A3等构成的可变增益缩小器、运放A4等构成的采样和坚持电路和24 位高精度的Σ - Δ A/D转换器(该A/D 含在美国Analog 凤凰快三最新推出的A/D μC824 单片机中)。 1.2.1 前置缩小电路 起首应当申明:因为感到电动势是交变旌旗灯号,此交变旌旗灯号是由励磁旌旗灯号感到发生的。励磁旌旗灯号选用交变频次50 Hz 的8 分频(6.25 Hz),即励磁旌旗灯号的周期为160 ms。电路接纳三值方波励磁情势,此情势能很好地消弭电极两头的极化效应,励磁波形如图2 所示。 由此励磁发生的旌旗灯号也为与图2近似的交变旌旗灯号。但因为此旌旗灯号内阻为几M Ω, 若是仪表要到达± 0.5 % 的全体精度,那末全部缩小电路的精度必须<0.2 %, 而最前真个A1 缩小回路的精度必须节制在0.1 % 之内,是以,必须选用高达1000 M Ω以上输出阻抗的运算缩小器。为此,咱们选用了INA114 集成仪表运放,具备± 40 V的输出掩护电压, 输出阻抗为10 GΩ, 外接元件少, 合适仪表小型化的请求, 同时经由过程外接的1 个紧密电阻R3,就能够调理缩小倍数, 计较公式为A = 1+ 50 k Ω /R3 因为电极对地的电动势各类搅扰成份多,为保障前置缩小器不处于饱和与停止状况,同时也尽能够下降A1 运放自身与后面电路带来的噪声,选用10倍摆布的缩小倍数,即R3 的值为4.7 k Ω或5.1 k Ω,保障第一级IN114 的输出电压<± 5 V。 图1 中的R2、R3 电阻给IN114 供给偏置电流,其阻值为10 M Ω。 1.2.2 二阶有源低通滤波器 图1 中R4、R5、C1、C2 和A2 运放构成了二阶压控电压源有源低通滤波器。这是一个典范电路,由二阶压控电压源滤波器的通俗抒发式,阐发推导出缩小倍数:AVF= 1 而通报函数为A(s)? ?n2/s2??n/Q?s??n2 (2)由此幅频特点用归一化后的幅值取对数表现, 可得出: 当ω / ω n =1,Q=0.707 时, 20lg|A(j ω)|=-3 dB; 当ω / ω n =10,Q=0.707 时,20lg|A(jω)|=-40 dB。 是以, 当励磁频次为6.25 Hz 时, 取 Q = 0.707 (6) ω n =2 π f = 2 π× 6.25 = 39.27 (7) 综合式(3)、(4)、(6) 和(7),咱们选用恰当的值: R4=47 k Ω,R5=47 k Ω,C1=1 μ F,C2=0.33 μ F 如许一来,此低通滤波电路在6.25 Hz的特点频次下有很好的低通滤波结果。 1.2.3 可调增益缩小电路 接上去的一级电路为高倍数缩小电路,由图1中的A3 缩小器、R6、R7、R8、R9和口径电阻收集构成。因为 电磁流量计 的前置只要10 摆布的缩小倍数,是以这一级还须要按照差别的仪表口径别离缩小10~40倍,使 电磁流量计 的总缩小倍数到达1000~4000。即便0.1~5 mV流量对应的电动势经由过程缩小后到达0.4~2.5 V,供后续的采样坚持和A/D转换器操纵。简化后的缩小电路如图3 所示。该电路最大的长处是:用低值电阻完成高缩小倍数的比例运算,R7、R8 和口径电阻构成了T型收集以取代反应电阻Rf。如许一来R7、R8和口径电阻R 的阻值轻易挑选,且能够节制阻值精度,从而节制仪表精度。图3 电路的缩小倍数经由过程三角形- 星形转换最初获得:AVF= - (R7+R8+R7R8/R) / R6 (8)在现实电路中,咱们取R7=47 k Ω,R8=47 k Ω,R6=4.7 k Ω。口径电阻R 是一个电阻收集, 由单片机AD μ C824 节制CD4051 来挑选差别的电阻, 详细的值由现实标定来肯定。 1.2.4 采样坚持电路 为了将方波流量旌旗灯号保留而将首要的工频搅扰消弭,咱们接纳了这类采样坚持电路,从图1中能够看出由R10、C4、C5 和CD4066 切换开关构成。作为一个积分器,同时也是一个滤波电路,当挑选积分时候t1为搅扰旌旗灯号周期T2的整数倍,此时搅扰旌旗灯号可完整被均匀掉。因为最有能够的串模搅扰为工频50 Hz搅扰,即T2=20 ms,是以在这个电路中,咱们接纳R10=10 k Ω,C4=C5=22 μ F, 时候常数τ =220 m s, 为工频旌旗灯号周期的5 倍, 完整滤掉了工频搅扰。错误谬误是有必然的旌旗灯号滞后。当正的方波旌旗灯号来时,接通上面的开关,正方波旌旗灯号被坚持在C4 上,而交换旌旗灯号被R10、C4滤掉;一样当负的方波旌旗灯号来时,接通上面的开关,负方波旌旗灯号被坚持在C5上,而交换旌旗灯号被R10、C5滤掉。如许一来,正、负两个旌旗灯号的方波幅值别离被坚持在C4、C5 上,别离接入仪表缩小器A4(IN114)的同相输出端。因为该缩小用具备10 GΩ的输出阻抗, 进步了采样坚持电路的坚持特点。为了能够丈量管道的正向和反向流量,通俗环境下是: 当丈量正向流量时,A4 缩小器输出的差动电压为正值; 当丈量反向流量时,A4 缩小器输出的差动电压为负值。为处置这个题目,在IN114的REF端接入一个+2.5 V的参考电压,以到达正向流量缩小后的电压旌旗灯号在2.5~5.0 V之间,零流量在2.5 V摆布, 反向流量缩小后的电压旌旗灯号在0~2.5 V之间, 输出到后面AD μ C824 单片机内置的24 位高精度的Σ - Δ A/D 转换器。1.2.5 内含高精度Σ-ΔA/D转换器的ADμ C824单片机经由过程后面一系列的旌旗灯号缩小、滤波和采样坚持电路处置,已获得了一个比拟不变的 电磁流量计 旌旗灯号。为获得高精度 电磁流量计 ,还须要接纳高精度A/D 转换输出到单片机中。为使 电磁流量计 转换器的设想小型化,咱们接纳了机能价钱比很高的AD μ C824 单片机,ADμC824 是美国Analog 凤凰快三新推出的, 能够说是一个选集成的数据收罗体系,内局部为摹拟和数字两大局部。摹拟局部集成了两个高精度的Σ - Δ A/D转换器,对输出旌旗灯号能够增益节制。当旌旗灯号弱时,能够经由过程切换量程,从20 mV~2.56 V共8个量程调理。对A/D输出通道还能够设置装备摆设数字滤波,很是便利,另有12位的DAC输出等。别的数字局部集成了8 KB的Flash 法式区, 640 B 的EEPROM, 256 B 的RAM等, 是一个很是合用于 电磁流量计 的高机能单片机。在电路设想中, 咱们充实操纵其优胜的机能,对AD μ C824 接纳摹拟5 V和数字5 V两组电源别离供电。如许能够将 电磁流量计 前端运放已处置好的旌旗灯号间接输出到A/D 的输出端AIN1, 在外部设置装备摆设了50 Hz 数字滤波器,避免了惯例设想中的摹拟或数字的断绝关键。本局部A/D采样的分辩率为24 位, 精度到达了1/10000 以上, 对进步全部 电磁流量计 的机能起了很大的感化。 2 结 论 此 电磁流量计 的缩小电路接纳了高机能的集成电路和进步前辈的设想思惟,在现实的产物中获得了很好的操纵。全体仪表电路经由过程现实的标定, 精度高, 到达了± 0.5 %, 且能够停止正向、反向流量丈量和空管判定。量程比为35:1,它在石化、环保、医药和钢铁等范畴均获得了普遍的操纵。
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