1、 涡街流量计信号放大电路1 涡街流量计简介1.1 涡街流量计在现代工业生产中的重要意义随着现代社会经济与科技的飞速发展，工业生产的方式也发生了天翻地覆的变化。其中，自动化程度的不断提高是现代化工业的重要特征之一。各种自动控制系统在现代工业生产中发挥着越来越重要的、无可替代的作用。同时一个工厂自动化程度的发展，以及自动控制系统的先进程度，也成为衡量一个工矿企业综合实力的重要标志。而目前的各种自动控制系统，都需要及时的获取对生产过程各种参数信息如（压力、温度、流量等）的测量数据，并对这些数据进行分析处理，而后再进行自动调节及控制。因此能够对各种过程参数进行检测的各类自动检测仪表就成为自动化控制系统
2、完成其控制功能的关键。在各种被控生产过程参数的测量中，流量的测量是最重要组成部分之一，在制药、食品、造酒、化工等产业中，为了节省能源、提高经济效益、提高产品质量，均需要对各种流体（如水、蒸汽、煤气、天然气、石油等）流量进行精确、及时的测量和严格的控制，这样就对各种流体流量的测量之精确性提出了越来越多和越来越高的要求。因此，高性能流量计在现代工业生产中的地位及其重要性就变得极为突出。到目前为止,现代工业生产中所使用的流量计测量方法和种类繁多。其测量原理各不相同，可以分别应用于各种不同工况下的流量测量。在这些流量计中，力学原理流量计是一类最为常见，也是最为常用的一类流量计。通常，力学原理流量计根据
3、其具体测量原理的不同又可以分成以下三大类：差压式流量计，容积式流量计，速度式流量计1 。这三类流量计中，速度式流量计是种类最多、发展最为迅速的流量计。该种流量计首先通过某种方法测出流体的速度，而后根据流体流速、管道直径与流量之间的换算关系得出被测流体的流量值，如涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计都是较典型和较为常用速度式流量计1。在这几型流量计之中，涡街流量计具有量程范围宽（最大测量流量与最小测量流量值之比可以达到100：1）、无机械可动部件、磨损小、压力损失小等优点，于此同时，涡街流量计的流量测量几乎不受被测流体的组成、密度、粘度、压力等因素的影响，因此其测量精度（，,其中为引用误差，为刻度
4、示值误差，为量程，为精度等级）较高，可达到0.5或1级，现在已经成为流量测量仪表中最为重要的组成部分之一，在现代化工业生产的流量测量与控制中发挥着越来越大的作用1。1.2 涡街流量计的基本测量原理涡街流量传感器利用卡门涡街原理来检测蒸汽、气体及低粘度的液体的流量。如图2.1所示，涡街流量计的内部，在与流体流向垂直的方向装有一个迎流面为钝体的柱体旋涡发生体，当被测管道内的流体流过旋涡发生体时，在其后方两侧交替地产生两列旋涡 (称之为卡门涡街)。漩涡产生的频率可以使用压电传感器探头进行测量，压电探头固定在旋涡发生体后并相隔一定距离。当方向交变的流体漩涡作用于探头之上时，产生图2.1 涡街流量计原理
5、图方向交变的的横向应力，在横向应力的作用下，探头将会产生一定的形变量，进而引起探头所带电荷发生变化，进而产生微弱电荷（电压）信号，后继信号处理电路通过对该微弱电压信号进行检测处理即可得到被测流体介质漩涡产生的频率1。当管道内流体的雷诺数（流体的雷诺数是判断管道内流体流动是层流还是湍流的依据，其计算式为，其中D为流体管道直径，为流体的流速，为流体的动力粘度，的单位为，一般认为当管道内流体的雷诺数小于2320时，为层流状态1）在210710时，旋涡所产生的频率与流体介质的平均速度及旋涡发生体的迎流面宽度d之间的关系为： （2.1）式中为斯特劳哈尔数，它是无量纲常数，当=210710时，它的值约为0
6、.150.22。通过压电元件检测出旋涡产生的频率，就可计算出平均流速，而体积流量与流体速度的关系为 （2.2）其中为测量管道直径，这样就可以确定管道内的瞬时体积流量。经过科技人员的实验研究，瞬时体积流量与卡门漩涡频率之间的关系可总结概括为：，其中为仪表系数，其计算式为 (2.3) 此外仪表系数的值还可以通过实验获取，即= 2。1.3 涡街流量计的国内外应用现状及亟待解决的问题1.3.1 涡街流量计产生及其发展早在1878年，著名流体力学专家斯特劳哈尔就通过大量的实验发现了管道内流体振动频率与流体流速之间的对应关系，并进行了利用这一原理对流体流量测量的初步尝试，虽然未能制造出一型真正能够测量流量
7、的流量计，却为涡街流量计的产生进行了理论上的准备。到了20世纪60年代末，人们开始了真正意义上的早期型号涡街流量计的研制工作，但这一时期的涡街流量计在测量精度上较大问题，因此只是在小范围内投入使用。然而进入20世纪70、80年代后，涡街流量计由于其独有的特点而受到普遍重视并得到了迅速发展，大量型号的涡街流量计被开发出来，并迅速的投放市场。我国是世界上较早引进并生产涡街流量计的国家之一，早在20世纪80年代后期就从德国引入几种型号的涡街流量计，随后即开始自行开始了涡街流量计的研发工作，从而使我国的涡街流量计设计和制造水平得到不断提高。据不完全统计，目前我国约有3040家厂家能够独力研制并生产涡街
8、流量计。生产的某些型号已经达到了国际领先水平。1.3.2 涡街流量计存在的问题以及前置放大电路的意义由于涡街流量计具有原理及结构相对简单，程范围宽，无机械可动部件，压力损失小，流量测量几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响，测量精度较高等独特的优点，因此在最近几年得到了飞速的发展，广泛应用于化工、食品、制药、造酒等产业的液体、气体和蒸汽的流量测量1。但在另外方面，涡街流量计的发展时间相对较短，其本身仍然有一些问题没有得到很好的解决。目前困扰着人们的主要是两方面问题：一是由于涡街流量计的使用现场环境较为复杂, 流体的冲击,管道的振动, 以及周围存在的电磁场, 都对流量的测量造成了极大的干
9、扰，这一问题目前只能通过高性能的信号放大电路进行解决；二是虽然涡街流量计的测量量程宽，但在实际应用中，其对小流量的反应并不敏感，产生的压电信号极弱，使得流量测量精确度下降和抗干扰能力均大幅下降3。为了提高小流量的测量精度，目前人们大多采用变径管缩径的方法提高测量处管道内流体的流速，以使管道内流体流速能够达到使涡街流量计正常工作的范围。但这种方法必须在变径处与测量仪表之间安装大于15倍管径长度的直管段进行整流，否则在变径处所产生大量旋转流团会增加流量计的测量干扰，但安装过长直管段的同时也将给流量计的安装和使用造成极大的不便，因此第二方面问题的解决最终也要依靠高性能的信号放大电路才能够得以解决。1
10、.4 前置信号放大电路的主要功能及其要求1.4.1 涡街流量计信号放大模块的设计要求由于涡街流量计的测量原理可知，涡街流量计是根据检测到的频率值换算流体流量的流量检测装置。因此，对涡街探头所输出信号的频率进行准确的测量就成为涡街流量计信号放大电路的主要功能。此外，还要通过静态水容积检定实验对不同检定点的仪表系数进行标定。设计要求仪表线性度误差不超过1%，重复性误差不超过线性度误差的1/31/2。1.4.2 放大电路设计的主要内容1）流体通过漩涡发生体后将会产生，卡门漩涡作用于探头上的横向应力在压电效应的作用下会产生微弱的电荷（电压）信号，对于这部份信号要通过电荷放大器对其进行放大并输出。2）用
11、负反馈放大电路对电荷放大器输出的电压信号进一步放大并输出。3）设置低通滤波器，对信号中的高频干扰进行衰减滤波。4）设置滞回比较器整形电路，将信号转换成规则的方波信号以便进行频率的测量。4）当整体放大电路版设计完成之后，焊接电路，并利用宏业公司提供的静态水容积法流量标准装置进行检定实验检验放大电路是否满足设计要求以进行进一步的修改工作。2 涡街流量计信号放大电路板设计2.1 总体的设计流程图设计流程如图3.1所示，包括压电传感器、防爆保护电路、电荷放大电路、二级放大电路、低通滤波器、整形电路、电源变压电路、基准电压电路的设计。2.2 集成运算放大器选型 2.2.1 集成运算放大器选型的基本原则集
12、成运算放大器是构成电子电路的核心元件，在集成运算放大器的输入与输出端之间分别接入各种不同的反馈网络,就可以构成各种能够实现不同用途的电路,如信号放压电传感器防爆保护电路低通滤波器整形电路频率输出电源变压电路二级放大电路基准电压电路电荷放大电路图3.1 电路设计方框图大电路、信号运算电路、信号滤波电路、滞回比较器电路等，因此选用合适的集成运算放大器就成为放大电路设计的关键，集成运算放大器种类繁多，性能各异，可分别应用于不同设计需要情况下的集成电路的设计，在没有特殊设计要求的一般情况下，应当尽量选取通用型集成运算放大器，这样就可以尽最大可能降低成本，而且能够保障充足的货源供应4。此外，当某系统的设
13、计中需使用到多个运算放大器时,应当尽量选用多运算放大器集成电路，以简化设计，降低工作量，易于设计电路的批量生产6。2.2.2 集成运算放大电路的性能评价指标在一般情况下，在选用集成运放时，人们通常以集成运放的差模开环放大倍数、压摆率SR、输入失调电压、输入失调电流可为主要参考指标。其中差模增益的表达式为： （3.1）它的值通常很高，可达几十万。为集成运放在交变大幅值的信号作用下，输出电压值随时间的变化率的最大值（），其单位为V/ms，这一指标主要反映在幅值较大的交变信号作用下集成运放工作的反应速度，也就是说，值越大，该运算放大器的交流特性就越好，从另一方面来说，只有当输入交变信号随时间变化率的
14、最大绝对值小于该集成运方的时，方可选用该集成运放4，为输入失调电压，单位是mV，为运算放大器的输入失调电流，其单位是，它们是使运算放大器输出电压或电流为零时在输入端所加的补偿电压或电流，它们的值越小表明运算放大器的对称性越好，此外，（）还是衡量一个运算放大器温度漂移（在放大电路中，温度的变化会引起半导体器件参数的变化，因此即使将输入端短路，用灵敏的直流表测量输出端，也会有变化缓慢的输出电压，这种输入电压为零而输出电压不为零且缓慢变化的现象，称为零点漂移现象，在前后级直接相连的放大电路中，前一级的漂移电压会和有用信号一起被送到下一级，而且逐级放大，以至于有时在输出端很难区分什么是有用信号、什么是
15、漂移电压，导致放大电路不能正常工作 ，故而温漂越小，电路性能也就越好，通常可以在放大电路各级之间加装电容以抑制温漂，加装电容后，这种缓慢变化的漂移电压就将降落在电容之上，而不会传递到下一级电路进一步放大）的主要指标，其值越小，表明该运算放大器的温漂越小4。综合说来，可以认为和的值越小，该运算放大器的质量就越好。除此之外，在实际电路设计选择用集成运算放大器时，还需要考虑集成运算放大器正常工作供电电压及使用功耗等因素6。2.2.2 集成运算放大器的电源供给方式目前在大多数电子电路中，集成运算放大器均采用对称双电源供电方式进行供电，这种供电方式即将正电源与负电源分别接于运算放大器的+VCC和-VEE
16、管脚上，而信号源则与运算放大器的输入引脚直接连接。2.2.3 集成运算放大器的调零对于任何型号的运算放大器，均不可避免的会有输入失调电压及输入失调电流的存在,因此当由运算放大器的输入信号为零时,其输出信号往往却不等于零，这样就给集成运放的使用精度造成了极不利的影响，因此必须对运算放大器进行调零，某些集成运算放大器有内部调零设施,可以自动进行内部调零，当集成运算放大器没用内部调零设施时,就要通过设置补偿电流或补偿电压进行外部调零4。2.2.4 放大电路集成运算放大器的选型TL064型低功耗运算放大器，其工作电压为5V直流电压，消耗电流为50250mA，SR约为5070V/ms，输入偏置电流约为2
17、00nA,输入失调电压约为为2mV，输入失调电流约为20nA,科技工作者经过大量实验研究，认为TL064型（四路）低功耗运算放大器的性能指标能够满足街涡流量计放大电路信号测量的要求。TL064引脚如图3.2所示。图3.2 TL064运算放大器引脚图2.3 电源电路的设计涡街流量计信号放大电路中所使用的TL064型运算放大器的正常工作电压是5V的直流电压，而我国目前的各类工业生产现场，对流量计等各类检测仪表统一采用24V的直流电源进行供电。因此不能直接将放大电路连接到现场电源对进行供电，而是必须设计相应的电源电路将现场电源提供的24V直流电压转变成为5V的直流电压，才能保障集成运算放大器的正常工
18、作。采用两个三端正稳压器就能实现电压的转变。2.3.1 CW78L00系列三端正稳压器简介CW78L00系列是十分常用的三端固定正稳压器。其最大输出电流为0.1A，（L即表示最大输出电压为0.1A，AM表示最大输出电流为0.5A,无字母标识的稳压器一般最大输出电流为1.5A）且有内部过流、过热以及过载保护功能，使用安全可靠。其输入电压要求为7V以上的直流电压，输出端电压为固定值，有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V（L后面的数字即表示稳定输出的电压值）等档次，其引脚图如图3.3所示，公共端一般于地极相连。 图3.3 CW78L00系列三端正态稳压器的引脚图2.3.2 涡街放
19、大电路板电源电路设计采用两个CW78L00系列稳压器即完成稳压电路的设计。首先用CW78L12型稳压器可以将24V的直流输入电压转变成为12V的直流输出电压。而后用CW78L05型稳压器 将CW78L12输出的12V直流电压转变为5V的直流电压，该5V电压就可以作为TL064低功耗运算放大器的工作电压。电源电路设计电路图如图3.4所示，其中电容和是高频滤波电容，和为低频率波电解电容，当稳压管的输出端出现交流杂波时，将通过滤波电容滤除。稳压二极管的作用是为了防止稳压管输入端输入信号消失时,输出端电容存储的电荷回流对稳压器造成损坏。 图3.4 电源电路设计图2.4基准电压供电电路的设计为使运算放大
20、器能够正常工作，还需要为其提供2.5V的直流基准电压。使用TLE2425C稳压管（稳定输出电压为2.5V）即可以将78L12三态稳压管输出的12V直流电压转变为稳定的2.5V直流输出电压，作为运算放大器的基准电压。其设计电路图如图3.5所示。图3.5 基准电压电路2.5 压电式传感器的基本原理涡街流量计的压电式传感器的压电元件是利用压电材料的压电效应制成的。某些物体，当其受到外界对其施加的沿一定方向的压缩力或拉伸力而产生形变时，该物体内部就会发生极化现象并在其表面产生一定量的电荷，而当外加作用力消失之后，物体表面又会恢复到无电荷状态，这种能够将机械能转变为电能的现象就称为压电效应，而这种可以产
21、生压电效应的物体就被称为压电压电材料。目前一般性测量中所用到的压电式传感器基本上均采用压电陶瓷作为压电材料。压电陶瓷具有压电常数大，灵敏度高，制作工艺成熟等优点，而且可以人为的改变其参数值以满足不同设计需要下的性能要求，因此在传感器制作中得到了广泛的应用。涡街流量计探头中的压电传感器以锆钛酸铅压电晶体（PZT）作为压电材料。这种压电陶瓷的介电常数较高，且具有耐高温的特性（最高工作温度可达250度），同时其各项参数随温度和时间等环境因素的变化较小，因此在压电性能和温度稳定性等方面都远远优于其他压电陶瓷，此外，在锆钛酸铅材料中在添加一种或几种的微量元素，就可以获得各种不同性能的压电陶瓷以满足不同流
22、体介质以及不同温度条件下流量测量的需要，正是由于锆钛酸铅压电晶体的以上突出特点，使其成为目前涡街流量计探头制作中使用最为普遍的一种压电材料5。2.6 保护电路的设计只有将压电传感器与相应的信号采集电路相连接，才能构成一个完整的测量电路。一般情况下，传感器输出的电压信号较为微弱，但由于压电传感器输出的电压信号并不稳定，为防止突然出现的过高电压超出测量电路的承受能力而对测量电路造成损坏，应当设置本安型保护电路进行测量电路的保护，本安型保护电路是通过保护电路将输入到电路中的能量限制在安全范围之内，从而使设备达到本安型安全性能要求,保护电路的性能可靠与否，将直接影响到设备的安全运行6。用稳压管构成的作
23、过压保护电路是一种十分常见的过压保护形式，其基本原理如图3.6所示，将测量电路的输入口S端和T端用稳压管连接，根据稳压管的伏安特性，当传感器输出之电荷（电压）信号过大而达到稳压管的反向击穿电压之上时，会将S端及T端之间的稳压二极管击穿，这样就会将S端及T端之间的电压值就会被限制在二极管的击穿电压，而测量电路的输入电压值也会被限制在二极管的击穿电压。这样，稳压管的反向击穿电压就成为电路的安全临界电压值，也就能够实现对测量电路的保护7。在涡街流量计信号放大电路设计中，用两个稳定电压为12V的稳压管将电路的输入电压限制24V。图3.6 防爆保护电路2.7 电荷放大器设计由于压电传感器输出的电荷信号及
24、其微弱，故不能直接将其输出信号输入到测量电路。因此通常将传感器的输出信号首先输入到测量电路的前置电荷放大器中进行初步放大为后级放大电路可以接受的电压信号，然后才能输送到后级电路中进行进一步的放大、虑波、整形等处理8。电荷放大器的基本原理如图3.7所示，设基准电压为0V， 为压电传感器电缆电容，设运算放大器的放大倍数为。压电传感器的输出信号为电荷信号，但在其内部及外部电容的作用下可转化为电压信号以作为运算放大器的输入信号。在平衡状态下，输出电压值与输入电压值的关系为， 上的电荷量为，上的电荷量为，上的电荷量为，上的电荷量为，则压电传感器输出的总电荷量为，即，其中，同时，由于，因此可以得出输出电压
25、与传感器输出之电荷量之间的关系为： （3.2）由于其中的值较大，造成远远大于，故而相对于，可以省略8。综上所述，可以得出： （3.3） 以上为电荷放大器的一般性原理，在实际设计之中，采用如图3.8所示实际电路完成压电传感器输出之电荷信号的放大工作。其中C1及C2作用为阻止直流信号混合交流信号进入放大器，同时采用可变电容构成，其容值选择的范围为，这样就可以根据实际情况通过确定的容值来对输出电压值进行调整。经过初步放大，压电传感器输出的微弱电荷信号就变成输出端的带有杂波的交变电压信号。图3.7 电荷放大器原理图2.8 信号放大电路的设计当压电传感器输出的微弱电荷信号经过电荷放大器的初步放大处理而转
26、化电压信号之后，就可以进入电压串联负反馈放大电路进行进一步的放大处理。在电子电路中，将输出端的电压或电流信号通过一定的电路结构使其作用到输入回路，并对其输入端的电压或电流信号产生影响，即称为反馈，按各部分主要功能的不同，可以将反馈放大电路分为基本放大电路和反馈网络两大组成部分，其中基本放大电路的主要功能是进行信号的放大，而反馈网络的主要功能则是完成反馈信号向输入回路的传图3.8 电荷放大器输，其中基本放大电路的输入信号称为净输入量，它不但与整个反馈放大电路的输入信号有关，还会受到反馈信号的影响，当反馈信号增大时，若放大电路净输入量也增大，则该反馈电路就称为正反馈电路，与之相反，当反馈信号增大时
27、，若放大电路净输入量减小，则该反馈电路就称为负反馈电路4。图3.9所示为电压串联负反馈放大电路的基本原理图，该电路以输出电压作为反馈信号，并将其通过反馈网络作用于输入端，然后再将其与整体电路的输入电压信号进行求差值的计算，所得值即作为集成运算放大器的净输入电压而被运算放大器放大。该电路的反馈电压信号为： （3.4）运算放大器的净输入电压为，一般认为，由于集成运算放大器的开环差模增益很大，因而相对于和，其净输入电压可忽略不计，则 。因此，输出电压与输入电压之间的关系可以表示为：图3.9 电压串联负反馈电路 （3.5）由此得，电压串联负反馈放大电路中，放大倍数仅与和的取值相关，而与负载电阻无关。在
28、实际电路设计中，采用如图3.10所示电路，电路中采用6位拨码器构成可调试电阻，拨码器上共有16个档位，其中1、4、2、8档位分别对应电阻R28、R27、R26、R25，3、5、9、6、12、10档位分别对应阻值R28R26、R28R27、R28R25、R26R27、R25R27、R26R25。这样通过手动选择拨码器的档位，就可以得到不同的阻值，从而能够根据具体的现场安装环境对仪表进行调试，得到不同的灵敏度和放大倍数，以便更好的适应生产现场的实际情况。该电路的等效电路图如图3.11所示，当基准电压为2.5V时，输入电压及输出电压的关系为： （3.6）进而推出电路输入与输出信号关系为： （3.7）
29、这样，输入信号通过负反馈放大电路之后就被电路放大，同时在输入电压一定的情况下，通过转换拨码器的档位调节电阻的阻值就可以对负反馈放大电路的放大倍数在3.85到2.78之间进行调整。图3.10 放大电路 图3.11 等效电路图2.9低通滤波电路的设计在现代工业生产的流量测量现场，流量计仪表的使用总会受到各种各样干扰信号的影响。一般情况下，涡街流量计仪表信号放大电路正常接收的被放大信号为低频信号（卡门涡街信号频率一般不高于420Hz），而干扰信号均为高频信号（一般不低于2988Hz）。为了抑制干扰信号对流量仪表的影响，就必须信号中的高频干扰成分进行衰减滤波，这样，在信号放大处理电路中就应当设置低通滤
30、波器。在理想情况下，当我们为某滤波电路设定截止频率后，若频率低于该截止频率的信号可以通过该电路而高于该截止频率的信号被衰减，这样的滤波电路就被称为截止频率为的低通滤波器，此外，低于截止频率的频带称为通带，而高于截止频率的频带就称为阻带4。但在实际情况中，在滤波器的通带和阻带之间还存在着一条过渡带，设输出电压信号与输入电压信号之比为（又称作放大倍数），频率等于零时输出电压与输入电压之比为（又称作通带放大倍数），使的频率即为通带截止频率，从到使接近零的频段就称为过渡带，使趋近于零的频段就称为阻带，对于一个低通滤波电路而言，其过渡带越窄，电路的选择性愈好，低通滤波特性愈理想4。涡街流量计信号放大器中的滤波电路均采用有源设计，即滤波电路不仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运算放大器）组成，一般情况下，我们可以通过拉普拉斯变换法对有源滤波电路进行分析，即将电压与电流变换成象函数和，而电阻，电容，电感，输出量与输入量之比称为传递函数（传递函数分母中s的最高指数称为滤波器的阶数，此外，若电路中RC环节愈多，则滤波器阶数愈高，过渡带将愈窄，同时滤波器的性能也就越好），在传递函数中，将s用进行替换（为角频，），便可得到滤波电路的放大倍数，令，就可得到通带放大倍数4。低通滤波电路的基本原理电路如图3.12所示，基准电压设为2.5V，采用二
