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電磁流量計中常見的信號放大電路設計及其優缺點 |
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| 發布日期：2023-08-28 點擊：518次 |
現代工業電磁流量計從20世紀50年代產品問世以來隨著電子技術和計算機技術的發展逐漸成熟完善和智能化，智能化的重要標志是微處理器的使用。電磁流量傳感器輸出的高內阻、高共模且微弱的有用信號不能被微處理器直接接受,需要模數轉換器首先對傳感器輸出的模擬信號進行數字化。直到21世紀初之前工業用途的分辨率高、低噪聲模數轉換器仍是稀少和昂貴的商品，所以傳感器信號必需被放大數百至上千倍后再數字化，從而可以使用成本較低同時分辨率也較低的模數轉換器。從20世紀的工業電磁流量計產品進化來的、目前仍然很常見的信號處理電路通常包括前置放大，后級放大，帶通濾波,采樣保持,模數轉換等。如圖1所示:微伏級的信號被前置放大器放大約十倍后交流耦合至后級;接著使用帶通濾波器把信號進一步放大幾十倍近伏級。被放大近伏級的信號經過微處理器控制的采樣保持電路濾除尖峰，變成緩慢的直流信號送入模數轉換器。該方法對模數轉換器的性能要求不高，通常14~16比特的分辨率和幾千赫茲的輸出數據率即可。它的優點是成熟穩定和被廣泛驗證，缺點是放大電路級數較多、增益倍數較高造成電路結構復雜，容易振蕩，線性損失，過長的低通濾波時間常數會影響對流量階躍變化做出迅速響應，另外在物料成本、功耗、電路尺寸、可靠性等方面也有劣勢。
電磁流量傳感器的響應通常為150 μV/( m/s)到200μV/(m/s)，因為調制勵磁電流的換向，傳感器的輸出信號幅值加倍。以150 μV/( m/s)(300 μV峰峰值)響應為例，對0.3~15 m/s流速的量程范圍，傳感器輸出信號幅值在90 μV峰峰值到4.5 mV峰峰值之間。保證流速信號被模數轉換器正確分辨的最低要求是出現在模數轉換器輸人端的傳感器信號幅值不得大于模數轉換器噪聲的一半。模數轉換器無噪聲分辨率的計算公式如式(1)所示。瞬時流速對應的傳感器信號幅值可被當作對模數轉換器噪聲的最低要求。由表1可見前級放大電路增益越低對模數轉換器的無噪聲分辨率指標的要求越高。這是20世紀后期數十年里在缺少成本可負擔、高分辨率的模數轉換器的條件下，工業電磁流量計普遍使用幾百至，上千倍增益的多級放大電路的重要原因。
電子進步使得在本世紀初開始出現越來越多性價比更好的低噪聲24比特模數轉換器產品。隨之出現的數字過采樣交流信號耦合放大是一種改進的電路結構。如圖2所示傳感器電極輸出信號使用電容耦合，在前置放大級采用自舉電路提高輸人阻抗，真差分輸出到模數轉換器。省略模擬帶通放大、采樣保持等電路。較高速的模數轉換器對前置放大器的輸出做過采樣。微處理器在數字域內重建流速信號波形、同步解調交流信號、濾除尖峰和噪聲，計算流速信號。該電路與前一-種電路相比的優點是:更少的元件，更低的價格，真差分信號的抗干擾，接受較寬的輸人共模電壓范圍。
電磁流量計的信號放大電路需要很高輸人阻抗以防止傳感器輸出過載帶來的信號幅度減小從而導致測量精度和重復性的損失。如圖3所示電磁流量計常用自舉放大器在信號輸人端串聯耦合電容同時又具有高的輸人阻抗巴。圖3的放大電路的輸入阻抗Rn可用式(2)計算門。放大電路的輸人阻抗與外部電阻、電容的數值和勵磁頻率高低有關甲。以最常用的1/8工頻勵磁為例如表2所示，需要使用十兆歐姆電阻才能達到上千兆的輸人阻抗。
但是自舉放大器輸人級結構也存在缺點:交流耦合電容容值必需選擇至少在微法以上,容值且精密匹配的電容網絡稀少而貴。公差通常是10%~20%很難達到1%的微法級的分立電容器件會顯著降低電路的共模抑制比和引入交流信號的相位偏差。為達到109Ω直流輸人阻抗,自舉放大器電路需要用到10MΩ級的外部電阻。這些電阻的不匹配會帶來共模抑制比的顯著下降,比如0.1%電阻公差能達到66分貝共模抑制比，1%電阻公差只能達到34分貝共模抑制比。電磁流量計放大電路要求大于100分貝的共模抑制比需要四個采用厚/薄膜技術具有0.01%或更佳的絕對值及溫度系數匹配的單襯底高阻值電阻網絡4價格十分昂貴且難得。
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