涡街流量计传感器设计的关键性技术在于3个方面:1、传感器表体设计。当流体经过时,产生稳定的卡门涡街信号;2、传感器探头的设计。将压电陶瓷封装在探头内,卡门涡街信号作用于探头时,探头内的压电陶瓷将涡街信号变成涡街电信号;3、前置放大电路设计。将涡街电信号放大、滤波、整形变成相应的脉冲信号。
涡街传感器信号的采集与变换电路即前置放大电路。它的任务是将检测元件(压电陶瓷传感器)提供的微弱电荷信号经过前置放大器处理获得有效的涡街脉冲频率信号,并将此信号经电路处理成可供显示仪表显示的瞬时流量和累积流量(体积流量或质量流量)。本系统使用的涡街传感器是武汉市公司生产的PZT-5、PLN和PNTB型压电陶瓷检测头,其结构如图3一1所示。
前置放大电路由电荷放大器、图3-1涡街传感器结构交流放大器、二阶有源低通滤波器、限幅器以及施密特整形器组成。设计时要求电路中所选择的运算放大器具有低漂移、宽频带、高增益和高输入阻抗等特性。通过查阅大量运算放大器的选型资料,并参考国内外相关仪器电路,选出单增益放大器MAX4454、仪表放大器INA2321、低功耗运算放大器TLC2254和TLC27L4进行性能测试。依据不同的运算放大器设计了各自的涡街流量计信号采集电路试验板,通过试验比较发现,MAX4454更适合滤波器设计,用作电荷放大很不理想,而且该芯片价格昂贵,市场存货少,采购风险较大;mA2321是仪用放大器,具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比的特性,是电荷放大的理想选择,却不适用于后级的滤波和整形电路;TLC2254虽然具有更高的输入阻抗和轨对轨输出功能,但其每个运放35件A的静态功耗是电池供电设备难以承受的。最终我们选择了TI公司生产的运算放大器TLC27L4,它不仅满足上述要求,而且功耗很低,常温下工作电流最大仅为15泌;工作电源范围较宽,电源电压低至3v仍可继续工作;该运放为单电源供电,虽然不像双电源供电的运放那样有较宽的动态范围,但是可以通过提高电压参考点至电源电压的1/2处,避免波形在负半周期时出现饱和失真或截至失真。以下各节对前置放大电路各部分予以讨论。
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