整个电磁流量计的硬件电路如图2所示,主要分为CPU、传感器励磁部分、感应电动势E处理部分以及温压信号处理部分.其中,影响测量精度的主要是传感器励磁部分、感应电动势E处理部分以及温压信号处理部分.
1.传感器励磁电路传感器励磁方式所采用的矩形波励磁既可以大幅减少由直流励磁时产生的电极极化效应,使零点漂移变小,又可以克服正弦波励磁产生的正交干扰和同相干扰的影响,提高流量计零点的稳定性.矩形波励磁可分为低频矩形波励磁和高频矩形波励磁,低频方式励磁周期较长,会影响流量计的响应速度,适用于流体流速变化缓慢的场合,其精度较高.高频方式励磁周期较短,虽然响应速度快,但是产生的磁场稳定时间短,难以完全避免正交干扰的影响,其测量精度比低频方式低,适用于流体流速变化快和浆液噪声较大的场合,例如饮料的灌装和水泥浆流量的测量.该文采用5Hz的低频矩形波励磁,励磁电路和实际波形如图3所示.
励磁驱动电路是传感器硬件电路设计的核心,励磁电路的稳定性能够保证磁场的稳定性.励磁电路恒流源部分采用直流开关同步降压转换器,与采用基准电压源和晶体管电路的方式相比,该方式可以消除使用线性电流源的功率损失,功耗低.励磁电流达到200mA,为了防止长期励磁导致元件温升并影响电路参数,基准电阻选用高精度低温漂系数的晶圆电阻.
2.感应电动势E处理电路
虽然采用低频矩形波励磁时电磁流量计的极化现象和正交干扰信号较弱,但是也不能完全消除,再加上空间的电磁干扰,感应电动势E依然比这些干扰信号小,因此在信号处理过程中要先进行滤波.根据励磁方式和空间干扰信号的特点有针对性地对感应电动势E进行滤波和放大.感应电动势E处理电路的前置放大电路(如图4所示)采用ADI公司的仪表放大器AD8228,其放大倍数分别为10倍和100倍,该文的放大倍数为10倍.当放大倍数分别为10倍时,仪表放大器的增益漂移为2ppm/℃,增益误差为0.02%,输入失调电压为50µV(最大值),输入失调漂移为0.8µV/℃(最大值),输入偏置电流为0.6nA(最大值),共模抑制比CMRR为100dB,具有超高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低线性误差以及低输出阻抗的优点,在保证第一级放大的同时,保持了较小的直流失调,避免后级放大电路饱和.
主放大电路(如图5所示)采用TI公司的双路运算放大器TLC2262,其可以实现轨对轨的输出性能,具有低噪声(19nV/√Hz(1kHz))和低输入偏置输入电流(1pA和非常低的功耗(最大为500μA)).
电磁流量计放大后的信号经低通滤波器进行衰减并滤除部分杂波,然后通过双刀四掷开关进入AD7989-1进行AD转换并进入单片机.为了最大程度地降低误差,需要对ADC采样样本进行滤波处理,这要求ADC的采样速率至少为励磁频率的100倍,为了适应最快的25Hz励磁,最小采样速率需要达到2500SPS,更高的采样速率允许对更多的采样样本进行滤波处理,从而达到抑制噪声、提高精度的效果.AD7989-1是一款18位、逐次逼近型模数转换器,吞吐速率可达100kSPS,转换后的数据采用中位数平均值滤波法,清除由偶然出现的脉冲干扰所引起的采样值偏差,同时还可以对一般具有随机干扰的信号进行滤波.
3.温压信号处理电路
温压信号处理电路如图6所示,温度信号处理采用恒流源为Pt1000供电,为了避免电流过大导致铂电阻过热而给测量带来误差,一般设置电流为0.1mA~0.3mA,该文的电流为0.2mA,Pt1000两端采集得到的电压信号与基准电压进行比较并进入仪表放大器放大,再通过滤波器进入单片机MSP430F5438A进行AD转换,调整基准电压可以改变温度量程；压力信号处理采用三线制扩散硅压力传感器,输出为基于量程的0.5V~2.5V电压信号,采集得到的电压信号经放大滤波进入单片机MSP430F5438A进行AD转换.MSP430F5438A有16个12位逐次逼近型模数转换器,转换速率可以为200kSPS,采集得到的数据经平均值滤波法抑制噪声,可以提高测量精度. |
