整個(gè)電磁流量計(jì)的硬件電路如圖2所示,主要分為CPU、傳感器勵(lì)磁部分、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E處理部分以及溫壓信號(hào)處理部分.其中,影響測(cè)量精度的主要是傳感器勵(lì)磁部分、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E處理部分以及溫壓信號(hào)處理部分.
1.傳感器勵(lì)磁電路傳感器勵(lì)磁方式所采用的矩形波勵(lì)磁既可以大幅減少由直流勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生的電極極化效應(yīng),使零點(diǎn)漂移變小,又可以克服正弦波勵(lì)磁產(chǎn)生的正交干擾和同相干擾的影響,提高流量計(jì)零點(diǎn)的穩(wěn)定性.矩形波勵(lì)磁可分為低頻矩形波勵(lì)磁和高頻矩形波勵(lì)磁,低頻方式勵(lì)磁周期較長(zhǎng),會(huì)影響流量計(jì)的響應(yīng)速度,適用于流體流速變化緩慢的場(chǎng)合,其精度較高.高頻方式勵(lì)磁周期較短,雖然響應(yīng)速度快,但是產(chǎn)生的磁場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)間短,難以完全避免正交干擾的影響,其測(cè)量精度比低頻方式低,適用于流體流速變化快和漿液噪聲較大的場(chǎng)合,例如飲料的灌裝和水泥漿流量的測(cè)量.該文采用5Hz的低頻矩形波勵(lì)磁,勵(lì)磁電路和實(shí)際波形如圖3所示.
勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路是傳感器硬件電路設(shè)計(jì)的核心,勵(lì)磁電路的穩(wěn)定性能夠保證磁場(chǎng)的穩(wěn)定性.勵(lì)磁電路恒流源部分采用直流開(kāi)關(guān)同步降壓轉(zhuǎn)換器,與采用基準(zhǔn)電壓源和晶體管電路的方式相比,該方式可以消除使用線性電流源的功率損失,功耗低.勵(lì)磁電流達(dá)到200mA,為了防止長(zhǎng)期勵(lì)磁導(dǎo)致元件溫升并影響電路參數(shù),基準(zhǔn)電阻選用高精度低溫漂系數(shù)的晶圓電阻.
2.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E處理電路
雖然采用低頻矩形波勵(lì)磁時(shí)電磁流量計(jì)的極化現(xiàn)象和正交干擾信號(hào)較弱,但是也不能完全消除,再加上空間的電磁干擾,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E依然比這些干擾信號(hào)小,因此在信號(hào)處理過(guò)程中要先進(jìn)行濾波.根據(jù)勵(lì)磁方式和空間干擾信號(hào)的特點(diǎn)有針對(duì)性地對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E進(jìn)行濾波和放大.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E處理電路的前置放大電路(如圖4所示)采用ADI公司的儀表放大器AD8228,其放大倍數(shù)分別為10倍和100倍,該文的放大倍數(shù)為10倍.當(dāng)放大倍數(shù)分別為10倍時(shí),儀表放大器的增益漂移為2ppm/℃,增益誤差為0.02%,輸入失調(diào)電壓為50µV(最大值),輸入失調(diào)漂移為0.8µV/℃(最大值),輸入偏置電流為0.6nA(最大值),共模抑制比CMRR為100dB,具有超高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低線性誤差以及低輸出阻抗的優(yōu)點(diǎn),在保證第一級(jí)放大的同時(shí),保持了較小的直流失調(diào),避免后級(jí)放大電路飽和.
主放大電路(如圖5所示)采用TI公司的雙路運(yùn)算放大器TLC2262,其可以實(shí)現(xiàn)軌對(duì)軌的輸出性能,具有低噪聲(19nV/√Hz(1kHz))和低輸入偏置輸入電流(1pA和非常低的功耗(最大為500μA)).
電磁流量計(jì)放大后的信號(hào)經(jīng)低通濾波器進(jìn)行衰減并濾除部分雜波,然后通過(guò)雙刀四擲開(kāi)關(guān)進(jìn)入AD7989-1進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并進(jìn)入單片機(jī).為了最大程度地降低誤差,需要對(duì)ADC采樣樣本進(jìn)行濾波處理,這要求ADC的采樣速率至少為勵(lì)磁頻率的100倍,為了適應(yīng)最快的25Hz勵(lì)磁,最小采樣速率需要達(dá)到2500SPS,更高的采樣速率允許對(duì)更多的采樣樣本進(jìn)行濾波處理,從而達(dá)到抑制噪聲、提高精度的效果.AD7989-1是一款18位、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,吞吐速率可達(dá)100kSPS,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采用中位數(shù)平均值濾波法,清除由偶然出現(xiàn)的脈沖干擾所引起的采樣值偏差,同時(shí)還可以對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波.
3.溫壓信號(hào)處理電路
溫壓信號(hào)處理電路如圖6所示,溫度信號(hào)處理采用恒流源為Pt1000供電,為了避免電流過(guò)大導(dǎo)致鉑電阻過(guò)熱而給測(cè)量帶來(lái)誤差,一般設(shè)置電流為0.1mA~0.3mA,該文的電流為0.2mA,Pt1000兩端采集得到的電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并進(jìn)入儀表放大器放大,再通過(guò)濾波器進(jìn)入單片機(jī)MSP430F5438A進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,調(diào)整基準(zhǔn)電壓可以改變溫度量程；壓力信號(hào)處理采用三線制擴(kuò)散硅壓力傳感器,輸出為基于量程的0.5V~2.5V電壓信號(hào),采集得到的電壓信號(hào)經(jīng)放大濾波進(jìn)入單片機(jī)MSP430F5438A進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換.MSP430F5438A有16個(gè)12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換速率可以為200kSPS,采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)平均值濾波法抑制噪聲,可以提高測(cè)量精度. |
