整個電磁流量計的硬件電路如圖2所示,主要分為CPU、傳感器勵磁部分、感應電動勢E處理部分以及溫壓信號處理部分.其中,影響測量精度的主要是傳感器勵磁部分、感應電動勢E處理部分以及溫壓信號處理部分.
1.傳感器勵磁電路傳感器勵磁方式所采用的矩形波勵磁既可以大幅減少由直流勵磁時產生的電極極化效應,使零點漂移變小,又可以克服正弦波勵磁產生的正交干擾和同相干擾的影響,提高流量計零點的穩定性.矩形波勵磁可分為低頻矩形波勵磁和高頻矩形波勵磁,低頻方式勵磁周期較長,會影響流量計的響應速度,適用于流體流速變化緩慢的場合,其精度較高.高頻方式勵磁周期較短,雖然響應速度快,但是產生的磁場穩定時間短,難以完全避免正交干擾的影響,其測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合,例如飲料的灌裝和水泥漿流量的測量.該文采用5Hz的低頻矩形波勵磁,勵磁電路和實際波形如圖3所示.
勵磁驅動電路是傳感器硬件電路設計的核心,勵磁電路的穩定性能夠保證磁場的穩定性.勵磁電路恒流源部分采用直流開關同步降壓轉換器,與采用基準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.勵磁電流達到200mA,為了防止長期勵磁導致元件溫升并影響電路參數,基準電阻選用高精度低溫漂系數的晶圓電阻.
2.感應電動勢E處理電路
雖然采用低頻矩形波勵磁時電磁流量計的極化現象和正交干擾信號較弱,但是也不能完全消除,再加上空間的電磁干擾,感應電動勢E依然比這些干擾信號小,因此在信號處理過程中要先進行濾波.根據勵磁方式和空間干擾信號的特點有針對性地對感應電動勢E進行濾波和放大.感應電動勢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,其放大倍數分別為10倍和100倍,該文的放大倍數為10倍.當放大倍數分別為10倍時,儀表放大器的增益漂移為2ppm/℃,增益誤差為0.02%,輸入失調電壓為50µV(最大值),輸入失調漂移為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點,在保證第一級放大的同時,保持了較小的直流失調,避免后級放大電路飽和.
主放大電路(如圖5所示)采用TI公司的雙路運算放大器TLC2262,其可以實現軌對軌的輸出性能,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)).
電磁流量計放大后的信號經低通濾波器進行衰減并濾除部分雜波,然后通過雙刀四擲開關進入AD7989-1進行AD轉換并進入單片機.為了最大程度地降低誤差,需要對ADC采樣樣本進行濾波處理,這要求ADC的采樣速率至少為勵磁頻率的100倍,為了適應最快的25Hz勵磁,最小采樣速率需要達到2500SPS,更高的采樣速率允許對更多的采樣樣本進行濾波處理,從而達到抑制噪聲、提高精度的效果.AD7989-1是一款18位、逐次逼近型模數轉換器,吞吐速率可達100kSPS,轉換后的數據采用中位數平均值濾波法,清除由偶然出現的脈沖干擾所引起的采樣值偏差,同時還可以對一般具有隨機干擾的信號進行濾波.
3.溫壓信號處理電路
溫壓信號處理電路如圖6所示,溫度信號處理采用恒流源為Pt1000供電,為了避免電流過大導致鉑電阻過熱而給測量帶來誤差,一般設置電流為0.1mA~0.3mA,該文的電流為0.2mA,Pt1000兩端采集得到的電壓信號與基準電壓進行比較并進入儀表放大器放大,再通過濾波器進入單片機MSP430F5438A進行AD轉換,調整基準電壓可以改變溫度量程；壓力信號處理采用三線制擴散硅壓力傳感器,輸出為基于量程的0.5V~2.5V電壓信號,采集得到的電壓信號經放大濾波進入單片機MSP430F5438A進行AD轉換.MSP430F5438A有16個12位逐次逼近型模數轉換器,轉換速率可以為200kSPS,采集得到的數據經平均值濾波法抑制噪聲,可以提高測量精度. |
