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涡街流量计中电荷放大电路的研究设计

作者:江苏创辉自动化仪表有限公司
由于涡街流量计的原理相对简单,结构也不太复杂,因此得到了飞速的发展。但是涡街流量计发展起来的时间还不长,本身存在的一些问题仍然没有得到很好的解决。其中非常大的一个缺陷就是涡街流量计对低流速流体不敏感,当流速低时涡街检测不到流体的旋涡,这个缺陷的存在很大程度上限制了它的使用。工业中常用的涡街流量计检测旋涡频率的方法是,在发生体尾部放置一个压电晶体,当有旋涡产生时会因为压力的变化使压电晶体产生电荷信号,然后通过电荷放大电路将电荷信号放大。因此电荷放大电路的优劣直接影响涡街流量计的性能好坏。本文通过对电荷放大电路的理论分析并结合涡街流量计自身的特点对原有的电荷放大电路进行了改进,并在实验中进行了验证,得到了很好的实验结果
 
1、电荷放大器的原理
压电式涡街流量计的1作原理是3:当流体流过涡街发仕体的时候在流体中产生旋涡,旋涡产生向上的升力,检测元件把受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上转换成交变的电荷信号,经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。电荷放大电路的核心是将压电晶体上受力产生的电荷转换成电压信号。其电路结构如图1所示。
通过电路图利用基尔霍夫电流定律可以得出如下电流关系:
根据欧姆定律可以把式(1)写成如下格式
式中:Rf为反馈电阻;Cf为反馈电容;V。为输出电压;Vi为输入电压;Es,为压电晶体产生的等效电压;Cs为信号源等效电容;Cg为电缆之间的分布电容将下面2个公式代入式(1):
Q=Es、·Cs
Vi= 1/K*Vo
式中:Q为压电晶体所带电荷量;K为运算放大器的增益。
式(1)变为:
因为K>>1,所以式(2)变为:
     ,则下限频率为:
     ,可得到输出的模拟值为:
 
 
从以上理论分析可以得出以下结论:当运放的开环增益足够大,下限频率足够低时,输出电压正比与输入电荷量,这就是电荷放大器的原理
 
2、改进的电荷放大电路
通过以上对电荷放大电路的原理研究并结合涡街流量计本身的一些特点,本文设计出了如图2所示的电荷放大电路。本电路的主要特点是采用差动放大,而且为了增加本电路的电压信号的幅值和避免由于接地而使低于地电位的有用信号丢失,在电路中引入了一个直流电平,有效地避免了信号在传输过程中被削波。如图2所示,运放A2和电阻R3、R4组成了电压跟随电路,使输出电平能很好地稳定在某一值上,电阻R6和电容C1可以抑制电源引起的于扰
3、实验研究
为了对改进后的涡街流量计电荷放大电路的性能进行测试,在气体装置上进行了实验,并与改进前的涡街流量计的测量结果进行了比较。实验结果显示,改进后的涡街流量计在测量下限从改进前的2.3m3/h下降到18.5m3/h,ZUI低下限处的不确定度从0.28%下降到0.165%因此可以看出改进后的电荷放大电路使涡街流量计本身的性能得到了提高。
 
4、结论
本文通过对整个电荷放大电路的理论分析,利用所得出的理论结果并且兼顾到实际应用中的具体情况来获取电路的各个参数值,设计出了应用于压电式涡街流量计上性能优良的电荷放大电路,并通过实验验证了改进的结果是令人满意的
 
 
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