压电晶体式涡街流量传感器放大电路的设计

压电晶体式涡街流量传感器放大电路的设计

《自动化仪表》第01卷第2期0..3年2月

压电晶体式涡街流量传感器放大电路的设计

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杜清府

（山东大学威海分校控制系，威海!）"#!$%

摘

要

通过对涡街信号频谱的分析，发现涡街传感器主要干扰源为固有振荡频率，并设计了解决此种干扰的传感器放大电路。涡街流量计

固有振荡频率

低通滤波器

关键词

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.引言

由于涡街流量传感器无活动部件，重复性好，测量精度较高，输出信号频率与流量成正比等优点，其市场规模迅速扩大，并且市场占有率也逐年提高。

涡街流量传感器设计的关键性技术在于D个方面：产生稳定的卡!传感器表体设计。当流体经过时，

门涡街信号；"传感器探头的设计。将压电晶体封装在探头内，卡门涡街信号作用于探头时，探头内的压电晶体将涡街信号变成涡街电信号；#放大电路设计。将涡街电信号放大、整形变成相应的脉冲信号。

各相关仪表厂经过多年的研究，表体设计已经成熟，各种卡门涡街发生器的论述已经很多。而后两个方面的设计有很大的关联性，传感器探头设计得好，信噪比大、灵敏度高、信号大，后边的放大电路设计就比较容易，反之，后边的电路设计就困难。多年来，各相

关仪表厂研究发现，立片式（压电晶体竖立放置）结构，信噪比的探头有很大优点，其信号大（可达E$$7@）较高，比圆片式抗震性好。但是，从目前各厂家生产的传感器的使用情况来看，并不令人十分满意。暴露出来的主要问题是：传感器在上限流速时，输出有掉波或增波现象，有时上限频率根本上不去；另一方面，下限流速也达不到设计要求，也就是流体流速接近下限时无脉冲信号输出。所以，现在大多数涡街流量传感器只是在中间流速段时信号比较稳定，这就限制了涡街流量传感器的应用，此问题一直困扰着各涡街仪表生产厂家。为此，笔者应有关厂方要求，对其传感器信号波形进行测量，并进行频谱分析。经分析发现传感器探头的主要问题在于：其固有振荡频率信号干扰着传感器信号，并且涡街信号频率越高，固有频率信号越强；另外，涡街信号在上限和下限流速时幅值差异很F!

万方数据

大。

/传感器探头固有振荡频率

很多资料都介绍涡街信号在高流速时附有高频干扰信号，并有要求在放大电路增加低通滤波器环节，但这种高频干扰信号到底有多大，频率是多少？都没有一个定量的指标，因此，设计放大电路时就比较盲目，设计出的放大电路应用效果不好。图E是某仪表厂F$77管径涡街流量传感器压电晶体输出信号的波形

图，将它进行频谱分析后得到图!所示的频谱图，其中它和实际的流量值#!$G0谱线为流量卡门涡街信号，相符合，!%HHG0谱线为传感器探头高频干扰信号。通过多次实验发现，当改变管道内流体的流量时，频谱图

图E压电晶体输出信号（F$77管径）

图!压电晶体波形频谱

中左边的谱线随相应的流量增加（减小）而右移（左移），而右边的!%HHG0的谱线位置始终不动。在换其它同规格的探头实验时，高频干扰信号也在!%HHG0

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压电晶体式涡街流量传感器放大电路的设计

压电晶体式涡街流量传感器放大电路的设计

附近。而不同规格的探头，其高频干扰信号的频率则各不相同，图!所示为"##$$管径涡街流量传感器压可以看到电晶体输出信号的波形图，图%为其频谱图，其高频干扰信号为&。经对多种规格传感器探#’#()头进行对比，发现不同规格的探头（图*）其高度+各不相同。进一步研究发现，高频干扰信号的频率与探头的高度、直径、材料、壁厚、形状等因素有关，它是传感器探头固有的频率，叫做固有振荡频率。探头的高度越大，固有频率就越低，信号就越大。同一规格探头，涡街信号频率越高（接近固有频率），固有频率的信杜清府

小信号小于介质密度不变），大信号到&##$0以上，再加上其它各种干扰信号，这也是设计放大电路"$0，

的难点所在。

!放大器设计

!/"电荷放大器

放大电路如图.所示，第"级为电荷放大器。当流速在下限附近时，信号很微弱，经过电荷放大器放大为电压信号；当流速在上限附近时，信号很大，肖特基二极管起到自动增益控制作用，放大倍数变小，使得流号对涡街信号的影响就越大。所以，当涡街信号频率非常靠近固有频率时，涡街信号就会被固有频率信号淹没。

图!压电晶体输出信号（"##$$管径）

图%压电晶体

图*探头结构

在测量蒸汽流量时，*#$$管径涡街流量传感器

测量上限蒸汽流速为,#$／-，涡街信号频率在"%##()左右。此流速时%#$$管径传感器的信号频率为.##()，通常它们采用同一规格的探头，其固有频率为!###()左右，此时要分离出涡街信号就比较困难，这将对放大电路的设计提出很高的要求。

卡门涡街作用于传感器探头的力与流体介质的密度、流速的平方近似成正比，测量气体时，流速在%!#$／-之间、蒸汽在*!,*$／-之间、液体在#/!!,$

／之间。由此可知上限流速和下限流速之比大于"*，所以，上限流速涡街信号是下限流速的&&*倍左右

（设万方数据

速上、下限时输出电压信号差异变小。

图.电荷放大器—整形电路原理图

!/!低通滤波器

低通滤波器就是要滤掉固有频率信号，使涡街信号能通过。但是，涡街的上限信号和固有振荡频率信号相差不到&倍，而且有时固有振荡信号幅值还大于涡街信号，怎样设计这个电路呢？原则是什么？先看有用的涡街信号，下限幅值只是上限的&##分之"，假设下限幅值为"$0，上限信号幅值为&##$0，那么滤波的结果应该是有用的涡街信号大于"$0，

而固有干扰信号要小于（远小于更好）"$0，滤波器阶数越高，效果越好。图.中的第&级电路为二阶滤波器，若需要更高阶滤波器，可以串联同样的电路来实现。下面以*#$$管径的传感器为例来确定电路参数。设1*、1.

相等，2.、2,相等，

用两级串联构成%阶滤波器，则!"#（"$%&’(）

%)!*根据上述要求，确定12参数：频率为"%##()、幅值为&##$0的信号输出&$0；频率为!###()、幅值为&##$0的信号输出#/*$0。12的数值不难确定。!/#自动增益控制放大器

图.中的第!级电路为自动增益控制放大器，其输出信号幅值达到一定值时才能触发后级的施密特触发器，而滤波器输出的信号上限和下限幅值相差&##倍，对小信号放大倍数大，大信号放大倍数小，所以13／1,4&##，使放大倍数自动调节到&##倍。当信号较小时，二极管不导通，放大倍数为13／1,；一旦二极管导通，放大倍数就变小，起到自动增益控制 …… 此处隐藏：3014字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……