电容式电磁流量转换器的设计

　　1　引　言

　　电容式电磁流量计的最大特点是电极不接触被测液体,因此不存在接液式电极电磁流量计的许多问题。突出的优点是可以测量导电率极低的液体,像纯水、高纯酒精等也能测量。另一个优点是通过被测液体带来的直流或频率较低的干扰信号与测量放大电路之间的耦合被阻断,因而电路的零点稳定。从工艺上讲,由于无电极穿透壳体,壳体内壁是完整无孔的,所以不存在从电极处渗漏的问题。但电容式电磁流量计的设计制作比普通电磁流量计要困难得多,首先是输入电路要求很高;其次是信号的放大检出电路要有极高的信噪比。而后者需要有单片机才能很好的实现。

　　2　转换器的设计

　　2.1　输入电路的设计原理

　　由于输入信号是通过电容传入前级放大器,而电容的容量又很小,为了使输入信号的矩形波通过电容时尽可能的不失真,前级放大器必须具有极高的阻抗,通常Zi≥1 GΩ,采用自举电路使输入电阻Ri≥1 GΩ并不困难,电路如图1所示。其中运放为理想放大器,接成跟随器形式。

　　理想情况下的输入电阻为无穷大。在测量中当Ci和C1容量较大,且激磁频率较低时可以这样认为。输入阻抗大于1 GΩ不难做到。当Ci较小时,如几pf到十几pf,此时激磁频率要很高,方波信号才能通过Ci耦合到运放输入端,这时运放输入端的电容CS就不能忽略了,电路如图2所示。通常手册中给出的增益带宽积较高的高阻抗CMOS运放的输入端电容CS的数值约几pf,其交流等效电路如图3所示。运放净输入电压由式(1)得出:

　　由此可见,当CS不能忽略时,它对输入信号的影响是很大的。为了除去CS的影响,可以从外部加一个电流,补偿iCS造成的分流,电路如图4所示。

　　为了能产生if,放大器放大倍数必须大于1,因此接入R3、R4,设ia为输入电流,if为补偿电流,则有式(2)成立:

　　以上是从比较理想的条件下得出的结论,实际情况要复杂一些,因为Cf是正反馈电容,补偿过度会引起振荡,只能在欠补偿条件下工作。必须仔细调节R3的数值。

2.2　信号放大及检出滤波电路

　　该电路的设计要求是高信噪比和高共模抑制比。在流量信号很小时,比如0.5 m/s流速以下,干扰信号与流量信号的幅度比值为20∶1。干扰信号的频率主要是50 Hz电源或开关电源的频率,其次是单片机造成的高频干扰。

　　放大电路采用通用的双入单出的三运放差动方式或仪表放大器,如图5所示。本电路采用的是三运放电容耦合差动放大电路,总放大倍数为1000倍。信号检出采用差动检出滤波方式[1]。