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    渦街流量計

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    渦街流量計前置放大電路噪聲分析與處置

    來源:作者:發表時間:2022-02-11 11:24:43

             摘 要: 渦街流量計測量阻流體時物理信號動態范圍大,尤其在測量弱信號時易受噪聲影響,因此其前置放大電路性能必須充分考慮電路本底噪聲因素。分析了Ф50型號氣體渦街流量計前置放大電路的系統噪聲組成,對電路噪聲進行分析、計算,得出理論上的電路本底等效噪聲值為4.59 μV。利用Multisim 14.0 作為仿真環境進行測試驗證,表明利用此電路可檢測10 μV以上的信號。提出的電路設計為實際電路優化提供了理論參考依據。

     
    引言
             渦街流量計在計量領域具有廣泛的應用場景。目前,若要利用渦街流量計實現精密測量,還需要處理本底噪聲問題,因為它是影響測量精度的好主要因素。
     
             劉三山[1]提出了兩種數字渦街流量計的硬件研制,在硬件電路中應用陷波濾波和數字頻譜相結合的方法規避了噪聲影響。黃詠梅等[2]在渦街流量計的研究中不僅淺顯易懂地講述了渦街檢測原理,也對檢測方法、檢測難點、發展趨勢等作了詳細的介紹。王一樺等[3]成功找到了電荷放大器的主要噪聲影響,給后續的研究提供了指導。孫穎奇等[4]提出一種思路,利用良好的屏蔽設計來減少噪聲對微弱信號的干擾,但當噪聲直接疊加在渦街流量計信號上時,尤其是低流速情況下,測量流量還是會產生較大的偏差,因此在設計之初有效估算噪聲強度,有利于確v認渦街流量計能檢測到的信號好小測量范圍。
     
             本文針對上述問題,首先基于Ф50型號氣體渦街流量計的前置放大電路進行分析,將復雜的電路等效成簡化電路;接著在特定渦街流量計前置放大電路的基礎上,對前置放大器進行噪聲量化計算;好后基于噪聲影響情況,進行精度測量模擬仿真實驗,證實理論計算結果的可靠性。結果顯示:噪聲測量、算法和精度測試,能夠為實際電路測量中渦街流量計的性能改善提供理論參考。
     
    1 渦街流量計計量原理
             渦街流量計的原理是在氣體或液體等流體中安置阻流體,流體在經過阻流體時會交替產生兩串規則的旋渦(這種旋渦稱為“卡門渦街”),旋渦頻率被壓力傳感器檢測到后,利用流量Q與頻率f的關系式測量流體的流量,即
     Q=f/k (1)
             其中,K是流量計的流量系數,可看作固定常數。
     
    2 前置放大電路噪聲分析
             本文選取了好典型的Ф50型號氣體渦街流量計的前置放大電路作為特定樣本對噪聲進行分析。系統噪聲包括電路內部產生的噪聲(也稱固有噪聲),也包括電路外部的干擾噪聲。前置放大器的固有噪聲主要包括電阻熱噪聲、集成運算放大器自身的等效噪聲。本章主要對渦街流量計系統電阻熱噪聲、運算放大器自身的等效噪聲進行分析,外部干擾噪聲不在討論范圍之內。
     
    2.1 熱噪聲原理
    (1)電阻熱噪聲:主要由電子的隨機熱運動引起,產生噪聲電壓。電阻兩端產生的熱噪聲電壓有效值Et滿足
     Q=f/k  (2)
    其中,k—玻爾茲曼常數;T—電阻的絕對溫度;R—電阻的阻值,Ω;B—信號帶寬。
    注:在室溫下( 1 7 或 290 K ) ,4kT≈1.6×10-20 V2/(Hz·Ω)。
     
    (2)阻容并聯的熱噪聲:為了限制頻帶寬度,有時要在電阻兩端連接電容。在阻容并聯的情況,電路中開路的熱噪聲有效值Eto為
    電路中開路的熱噪聲有效值Eto
    其中,C—并聯電容。
     
    可以證明,無源元件的任意連接所產生的熱噪聲等同于等效網絡阻抗的實部電阻所產生的熱噪聲。
     
    2.2 運算放大器自身等效噪聲分析
    運算放大器的噪聲模型也可以用等效噪聲模型替代。圖1所示為含噪放大器的電路圖,圖2為噪聲等效電路。其中,e s是被測信號電壓,Rs是信號源的輸出電阻,e t是電阻熱噪聲等效的噪聲電壓源,e n和i n分別是放大器自身的等效噪聲電壓源和電流源。
    含噪放大器的電路圖和噪聲等效電路
    設e t、e n和i n互不相關,噪聲電流源可以轉化為電壓源i nRs,其有效值的平方表示為
    ,噪聲電流源可以轉化為 電壓源i nRs,其有效值的平方公式
    而對于等效輸入噪聲電壓源en,其平方根譜密度為
    于等效輸入噪聲電壓源en,其平方根譜密 度
     
    3 前置放大電路噪聲計算分析
             因不同電路的需求不同,設計一個電路往往也需要具有一些其他功能,例如去除直流偏置、抑制共模信號等。本章對該電路進行合理的簡化,以更方便地計算噪聲,并對噪聲進行等效分析與計算。
     
    3.1 前置放大器電路分析
             渦街流量計前置放大電路如圖3所示。在該電路設計中,采用了SGM8532芯片,利用電路的對稱性和負反饋作用,有效地穩定靜態工作點,以放大差模信號,抑制共模信號。在J 2、R 1和R 2的電路中,交流信號可以順利通過①、②,而直流信號因受到C 3、C 4的影響只能走J 1、R 1和R 2的環路,使得兩條通路的直流信號電位相同,去除了直流偏置。在對稱環路中,為了計算方便,我們將③等效成地。簡化后的電路圖和等效噪聲電路圖分別如圖4和圖5所示。
    簡化后的電路圖等效噪聲電路圖渦街流量計前置放大電路
    3.2 噪聲估算
    由 式(2)可 知R 3和R 4串聯所產生的熱噪聲為
    Et=2.65×10-7 V;
    由 式 (3) 可知阻容并聯所產生的熱噪聲為
    Eto=4.47×10-6 V。 圖6所示為SGM8532芯片手冊的部分片段,由圖6及式(5)可得En=1.04×10-6 V。
    由公式(4)可知,該電路輸出的噪聲有效值為
    電路輸出的噪聲有效值
    計算得總的噪聲有效值為
    計算得總的噪聲有效值
    因此,理論上該電路可以檢測大于10 μV(大于噪聲6 dB以上)的微弱信號。
     
    4 仿真結果驗證
    本章利用Multisim 14.0 作為仿真環境,其自帶的噪聲源可以使仿真結果更加準確。放大器為理想放大器,V1為該放大器等效噪聲源,確保噪聲的準確性。
     
    電路仿真結果如圖7所示。由仿真結果可以看出,在總的噪聲中,V(p-p)大概為2~8 μV,與實際結果相差不大,在同一量級。實際噪聲稍微小,可能是輸出頻率比理論值略小導致的。
     
    5 結束語
    本文首先簡要介紹了渦街流量計原理及構成,然后著重分析了渦街流量計前置放大電路的各種噪聲及公式,并以典型的Ф50型號氣體渦街流量計的前置放大電路作為特定樣本,在建立噪聲模型的基礎上,簡單、有效地計算得到了渦街流量計前置放大電路的噪聲。通過對電路進行仿真驗證,佐證了理論計算的有效性。該電路可以測量大于10 μV的渦街信號,為后續實測及電路優化提供理論參考依據。
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