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新型渦輪流量計傳感器預處理儀|工作原理|計算公


文章日期:2017-10-26|閱讀數:


摘 要:本文設計出一種新型渦輪流量計預處理儀,可以將經過(幾百米)長線傳輸的傳感器毫伏信號進行處理,***終轉換成TTL電平與PC機相連接。與傳統的方法相比,本轉換電路將浮置放大器、有源濾波器、自動增益控制電路、雙層屏蔽結構巧妙的結合起來,使得整個系統具有很強的抗干擾能力??梢源_保測量的準確度,大大提高測量工作的可靠性。此新型渦輪流量計預處理儀主要用于航天新型號火箭發動機測試中,還可廣泛應用于需要精密測量的不同領域。
  Abstract: This paper designed a new turbine flowmeter pretreatment apparatus, which can process the sensor millivolt signal that long-term (several hundred meters) transmitted, ultimately converted into TTL level and connected to the PC. Compared with traditional methods, this conversion circuit combined with floating amplifiers, active filters, automatic gain control circuit and double shield structure cleverly, making the whole system has a strong anti-interference ability. This new instrument can ensure the accuracy of the measurement and improve the reliability of the measurement work greatly. This new type of turbine flow meter is mainly used for new model aerospace rocket engine test, but also widely used in different areas where required precise measurements.
   Keywords: millivolt; active power filter; common mode rejection ratio

0、引言:
  在一些高精度非電量的檢測中,例如流量的測量,轉數的測量等領域,其傳感器的輸出信號是毫伏級的,尤其在航天火箭測量領域傳感器輸出信號需要經過(幾百米)長線傳輸,要想將有用信號提取出來,必須要進行隔離、放大、轉換處理,目前處理這樣的電路很多,但是難以滿足火箭發動機現場測試苛刻要求,這些干擾包括:臨頻的干擾、噪音的干擾、共模的干擾以及波形畸變的干擾等等。為了實現將有用信號的成功檢測并轉換,有效地通過計算機檢測、控制,保證系統正常運行。這種電路必須具有以下特點:1) 可以檢測的信號范圍要寬,小至幾個毫伏大到幾伏;2) 必須從魚龍混雜的微小信號里檢出有用的頻率信號;3) 可以抵抗異地測量中存在的各種干擾,尤其是共模干擾;4) 檢測出的信號與輸出到計算機系統的 TTL 信號不能共地,進行隔離。

1、預處理儀原理:
圖 1  預處理儀原理框圖
1  預處理儀原理框圖
  圖 1 是信號處理儀原理框圖,從圖中可以看到信號的處理過程,一個浮置的信號首先進行低通濾波處理,將高于基本頻率二倍以上的各種頻率信號阻擋在外,對于大信號進行限幅處理,而對于小信號則進行放大,這個放大分為兩級,級是將輸入平衡信號轉換成對地信號,該級具有足夠的增益,第二級是一種具有自動增益控制的放大,可以根據信號的大小自動處理成所需要的 TTL 信號,或是模擬信號。經過放大處理的信號還要經過二階有源濾波器,進一步對有用信號進行過濾和篩選,之后將信號進行雙向限幅再用光耦進行隔離 TTL 輸出,輸出 2 是直接模擬信號輸出。其中電路工作是否正??赏ㄟ^自動控制電路以發光二極管進行指示。

2、電路設計:
2.1、輸入平衡轉換電路:

 圖 2 是將輸入平衡信號轉換為對地信號電路 [1,2],其工作原理見以下推導過程。
平衡器計算公式


令 R1=R2=R3=R4=R, 放大器為理想放大器則有:VINA/R=(VX—VINA)/R;(VANA—VX)/R=(VOUT—VINB)/R,聯立解方程后得到:VOUT=2(VINB—VINA)。從中可以知道,輸出信號是對地的,其值是 2 倍的二個輸入信號之差。
圖 2  輸入平衡轉換電路

圖 2  輸入平衡轉換電路

2.2 、自動增益控制放大器:
  圖 3 是自動增益控制電路[5],其工作原理如下:當輸入信號加到 N1A之后,其輸出信號經過 C6的耦合作為輸出,但是這個信號被 D1、D2整流后,與經過 N2B進行 1 比 1 放大的信號共同進入 N2A,在這點的信號是一個具有一定直流分量的脈動直流,其直流分量來自于 R9。N2A在這里是一個積分器,它將輸入的脈動直流進行積分處理,之后輸出一個直流電平,如果輸入信號越大的話,這個直流電平則越負,反之則負的小。V1是一個場效應晶體管,其工作在負柵狀態,積分器的輸出越負,
V1的源漏間的等效電阻越大,致使 N1A的增益越低,從而使得***后的輸出變小,由于這個負反饋作用,使得輸出信號的幅值得到穩定。如果被穩定信號的范圍大,可用兩級這樣的電路共同完成,實踐證明效果非常明顯。
圖 3  自動增益控制放大器
圖 3  自動增益控制放大器

2.3、有源濾波器:
  一階有源低通濾波器在阻帶內增益衰減較慢往往不能滿足需求,高階有源低通濾波器效果好但穩定性差,零極點多,綜合考慮采用二階巴特沃思(Butterworth) 有源低通濾波器[2,3],可以進一步抑制干擾和噪聲提升儀器性能,圖4 是二階巴特沃思(Butterworth) 有源低通濾波器原理圖。
圖 4  二階巴特沃思有源低通濾波器原理圖。

圖 4  二階巴特沃思有源低通濾波器原理圖。

  令 Q=0.707,本文設計的二階有源濾波器截止頻率分別為 0.5k Hz、1k Hz、5k Hz, 需用波段開關進行切換,阻帶衰減不小于 -40d B/10oct, 可以通過上述公式和技術要求計算出相應的電阻電容值,但在實際使用中可能會有誤差,一般還要在電路調試時***終確定實際值。

2.4、結構設計:
 整個機器采用雙層屏蔽結構。輸入信號通過屏蔽電纜接入,機箱為全鋁合金機箱接大地,內部的1毫米鐵屏蔽盒、屏蔽板分別將每塊電路板進行屏蔽保護,信號地、屏蔽地、大地接地點都要嚴格按工藝要求連接 [4]。圖 5 是抑制共模干擾的屏蔽結構示意圖,圖中的 C1 是機殼和電路之間的分布電容,該電容由于有保護屏蔽盒的隔離,所以非常之小,因此其容抗ZC1=1/JωC1 則非常之大.在異地測量的過程中,往往存在很大的共模干擾 Vcm,圖中的 R0 是屏蔽線的等效電
圖 5  雙層屏蔽結構原理圖
5  雙層屏蔽結構原理圖
  阻,Rh、Rb 是信號線的等效電阻,這些電阻與 ZC1 相比要小的很多,因此,干擾信號幾乎到不了放大器的輸入端。另外干擾信號 Vcm 還要被機殼和保護屏蔽盒之間的等效電容 C3 分掉很大一部分,這就使得共模干擾作用進一步削弱,這種屏蔽技術可以廣泛地應用于各種微弱信號測量及數據測量系統之中。

3、結束語:
 使用該電路方案為中國航天研制的某型號渦輪流量計信號預處理儀輸入信號范圍為 10mV-5V(rms) 的正弦波、三角波,輸出轉換成與輸入頻率相同的 TTL 電平 (3.5-5V);有源濾波 ( 二階巴特沃斯 ) 截止頻率分為 0.5kHz、1kHz、5kHz;儀器共模抑制比不小于 80dB。該項目主要用于航天新型號火箭發動機性能測試。已取得國防科技計量站計量合格證書,并通過搭載試驗,已裝備火箭研制、測試平臺。


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