流量標(biāo)準(zhǔn)裝置前端脈沖信號處理方法

韓義中，官志堅(jiān)

(中航長城計(jì)量測試(天津)有限公司，天津300457)

0 引言

流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為量值傳遞與溯源中的重要環(huán)節(jié)，用于對流量計(jì)進(jìn)行檢定與校準(zhǔn)。其按介質(zhì)可分為氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置等;按原理可分為質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、容積法標(biāo)準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置等。無論何種類型的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置都要涉及到對被檢流量計(jì)的輸出信號進(jìn)行采集。

流量計(jì)常見的輸出形式有脈沖信號輸出、電壓信號輸出、電流信號、數(shù)字通信輸出、直接顯示輸出等。其中電壓信號與電流信號為標(biāo)準(zhǔn)0～5 V或4～20 mA等輸出信號，采用數(shù)字多用表等可進(jìn)行直接測量，無需其它額外的轉(zhuǎn)換。數(shù)字通信輸出則是采用專用軟件或通信設(shè)備進(jìn)行讀數(shù)。直接顯示輸出采用人工讀數(shù)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。脈沖信號輸出類流量計(jì)則需要額外的轉(zhuǎn)換電路將各種方波脈沖信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號，然后接入到流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本文就是針對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置前端脈沖信號處理部分常見的問題展開研究，確保將不同流量計(jì)輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號并消除干擾。

1 流量標(biāo)準(zhǔn)裝置前端脈沖信號處理常見問題

流量標(biāo)準(zhǔn)裝置前端信號處理電路起著將各種流量計(jì)輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)TTL信號的作用，為后續(xù)計(jì)數(shù)器提供脈沖信號源。一般采用電平比較的方式實(shí)現(xiàn)，即設(shè)置一個(gè)比較電壓(如2.5 V)，當(dāng)脈沖幅值大于此電壓時(shí)判定為TTL高電平，當(dāng)脈沖幅值小于此電壓時(shí)判定為TTL低電平，或相反。

其中主要涉及到兩個(gè)問題:一是對各種幅值脈沖信號的適應(yīng)性，能確保大多數(shù)流量計(jì)脈沖信號能轉(zhuǎn)化為TTL信號;二是濾波，濾除各種干擾脈沖。

目前流量標(biāo)準(zhǔn)裝置前端信號處理電路多采用單一比較電壓進(jìn)行比較，很多特殊幅值的流量計(jì)無法直接處理，還需外加輔助措施。一般裝置采用簡單電容濾波處理，無法濾除所有干擾且出現(xiàn)波形變化的現(xiàn)象。

針對以上2個(gè)主要問題，本文采用了可變門限電壓比較及脈沖寬度濾波的方式進(jìn)行處理。

2 可變門限脈沖比較電路

2.1 可變門限范圍選擇

目前工業(yè)用流量計(jì)供電主要是5，12，24 V，最高脈沖輸出電壓不超過24 V，但其低電平電壓則各不相同。常用流量計(jì)的低電平輸出接近0V，但2線制脈沖輸出類流量計(jì)等特殊形式的流量計(jì)則有其獨(dú)特性。圖1為典型兩線制渦輪流量計(jì)脈沖輸出接線圖，表1為國產(chǎn)LWGY渦輪流量計(jì)輸出幅度與負(fù)載電阻關(guān)系表。

圖1 兩線制脈沖輸出接線圖

表1 典型兩線制脈沖輸出R與輸出電壓關(guān)系

從表1可以看出負(fù)載電阻不同影響其輸出電壓也不同，綜合常規(guī)流量計(jì)以及兩線制流量計(jì)的特點(diǎn)，選取可變門限電壓變化范圍為1～12 V，可滿足絕大多數(shù)流量計(jì)的波形比較要求。

2.2 可變門限比較電路設(shè)計(jì)

比較電路一般可通過通用運(yùn)算放大器或?qū)Ｓ帽容^器實(shí)現(xiàn)。比較器比通用運(yùn)放的開環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，共模輸入電壓范圍更大，壓擺率較高(使比較器響應(yīng)速度更快)。另外，比較器的輸出級常用集電極開路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用上更加靈活。本文選用了常用LM311比較器。具體電路如圖2所示。

3 脈沖寬度濾波電路

脈沖輸出類流量計(jì)按脈沖的來源分為兩種:一種是直接感應(yīng)產(chǎn)生，并經(jīng)放大輸出，如渦輪與容積式流量計(jì);另外一種是通過顯示流量計(jì)算后數(shù)字化處理輸出，如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。本文主要是針對前一種流量計(jì)，后一種流量計(jì)直接采用數(shù)字化處理實(shí)現(xiàn)，沒有小信號放大過程，一般抗干擾能力較強(qiáng)。

3.1 脈沖信號干擾分析

形成干擾的基本要素有三個(gè):干擾源、傳播路徑、敏感器件。抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是:抑制干擾、切斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能。以流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定常見的渦輪流量計(jì)為列，渦輪流量計(jì)的構(gòu)造如圖3所示。

在管道中心安放一個(gè)渦輪，兩端由軸承支撐。當(dāng)流體通過管道時(shí)沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時(shí)，就會

圖2 可變門限比較電路

采用了參考電壓源TL431芯片產(chǎn)生10V參考電壓，通過可變電阻R13調(diào)節(jié)比較電壓，LM358用于參考電壓的放大。最終比較電壓可在0～10 V之間調(diào)節(jié)。

采用了LM311作為比較器，其可以單電源供電，最大供電電壓為36 V，輸出為集電極開路輸出，上拉電阻接至5 V電源時(shí)與TTL電平兼容。

同時(shí)考慮到LM311的高帶寬以及流量計(jì)波形受干擾可能在脈沖輸出的上升與下降沿產(chǎn)生高頻震蕩，比較器通過R3與R1構(gòu)成遲滯電壓比較器，遲滯電壓約為0.2V。另外在脈沖輸入端加入了C19電容進(jìn)行簡易濾波。引起傳感線圈中的磁通變化。傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號。

圖3 渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

在這里干擾源為流量標(biāo)準(zhǔn)裝置所使用的電機(jī)、變頻器、繼電器等;傳播途徑為導(dǎo)線、空間等;敏感元件為傳感器線圈。圖4為某流量計(jì)實(shí)際受干擾后的信號(圖左面為整體信號，圖右邊為下降沿放大信號)。

圖4 某流量計(jì)實(shí)際受干擾后信號

產(chǎn)生以上干擾的原因分析如下。傳感器線圈感受到的電壓一般為幾十mv(波形為正弦波)極易受外界干擾，在正弦信號上疊加大的高頻干擾信號，在單個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)多零點(diǎn)。而流量計(jì)后端放大電路一般采用過零比較放大的形式，造成以上現(xiàn)象。

以上高頻干擾現(xiàn)象一般可通過加電容濾波的方式解決。在正弦波真實(shí)的過零點(diǎn)處除了高頻干擾，還有比較器由于高帶寬、高增益造成的高頻震蕩(如圖4右邊所示)，此部分加電容難以解決，電容太小不足以消除震蕩，電容太大則造成波形的畸變，甚至使脈沖幅度變小，使后端計(jì)數(shù)器無法工作。

對流量計(jì)脈沖信號分析可知，疊加于流量計(jì)方波信號的干擾或震蕩一般是尖峰脈沖信號。尖峰干擾信號與有用信號的頻帶不同，尖峰干擾的頻率往往比流量計(jì)方波信號要高很多，即尖峰干擾的脈寬與流量計(jì)方波信號相比很窄。利用這一特點(diǎn)從切斷干擾傳播路徑人手，設(shè)計(jì)一種脈寬數(shù)字濾波電路，當(dāng)脈寬小于某一設(shè)定值時(shí)，不可能是真實(shí)的流量計(jì)脈沖信號，因此給以濾除。在本設(shè)計(jì)方案中，濾波脈寬的選擇是影響脈寬濾波器濾波效果的關(guān)鍵，脈寬太小，部分較強(qiáng)干擾信號不能與流量計(jì)脈沖信號分離;太大將會使流量計(jì)信號失真。

渦輪、容積式等直接感應(yīng)式流量計(jì)產(chǎn)生的方波信號最大頻率一般小于3 KHz，考慮到葉片制造、安裝等因素造成脈沖方波信號占空比的變化，將濾波寬度設(shè)計(jì)至4 KHz可滿足此類信號的濾波要求。

3.2 脈沖寬度濾波電路設(shè)計(jì)

脈沖寬度濾波電路設(shè)計(jì)如圖5所示。工作原理分析如下:

流量脈沖信號RF1_2與反向后的信號RF1_3連接到74HC4520計(jì)數(shù)器，在正周期時(shí)U1處于復(fù)位狀態(tài)輸出=0，U2處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，此時(shí)U2對CLK1M(1MHz時(shí)鐘，對應(yīng)的濾波時(shí)間常數(shù)128μs，濾波頻率為3.9KHz)計(jì)數(shù)，當(dāng)正周期持續(xù)時(shí)間大于濾波寬度時(shí)U2輸出高電平，當(dāng)正周期持續(xù)時(shí)間小于濾波寬度時(shí)U2不可能輸出高電平。

圖5 脈沖寬度濾波主體電路

同理，在負(fù)周期時(shí)U2處于復(fù)位狀態(tài)輸出=0，U1處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，此時(shí)U1對CLK1M計(jì)數(shù)，當(dāng)負(fù)周期持續(xù)時(shí)間大于濾波寬度時(shí)U1輸出高電平，當(dāng)正周期持續(xù)時(shí)間小于濾波寬度時(shí)U1不可能輸出高電平。

只有正、負(fù)周期的脈沖寬度都大于濾波寬度時(shí)，才認(rèn)為是真正的流量計(jì)信號，通過觸發(fā)器74HC74產(chǎn)生流量脈沖信號。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用Agilent33120信號源、DS1102E示波器對本設(shè)計(jì)進(jìn)行測試，得其比較門限的變化范圍為1～12 V，對4KHz以上的脈沖方波能有效濾波。最后在本所的流量裝置上對圖4中出現(xiàn)過干擾的流量計(jì)進(jìn)行實(shí)際測試，其波形如圖6所示，完全消除干擾。

圖6 脈沖寬度濾波后流量計(jì)波形

5 結(jié)束語

本文介紹的可變門限脈沖比較電路與脈沖寬度濾波電路，可大大提高流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對不同脈沖輸出類流量計(jì)數(shù)據(jù)采集的適應(yīng)性與抗干擾能力。原理與結(jié)構(gòu)簡單，無需對現(xiàn)有的流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置采集系統(tǒng)進(jìn)行改造，簡單串入即可，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］Teresa Wagner，Jacek Jaworski.Effects of Disturbances on Measurement accuracy of Diaphragm and Turbine Gas Meter Conference［C］//FLOW MEASUREMENT 2001 INTERNATIONAL CONFERENCE.Salvador，Brazil:IMEKO，2001.

［2］楊玉強(qiáng).LM311在使用中應(yīng)注意的幾個(gè)問題［J］.錦州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1990(3):9-11.

［3］潘云飛，楊茹.渦輪流量計(jì)檢定中干擾隔離電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.現(xiàn)代測量與實(shí)驗(yàn)室管理，2007(5):13-14.

［4］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG1037-2008渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程［S］.北京:中國計(jì)量出版社，2008.