科式質(zhì)量流量計新型模擬驅(qū)動電路研究

黃丹平 ，汪俊其 ，于少東 ，2，王 磊

（1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，自貢 643000；2.人工智能四川省重點(diǎn)實驗室，自貢 643000；3.過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實驗室，自貢 643000）

科式質(zhì)量流量計是由振動管、傳感器、電磁激振器、信號處理系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)組成[1]。驅(qū)動系統(tǒng)作為科式質(zhì)量流量計重要的組成部分之一，由傳感器、電磁激振器和驅(qū)動電路組成[2]。驅(qū)動電路系統(tǒng)從安裝在振動管上的傳感器輸出端采集信號后，該信號經(jīng)過濾波放大處理再送到電磁激振線圈上，保持振動管以其固有頻率持續(xù)振動[3]。因此，若驅(qū)動電路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定或起振受到其它干擾信號的影響，其科式質(zhì)量流量計將不能正常工作。本文結(jié)合國內(nèi)外最新芯片技術(shù)，對驅(qū)動電路的工作原理進(jìn)行分析研究，對驅(qū)動電路進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，采用集成芯片技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)采用離散元器件組成的電路，并對研發(fā)驅(qū)動電路進(jìn)行了仿真分析及實物試驗。該研發(fā)電路結(jié)構(gòu)更簡單、趨于集成化、模塊化，輸出信噪比大，電路體積更小，方便用戶安裝。不僅能達(dá)到振動管快速平穩(wěn)起振，而且能做到對其固有頻率的實時跟蹤。該驅(qū)動電路可以靈活運(yùn)用于成分比較復(fù)雜的流體，如批料流等應(yīng)用[4]。

1 驅(qū)動激振系統(tǒng)的原理

驅(qū)動電路、振動管、電磁激振器和振動管兩端的傳感器構(gòu)成一個自激系統(tǒng)[5]，振動管兩端的傳感器獲取振動信號，該信號被輸入到驅(qū)動電路中，經(jīng)過濾波放大后再傳遞給電磁激振器為振動管提供驅(qū)動力，從而驅(qū)動振動管振動，形成一個閉環(huán)回路，并使振動管穩(wěn)定持續(xù)振動，即建立起自激振動。

自激振動平衡的條件為

式（1）為幅值平衡條件。系統(tǒng)若要進(jìn)行自行振蕩，則必須滿足

假如不加入外部能量供應(yīng)系統(tǒng)，自激系統(tǒng)由于受到阻尼的作用，電磁激振器上的能量逐漸減小，致使不能滿足振動管持續(xù)振動所需的能量。因此需要一個能產(chǎn)生持續(xù)驅(qū)動力的驅(qū)動電路來保持振動管持續(xù)平穩(wěn)的振動，本文就驅(qū)動電路深入研究后，對其原有驅(qū)動電路進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

2 模擬驅(qū)動電路的組成

科式質(zhì)量流量計原有模擬驅(qū)動電路主要由電壓跟隨器、濾波電路、自動增益電路和功率放大電路組成[7]，如圖1所示。該電路在上電時由于信號比較微弱需要信號放大器對信號進(jìn)行初級放大，由于該儀表工作現(xiàn)場包含許多高頻干擾信號，因此信號初級放大后，應(yīng)被輸入到低通濾波器，以此從該信號中濾掉各種高頻噪聲信號。濾波后得到的信號輸入到自動增益控制電路系統(tǒng)，自動增益控制電路能自動穩(wěn)定信號電壓幅值。經(jīng)功率放大電路將穩(wěn)幅信號進(jìn)行能量放大后作為起振信號送入電磁激振線圈，驅(qū)動振動管起振，從而達(dá)到快速平穩(wěn)的起振效果[8]。

圖1 模擬驅(qū)動框圖Fig.1 Simulation drive block diagram

3 新型驅(qū)動電路改進(jìn)方案

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)離散元器件組成的電路存在眾多問題，由于離散元器件過多，電路處于工作狀態(tài)時，離散元器件之間產(chǎn)生干擾信號，引起停振現(xiàn)象；其次，科式質(zhì)量流量計存在振動性因素，離散元器件過多，可能由于振動造成個別單晶體管損壞，造成振動管不能起振，需要對眾多的離散元器件進(jìn)行逐一排查，為維修帶來很大的困難；最后，離散元器件過多，加大了驅(qū)動電路的體積，在有些狹小的空間就限制了科式質(zhì)量流量計的使用，并且安裝不方便。

針對上述問題本文研發(fā)了一種主要由電壓跟隨器、二階低通濾波器、自動控制集成芯片、電壓放大器和集成功率放大器等集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路，大大減少了離散元器件的使用，從而使電路在硬件設(shè)計上，有效地避免了由于離散元器件過多帶來的干擾，方便維護(hù)，大大提高了起振速度和工作的平穩(wěn)性，減小了科式流量計驅(qū)動電路體積。

4 新型驅(qū)動電路實現(xiàn)方法

驅(qū)動電路原理圖如圖2所示，是由OPA820、AD8367、TL084和TDA8943SF等集成芯片組成。檢測信號是通過一次儀表上傳感器得到的，信號經(jīng)電壓跟隨器傳輸?shù)津?qū)動電路，經(jīng)過二級有源濾波器，濾除高頻信號后，再送入AD8367自動增益控制芯片進(jìn)行穩(wěn)幅，從而有效地控制信號幅值，再經(jīng)過電壓放大器和TDA8943SF功率集成放大器進(jìn)行能量放大，最后送給一次儀表中的電磁激振器，從而驅(qū)動振動管的振動。

4.1 低通濾波器

由于科式質(zhì)量流量計驅(qū)動電路對信號頻率精度要求非常高，于是本電路就通過 R1、R2、R3、C2、C3、Rf和OPA820組成了一個二階低通濾波器。二階濾波器相對與一階濾波器而言，通帶衰減更快，而且隔高頻性能更好，對于科式質(zhì)量流量計這種利用低頻信號起振的設(shè)備，起到了良好的濾除高頻信號作用。 通過 C2、C3、R2、Rf可以設(shè)置濾波器的截止頻率，濾除系統(tǒng)不需要的高頻信號，截止頻率公式可以表示為

圖2 科里奧利質(zhì)量流量計新型驅(qū)動電路Fig.2 Coriolis mass flow meter new driver circuit diagram

本文所設(shè)計的二階低通濾波電路如圖3所示。

圖3 二階低通濾波電路Fig.3 Second-order low-pass filter circuit diagram

傳統(tǒng)驅(qū)動電路都采用一階濾波器，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是濾波特性不如二階濾波器濾波效果好。而科式質(zhì)量流量計需要起振頻率精度高，因此，對濾波器的截止頻率要求是非常高的。如使用一階濾波器來處理采集信號，其濾波效果不理想的話，直接影響振動管的起振速度。本文分別對傳統(tǒng)驅(qū)動電路用到的一階濾波電路和本研發(fā)電路所用到的二階濾波電路進(jìn)行了濾波效果仿真分析，并得到信號輸出仿真效果圖，如圖4所示。

圖 4（a）為傳感器輸出原始信號，4（b）為一階濾波器信號輸出波形，4（c）為經(jīng)本研發(fā)電路所用到的二階濾波器信號輸出波形。經(jīng)過測試結(jié)果本研發(fā)科式質(zhì)量流量計驅(qū)動電路采用二階濾波器也存在少量的高頻信號，與傳統(tǒng)離散元器件組成一階濾波器濾波后的信號還存在大量高頻雜波信號相比，具有良好的濾波效果。可見本研發(fā)科式質(zhì)量流量計采用二階濾波器對電路濾波起到了更好的效果，更有利于振動管快速平穩(wěn)起振。

圖4 原始信號與經(jīng)一、二階濾波器得到濾波信號比較Fig.4 Original signal and the first&second order filter for filtering signal comparison chart

4.2 自動控制增益芯片

科式質(zhì)量流量計驅(qū)動電路主要起穩(wěn)幅作用，穩(wěn)定幅值能更好地使振動管快速平穩(wěn)起振，因此本研發(fā)科式質(zhì)量流量計驅(qū)動電路采用一款自動增益控制芯片AD8367，該芯片內(nèi)部不僅集成了可實現(xiàn)單片AGC功能的方根檢波器，還具有可控制線性增益的高性能可變增益放大器，使其可以在100 MHz下的任何頻率穩(wěn)定工作[9]。利用芯片內(nèi)部集成檢波器配置成單片自動增益放大器，當(dāng)芯片有輸入信號時，檢波器將從DETO端輸出與輸入信號成比例的接受信號強(qiáng)度電壓。該接受信號強(qiáng)度電壓作為該自動增益控制芯片的控制電壓加到增益控制端GAIN，有效使輸出信號保持在一定幅值范圍內(nèi)，起到良好的穩(wěn)幅作用。當(dāng)MODE接地時增益會隨著電壓的增強(qiáng)而減弱、電壓的減弱而增強(qiáng)，其計算公式為

科式質(zhì)量流量計驅(qū)動電路的作用是對信號實時保持穩(wěn)定幅值，該芯片符合科式質(zhì)量流量計在啟動時弱信號變強(qiáng)和遇外界干擾時強(qiáng)信號變?nèi)醯奶攸c(diǎn)。在模擬驅(qū)動中，一次儀科式質(zhì)量流量計振動管相當(dāng)于一個低通濾波器，可實現(xiàn)固有頻率的實時自動滿足，因此，科式質(zhì)量流量計驅(qū)動電路只需對輸出信號起到良好的穩(wěn)幅作用。本研發(fā)科式質(zhì)量流量計驅(qū)動電路采用集成芯片AD8367，該芯片避免離散元器件之間繁雜耦合配合來滿足自動增益要求，只需添加一些簡單的外圍元器件，如圖5所示，就能很好起到穩(wěn)幅作用，從而也消除由于元器件過多，造成器件之間產(chǎn)生干擾現(xiàn)象。電容C5可有效地控制信號的輸出頻率，根據(jù)自己的要求匹配合適的電容截止計算公式為

圖5 自動增益芯片電路Fig.5 Automatic gain chip circuit

在圖2電路中，需對輸入輸出端口進(jìn)行阻抗匹配，該電路對芯片輸入端口加以射極跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，并對其進(jìn)行穩(wěn)幅測試。穩(wěn)幅測試：輸入頻率為65 Hz、幅值為100 mV～500 mV的正弦信號，C5電容設(shè)置為146 nF，用示波器對結(jié)果進(jìn)行測試，讀取輸出信號峰-峰值，改變信號發(fā)生器輸出信號幅值，測量輸出信號峰-峰值變化，計算誤差測試數(shù)據(jù)，幅值測試結(jié)果如表1所示。

表1 幅值測試結(jié)果Tab.1 Amplitude test results

科式質(zhì)量流量計驅(qū)動電路能保持幅值的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，經(jīng)過大量實驗測試，如表1所示，本設(shè)計電路采用自動控制增益芯片對信號具有良好的穩(wěn)幅效果。因此，該芯片完全符合科式質(zhì)量流量計驅(qū)動對幅值穩(wěn)定性的作用要求。

4.3 功率放大器

功率放大電路的作用是將輸入小功率信號進(jìn)行放大，為振動管提供足夠大的驅(qū)動力[10]。本電路摒棄了先前國內(nèi)外文獻(xiàn)提出的運(yùn)用離散元器件組成的功率放大器。因各離散元器件之間參數(shù)配合要求極為嚴(yán)格，元器件之間還存在著極大的干擾現(xiàn)象，干擾過大有可能會出現(xiàn)停振或不能起振現(xiàn)象。本設(shè)計電路采用TDA8943SF集成運(yùn)放功率放大器，如圖6所示，它是一種低電壓、低功耗功率放大器，主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[10]。這類單片集成電路芯片不僅提供輸出短路保護(hù)，而且具有閉鎖自由運(yùn)作功能。這樣節(jié)省了一些不必要的離散元器件組成的電路，避免了由于離散元器件的過多對信號產(chǎn)生干擾，影響科式質(zhì)量流量計快速穩(wěn)幅起振。

圖6 功率放大器Fig.6 Power amplifier

根據(jù)截止頻率公式：

計算出輸入端所需的電容和電阻的大小配合關(guān)系。

對TDA8943SF進(jìn)行Multisim仿真實驗，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。

圖7 功率放大仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of power amplifier

仿真實驗結(jié)果得出的實驗數(shù)據(jù)，表明該款集成功率放大器完全滿足科里奧利質(zhì)量流量計驅(qū)動管起振所需的能量。

5 電路測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

通過上述分析采用自行研制的驅(qū)動電路，與一次儀表進(jìn)行對接，將傳感器的輸出端接驅(qū)動電路的輸入端，驅(qū)動電路的輸出端接電磁激振線圈，用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，在Matlab中生成實驗數(shù)據(jù)曲線圖，如圖8所示。本文研發(fā)的驅(qū)動電路能在16 s左右使流量管平穩(wěn)起振，并達(dá)到期望的幅值，比由傳統(tǒng)離散元器件組成的驅(qū)動電路起振時間22 s速度快，如圖9所示。當(dāng)流量管穩(wěn)幅振動后，分別對由離散元器件組成的驅(qū)動和本文研發(fā)的驅(qū)動電路加以外界噪聲干擾，離散元器件組成的驅(qū)動電路需要3 s才能恢復(fù)到原來平穩(wěn)的狀態(tài)，如圖10所示。而本文所研發(fā)的驅(qū)動電路振動管瞬間偏離原來位置后，又恢復(fù)到原來平穩(wěn)狀態(tài)，如圖11所示，說明該電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能實現(xiàn)系統(tǒng)固有頻率振動，滿足科式質(zhì)量流量計驅(qū)動振動管起振所需要求。驅(qū)動電路實物圖如圖12所示。

圖8 本研究驅(qū)動電路起振實驗結(jié)果曲線Fig.8 Vibration curve graph of experimental results of the drive circuit

圖9 離散元器件組成驅(qū)動電路起振實驗結(jié)果曲線Fig.9 Vibration curve graph of experimental results of driving circuit composed of discrete components

圖10 離散元器件組成驅(qū)動電路加入干擾實驗結(jié)果曲線Fig.10 Curve graph of experimental results of driving circuit composed of discrete components after joining interference

圖11 本研究驅(qū)動電路加入干擾實驗結(jié)果曲線Fig.11 Curve graph of experimental results of the drive circuit after joining interference

圖12 模擬驅(qū)動主芯片電路實物Fig.12 Physical map of simulation driver main chip circuit

6 結(jié)語

實驗結(jié)果表明本文采用集成技術(shù)研發(fā)的科式質(zhì)量流量計驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，使流量管快速平穩(wěn)起振，且大大減少了科式質(zhì)量流量計驅(qū)動的體積，使攜帶、安裝更為方便，對以后研究科式質(zhì)量流量計模擬驅(qū)動具有一定借鑒和參考價值。

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