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涡街流量计中电荷放大电路的研究与设计

时间:2018/05/16来源:未知

通过对普遍使用于压电式涡街流量计上的电荷放大电路的深入理论分析和计算,对原有的电路进行了改进,提高了压电式涡街流量计对低流速流体的测量性能,从而降低了测量的下限值。 
 引言由于涡街流量计的原理相对简单,结构也不太复杂,因此最近几年得到了飞速的发展。但是涡街流量计发展起来的时间还不长,本身存在的一些问题仍然没有得到很好的解决。其中非常大的一个缺陷就是涡街流量计对低流速流体不是很敏感,当流速低的时候涡街检测不到流体的漩涡,这个缺陷的存在很大程度上限制了它的使用。本文通过对电荷放大电路的理论分析并结合涡街流量计自身的特点对原有的电荷放大电路进行了改进。


更多还原1、电荷放大器的原理:
 稠压电式涡街流量计的工作原理是:当流体流过涡街发生体的时候在流体中产生漩涡,漩涡产生向上的升力,检测元件把受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上,转换成交变的电荷信号,经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。电荷放大电路的核心是将压电晶体上受力产生的电荷转换成电压信号。它的电路结构如图1所示。
图1 电荷放大器原理 图

通过 电路 图利用 基尔霍夫 电流定律 可 以得 出如下 电流关系:
计算公式

—压 电晶体产生 的等效电压,外cs—信号源等效电容,凡C—电缆之 间的分布电容,o F将下 面两 个公式代人 ( 2 ) 式
计算公式

    从以上理论分析可以得出以下结论:当运放的开环增益足够大,下限频率足够低时,输出电压正比与输人电荷量,这就是电荷放大器的原理。

2、改进的电荷放大电路:
2.1、改进后的电路图:
 通过对电荷放大电路的原理研究并结合涡街流量计本身的一些特点作者设计出了如图2所示的电荷放大电路。本电路的主要特点是采用差动放大,而且为了增加本电路的电压信号的幅值和避免由于接地而使低于地电位的有用信号丢失,在电路中引人了一个直流电平,有效的避免了信号在传输过程中被削波。如下图所示运放A:和电阻R,,  R4组成了电压跟随电路,使输出电平能很好的稳定在某一值上,电阻R6和电容C,。可以抑制电源引起的干扰。
图2涡街流量计电荷放大电路
2.2、理论分析:
   下面对改进电路进行分析,在理论上证明改进后的电路得到了优化。电路中Es为输人的差动电压,Vc为共模输人电压。因为
计算公式
    式中:—电容C的容抗;戈,—电容C3的容抗。    因为从凡、C流过的电流与从R, C,.流过的电流相等所以可以得到公式:
计算公式

    由以上理论分析可以看出,运用差动输人选择好外电路的匹配条件能够很好的抑制共模输人信号,且闭环的增益仅由外部回路电阻之比决定,而与外部放大器本身的参数无关,选择不同的比值

计算公式就能得到不同的闭环增益K。由前尺,+X,面的公式(5)和本电路分析的公式(11)可以看出X}r应该取的很小一般为几百pf,  Rr应该用特高阻值电阻一般为十几M S2阻值才能满足电路的要求。由于得到特高阻值电阻比较困难,因此r可以用梯型电阻网络来实现。 涡街流量计中压电晶体所受压力与涡街的频率的平方成正比,即
计算公式
计算公式

    通过以上的分析可以知道,通过选择合适的Rn , G , Rr,  Cr可以得到所需的幅频特性。
    本文通过对整个电荷放大电路的理论分析后,利用所得出的理论结果并且兼顾到实际应用中的具体情况来取电路的各个参数值,设计出了应用于压电式涡街流量计上、性能优良的电荷放大电路。

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