渦街流量計傳感器設計的關鍵性技術在于3個方面:1、傳感器表體設計。當流體經過時,產生穩定的卡門渦街信號;2、傳感器探頭的設計。將壓電陶瓷封裝在探頭內,卡門渦街信號作用于探頭時,探頭內的壓電陶瓷將渦街信號變成渦街電信號;3、前置放大電路設計。將渦街電信號放大、濾波、整形變成相應的脈沖信號。
渦街傳感器信號的采集與變換電路即前置放大電路。它的任務是將檢測元件(壓電陶瓷傳感器)提供的微弱電荷信號經過前置放大器處理獲得有效的渦街脈沖頻率信號,并將此信號經電路處理成可供顯示儀表顯示的瞬時流量和累積流量(體積流量或質量流量)。本系統使用的渦街傳感器是武漢市公司生產的PZT-5、PLN和PNTB型壓電陶瓷檢測頭,其結構如圖3一1所示。
前置放大電路由電荷放大器、圖3-1渦街傳感器結構交流放大器、二階有源低通濾波器、限幅器以及施密特整形器組成。設計時要求電路中所選擇的運算放大器具有低漂移、寬頻帶、高增益和高輸入阻抗等特性。通過查閱大量運算放大器的選型資料,并參考國內外相關儀器電路,選出單增益放大器MAX4454、儀表放大器INA2321、低功耗運算放大器TLC2254和TLC27L4進行性能測試。依據不同的運算放大器設計了各自的渦街流量計信號采集電路試驗板,通過試驗比較發現,MAX4454更適合濾波器設計,用作電荷放大很不理想,而且該芯片價格昂貴,市場存貨少,采購風險較大;mA2321是儀用放大器,具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比的特性,是電荷放大的理想選擇,卻不適用于后級的濾波和整形電路;TLC2254雖然具有更高的輸入阻抗和軌對軌輸出功能,但其每個運放35件A的靜態功耗是電池供電設備難以承受的。最終我們選擇了TI公司生產的運算放大器TLC27L4,它不僅滿足上述要求,而且功耗很低,常溫下工作電流最大僅為15泌;工作電源范圍較寬,電源電壓低至3v仍可繼續工作;該運放為單電源供電,雖然不像雙電源供電的運放那樣有較寬的動態范圍,但是可以通過提高電壓參考點至電源電壓的1/2處,避免波形在負半周期時出現飽和失真或截至失真。以下各節對前置放大電路各部分予以討論。
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