流量標準裝置前端脈沖信號處理方法

韓義中，官志堅

(中航長城計量測試(天津)有限公司，天津300457)

0 引言

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

流量計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準0～5 V或4～20 mA等輸出信號，采用數(shù)字多用表等可進行直接測量，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)備進行讀數(shù)。直接顯示輸出采用人工讀數(shù)的方法進行數(shù)據(jù)記錄。脈沖信號輸出類流量計則需要額外的轉(zhuǎn)換電路將各種方波脈沖信號轉(zhuǎn)換為標準的TTL信號，然后接入到流量標準裝置的計數(shù)器進行數(shù)據(jù)采集。本文就是針對流量標準裝置前端脈沖信號處理部分常見的問題展開研究，確保將不同流量計輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為標準的TTL信號并消除干擾。

1 流量標準裝置前端脈沖信號處理常見問題

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

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

目前流量標準裝置前端信號處理電路多采用單一比較電壓進行比較，很多特殊幅值的流量計無法直接處理，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。常用流量計的低電平輸出接近0V，但2線制脈沖輸出類流量計等特殊形式的流量計則有其獨特性。圖1為典型兩線制渦輪流量計脈沖輸出接線圖，表1為國產(chǎn)LWGY渦輪流量計輸出幅度與負載電阻關(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可以看出負載電阻不同影響其輸出電壓也不同，綜合常規(guī)流量計以及兩線制流量計的特點，選取可變門限電壓變化范圍為1～12 V，可滿足絕大多數(shù)流量計的波形比較要求。

2.2 可變門限比較電路設(shè)計

比較電路一般可通過通用運算放大器或?qū)Ｓ帽容^器實現(xiàn)。比較器比通用運放的開環(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

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

3.1 脈沖信號干擾分析

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

在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐。當流體通過管道時沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。當渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時，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電源時與TTL電平兼容。

同時考慮到LM311的高帶寬以及流量計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 渦輪流量計結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖4 某流量計實際受干擾后信號

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，在單個周期內(nèi)產(chǎn)生多個多零點。而流量計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。在正弦波真實的過零點處除了高頻干擾，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，使后端計數(shù)器無法工作。

對流量計脈沖信號分析可知，疊加于流量計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方波信號要高很多，即尖峰干擾的脈寬與流量計方波信號相比很窄。利用這一特點從切斷干擾傳播路徑人手，設(shè)計一種脈寬數(shù)字濾波電路，當脈寬小于某一設(shè)定值時，不可能是真實的流量計脈沖信號，因此給以濾除。在本設(shè)計方案中，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，部分較強干擾信號不能與流量計脈沖信號分離;太大將會使流量計信號失真。

渦輪、容積式等直接感應式流量計產(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

脈沖寬度濾波電路設(shè)計如圖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計數(shù)器，在正周期時U1處于復位狀態(tài)輸出=0，U2處于計數(shù)狀態(tài)，此時U2對CLK1M(1MHz時鐘，對應的濾波時間常數(shù)128μs，濾波頻率為3.9KHz)計數(shù)，當正周期持續(xù)時間大于濾波寬度時U2輸出高電平，當正周期持續(xù)時間小于濾波寬度時U2不可能輸出高電平。

圖5 脈沖寬度濾波主體電路

同理，在負周期時U2處于復位狀態(tài)輸出=0，U1處于計數(shù)狀態(tài)，此時U1對CLK1M計數(shù)，當負周期持續(xù)時間大于濾波寬度時U1輸出高電平，當正周期持續(xù)時間小于濾波寬度時U1不可能輸出高電平。

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

4 實驗驗證

采用Agilent33120信號源、DS1102E示波器對本設(shè)計進行測試，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)過干擾的流量計進行實際測試，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，可大大提高流量標準裝置對不同脈沖輸出類流量計數(shù)據(jù)采集的適應性與抗干擾能力。原理與結(jié)構(gòu)簡單，無需對現(xiàn)有的流量計標準裝置采集系統(tǒng)進行改造，簡單串入即可，具有良好的應用前景。

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