涡街流量计信号放大电路

1 涡街流量计简介

1.1 涡街流量计在现代工业生产中的重要意义

随着现代社会经济与科技的飞速发展，工业生产的方式也发生了天翻地覆的变 化。其中，自动化程度的不断提高是现代化工业的重要特征之一。各种自动控制系统 在现代工业生产中发挥着越来越重要的、无可替代的作用。同时一个工厂自动化程度 的发展，以及自动控制系统的先进程度，也成为衡量一个工矿企业综合实力的重要标 志。而目前的各种自动控制系统，都需要及时的获取对生产过程各种参数信息如（压 力、温度、流量等）的测量数据，并对这些数据进行分析处理，而后再进行自动调节 及控制。因此能够对各种过程参数进行检测的各类自动检测仪表就成为自动化控制系 统完成其控制功能的关键。在各种被控生产过程参数的测量中，流量的测量是最重要 组成部分之一，在制药、食品、造酒、化工等产业中，为了节省能源、提高经济效 益、提高产品质量，均需要对各种流体（如水、蒸汽、煤气、天然气、石油等）流量 进行精确、及时的测量和严格的控制，这样就对各种流体流量的测量之精确性提出了 越来越多和越来越高的要求。因此，高性能流量计在现代工业生产中的地位及其重要 性就变得极为突出。

到目前为止,现代工业生产中所使用的流量计测量方法和种类繁多。其测量原理各 不相同，可以分别应用于各种不同工况下的流量测量。在这些流量计中，力学原理流 量计是一类最为常见，也是最为常用的一类流量计。通常，力学原理流量计根据其具 体测量原理的不同又可以分成以下三大类：差压式流量计，容积式流量计，速度式流 量计^[1] 。

这三类流量计中，速度式流量计是种类最多、发展最为迅速的流量计。该种流量计首 先通过某种方法测出流体的速度，而后根据流体流速、管道直径与流量之间的换算关 系得出被测流体的流量值，如涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计都是较典型和较 为常用速度式流量计^[1] 。在这几型流量计之中，涡街流量计具有量程范围宽（最大测 量流量与最小测量流量值之比可以达到100：1）、无机械可动部件、磨损小、压力损 失小等优点，于此同时，涡街流量计的流量测量几乎不受被测流体的组成、密度、粘 度、压力等因素的影响，因此其测量精度（ ， ≤ ,其中 为

引用误差， 为刻度示值误差， 为量程， 为精度等级）较高，可达到0.5或1级， 现在已经成为流量测量仪表中最为重要的组成部分之一，在现代化工业生产的流量测 量与控制中发挥着越来越大的作用^[1] 。

1.2 涡街流量计的基本测量原理

涡街流量传感器利用卡门涡街原理来检测蒸汽、气体及低粘度的液体的流量。如 图2.1所示，涡街流量计的内部，在与流体流向垂直的方向装有一个迎流面为钝体的柱 体旋涡发生体，当被测管道内的流体流过旋涡发生体时，在其后方两侧交替地产生两 列旋涡 (称之为卡门涡街)。漩涡产生的频率可以使用压电传感器探头进行测量，压电 探头固定在旋涡发生体后并相隔一定距离。当方向交变的流体漩涡作用于探头之上 时，产生

图2.1 涡街流量计原理图

方向交变的的横向应力，在横向应力的作用下，探头将会产生一定的形变量，进而引 起探头所带电荷发生变化，进而产生微弱电荷（电压）信号，后继信号处理电路通过 对该微弱电压信号进行检测处理即可得到被测流体介质漩涡产生的频率^[1] 。当管道内 流体的雷诺数 （流体的雷诺数是判断管道内流体流动是层流还是湍流的依据，其计

算式为 ，其中D为流体管道直径， 为流体的流速， 为流体的动力粘度， 的单位为 ，一般认为当管道内流体的雷诺数小于2320时，为层流状态^[1] ）在2×10 ～7×10 时，旋涡所产生的频率 与流体介质的平均速度 及旋涡发生体的迎流面宽 度d之间的关系为：

式中 为斯特劳哈尔数，它是无量纲常数，当 =2×10 ～7×10 时，它的值约为 0.15～0.22。通过压电元件检测出旋涡产生的频率 ，就可计算出平均流速 ，而体 积流量与流体速度的关系为

（2.2）

其中 为测量管道直径，这样就可以确定管道内的瞬时体积流量。经过科技人员的实 验研究，瞬时体积流量与卡门漩涡频率之间的关系可总结概括为： ，其中 为

，其中 为

仪表系数，其计算式为

= 此外仪表系数的值还可以通过实验获取，即 [2]。

1.3 涡街流量计的国内外应用现状及亟待解决的问题

1.3.1 涡街流量计产生及其发展

早在1878年，著名流体力学专家斯特劳哈尔就通过大量的实验发现了管道内流体 振动频率与流体流速之间的对应关系，并进行了利用这一原理对流体流量测量的初步 尝试，虽然未能制造出一型真正能够测量流量的流量计，却为涡街流量计的产生进行 了理论上的准备。到了20世纪60年代末，人们开始了真正意义上的早期型号涡街流量 计的研制工作，但这一时期的涡街流量计在测量精度上较大问题，因此只是在小范围 内投入使用。然而进入20世纪70、80年代后，涡街流量计由于其独有的特点而受到普 遍重视并得到了迅速发展，大量型号的涡街流量计被开发出来，并迅速的投放市场。

我国是世界上较早引进并生产涡街流量计的国家之一，早在20世纪80年代后期就 从德国引入几种型号的涡街流量计，随后即开始自行开始了涡街流量计的研发工作， 从而使我国的涡街流量计设计和制造水平得到不断提高。据不完全统计，目前我国约 有30～40家厂家能够独力研制并生产涡街流量计。生产的某些型号已经达到了国际领 先水平。

1.3.2 涡街流量计存在的问题以及前置放大电路的意义

由于涡街流量计具有原理及结构相对简单，程范围宽，无机械可动部件，压力损 失小，流量测量几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响，测量精度较高 等独特的优点，因此在最近几年得到了飞速的发展，广泛应用于化工、食品、制药、 造酒等产业的液体、气体和蒸汽的流量测量^[1] 。但在另外方面，涡街流量计的发展时 间相对较短，其本身仍然有一些问题没有得到很好的解决。目前困扰着人们的主要是 两方面问题：一是由于涡街流量计的使用现场环境较为复杂, 流体的冲击,管道的振

动, 以及周围存在的电磁场, 都对流量的测量造成了极大的干扰，这一问题目前只能 通过高性能的信号放大电路进行解决；二是虽然涡街流量计的测量量程宽，但在实际 应用中，其对小流量的反应并不敏感，产生的压电信号极弱，使得流量测量精确度下 降和抗干扰能力均大幅下降^[3] 。为了提高小流量的测量精度，目前人们大多采用变径 管缩径的方法提高测量处管道内流体的流速，以使管道内流体流速能够达到使涡街流 量计正常工作的范围。但这种方法必须在变径处与测量仪表之间安装大于15倍管径长 度的直管段进行整流，否则在变径处所产生大量旋转流团会增加流量计的测量干扰， 但安装过长直管段的同时也将给流量计的安装和使用造成极大的不便，因此第二方面 问题的解决最终也要依靠高性能的信号放大电路才能够得以解决。

1.4 前置信号放大电路的主要功能及其要求

1.4.1 涡街流量计信号放大模块的设计要求

由于涡街流量计的测量原理可知，涡街流量计是根据检测到的频率值换算流体流 量的流量检测装置。因此，对涡街探头所输出信号的频率进行准确的测量就成为涡街 流量计信号放大电路的主要功能。此外，还要通过静态水容积检定实验对不同检定点 的仪表系数进行标定。设计要求仪表线性度误差不超过1%，重复性误差不超过线性度 误差的1/3～1/2。

1.4.2 放大电路设计的主要内容

1）流体通过漩涡发生体后将会产生，卡门漩涡作用于探头上的横向应力在压电效 应的作用下会产生微弱的电荷（电压）信号，对于这部份信号要通过电荷放大器对其 进行放大并输出。

• 2）用负反馈放大电路对电荷放大器输出的电压信号进一步放大并输出。

• 3）设置低通滤波器，对信号中的高频干扰进行衰减滤波。

• 4）设置滞回比较器整形电路，将信号转换成规则的方波信号以便进行频率的测

量。

4）当整体放大电路版设计完成之后，焊接电路，并利用宏业公司提供的静态水容 积法流量标准装置进行检定实验检验放大电路是否满足设计要求以进行进一步的修改 工作。

2 涡街流量计信号放大电路板设计

2.1 总体的设计流程图

设计流程如图3.1所示，包括压电传感器、防爆保护电路、电荷放大电路、二级放

大电路、低通滤波器、整形电路、电源变压电路、基准电压电路的设计。

2.2 集成运算放大器选型

2.2.1 集成运算放大器选型的基本原则

集成运算放大器是构成电子电路的核心元件，在集成运算放大器的输入与输出端 之间分别接入各种不同的反馈网络,就可以构成各种能够实现不同用途的电路,如信号 放

压电传感器
防爆保护电路
电荷放大电路
电 基
源 二级放大电路 准
变 电
压 压
电 电
低通滤波器
路 路
整形电路
频率输出

图3.1 电路设计方框图

大电路、信号运算电路、信号滤波电路、滞回比较器电路等，因此选用合适的集成运 算放大器就成为放大电路设计的关键，集成运算放大器种类繁多，性能各异，可分别 应用于不同设计需要情况下的集成电路的设计，在没有特殊设计要求的一般情况下， 应当尽量选取通用型集成运算放大器，这样就可以尽最大可能降低成本，而且能够保 障充足的货源供应^[4] 。此外，当某系统的设计中需使用到多个运算放大器时,应当尽量 选用多运算放大器集成电路，以简化设计，降低工作量，易于设计电路的批量生产 [6]。

2.2.2 集成运算放大电路的性能评价指标

在一般情况下，在选用集成运放时，人们通常以集成运放的差模开环放大倍 数 、压摆率 SR 、输入失调电压 、输入失调电流 可为主要参考指标。其中差 模增益的表达式为：

（3.1）

它的值通常很高，可达几十万。 为集成运放在交变大幅值的信号作用下，输出电压 值随时间的变化率的最大值（ ），其单位为V/ms，这一指标主要反映在

幅值较大的交变信号作用下集成运放工作的反应速度，也就是说， 值越大，该运算 放大器的交流特性就越好，从另一方面来说，只有当输入交变信号随时间变化率的最 大绝对值小于该集成运方的 时，方可选用该集成运放^[4] ， 为输入失调电压，单 位是mV， 为运算放大器的输入失调电流，其单位是 ，它们是使运算放大器输出

电压或电流为零时在输入端所加的补偿电压或电流，它们的值越小表明运算放大器的 对称性越好，此外， （ ）还是衡量一个运算放大器温度漂移（在放大电路

中，温度的变化会引起半导体器件参数的变化，因此即使将输入端短路，用灵敏的直 流表测量输出端，也会有变化缓慢的输出电压，这种输入电压为零而输出电压不为零 且缓慢变化的现象，称为零点漂移现象，在前后级直接相连的放大电路中，前一级的 漂移电压会和有用信号一起被送到下一级，而且逐级放大，以至于有时在输出端很难 区分什么是有用信号、什么是漂移电压，导致放大电路不能正常工作 ，故而温漂越 小，电路性能也就越好，通常可以在放大电路各级之间加装电容以抑制温漂，加装电 容后，这种缓慢变化的漂移电压就将降落在电容之上，而不会传递到下一级电路进一 步放大）的主要指标，其值越小，表明该运算放大器的温漂越小^[4] 。综合说来，可以 认为 和 的值越小，该运算放大器的质量就越好。除此之外，在实际电路设计选 择用集成运算放大器时，还需要考虑集成运算放大器正常工作供电电压及使用功耗等 因素^[6] 。

2.2.2 集成运算放大器的电源供给方式

目前在大多数电子电路中，集成运算放大器均采用对称双电源供电方式进行供 电，这种供电方式即将正电源与负电源分别接于运算放大器的+VCC和-VEE管脚上，而 信号源则与运算放大器的输入引脚直接连接。

2.2.3 集成运算放大器的调零

对于任何型号的运算放大器，均不可避免的会有输入失调电压及输入失调电流的 存在,因此当由运算放大器的输入信号为零时,其输出信号往往却不等于零，这样就给 集成运放的使用精度造成了极不利的影响，因此必须对运算放大器进行调零，某些集

成运算放大器有内部调零设施,可以自动进行内部调零，当集成运算放大器没用内部调 零设施时,就要通过设置补偿电流或补偿电压进行外部调零^[4] 。

• 2.2.4 放大电路集成运算放大器的选型

TL064型低功耗运算放大器，其工作电压为5V直流电压，消耗电流为50～250mA， SR约为50～70V/ms，输入偏置电流约为200nA,输入失调电压约为为2mV，输入失调电 流约为20nA,科技工作者经过大量实验研究，认为TL064型（四路）低功耗运算放大器 的性能指标能够满足街涡流量计放大电路信号测量的要求。TL064引脚如图3.2所示。

图3.2 TL064运算放大器引脚图

2.3 电源电路的设计

涡街流量计信号放大电路中所使用的TL064型运算放大器的正常工作电压是5V的直 流电压，而我国目前的各类工业生产现场，对流量计等各类检测仪表统一采用24V的直 流电源进行供电。因此不能直接将放大电路连接到现场电源对进行供电，而是必须设 计相应的电源电路将现场电源提供的24V直流电压转变成为5V的直流电压，才能保障集 成运算放大器的正常工作。采用两个三端正稳压器就能实现电压的转变。

• 2.3.1 CW78L00系列三端正稳压器简介

CW78L00系列是十分常用的三端固定正稳压器。其最大输出电流为0.1A，（L即表

示最大输出电压为0.1A，AM表示最大输出电流为0.5A,无字母标识的稳压器一般最大输 出电流为1.5A）且有内部过流、过热以及过载保护功能，使用安全可靠。其输入电压

要求为7 V 以上的直流电压，输出端电压为固定值，有 5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V（L后面的数字即表示稳定输出的电压值） 等档次，其引脚图如图3.3所示，公共端一般于地极相连。

图3.3 CW78L00系列三端正态稳压器的引脚图

2.3.2 涡街放大电路板电源电路设计

采用两个CW78L00系列稳压器即完成稳压电路的设计。首先用CW78L12型稳压器可 以将24V的直流输入电压转变成为12V的直流输出电压。而后用CW78L05型稳压器 将CW78L12输出的12V直流电压转变为5V的直流电压，该5V电压就可以作为TL064低功耗 运算放大器的工作电压。电源电路设计电路图如图3.4所示，其中电容 和 是高频 滤波电容， 和 为低频率波电解电容，当稳压管的输出端出现交流杂波时，将通过 滤波电容滤除。 稳压二极管的作用是为了防止稳压管输入端输入信号消失时,输出 端电容存储的电荷回流对稳压器造成损坏。

图3.4 电源电路设计图

2.4基准电压供电电路的设计

为使运算放大器能够正常工作，还需要为其提供2.5V的直流基准电压。使用 TLE2425C稳压管（稳定输出电压为2.5V）即可以将78L12三态稳压管输出的12V直流电 压转变为稳定的2.5V直流输出电压，作为运算放大器的基准电压。其设计电路图如图