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新型涡轮流量计传感器预处理仪|工作原理|计算公


文章日期:2017-10-26|阅读数:


摘 要:本文设计出一种新型涡轮流量计预处理仪,可以将经过(几百米)长线传输的传感器毫伏信号进行处理,***终转换成TTL电平与PC机相连接。与传统的方法相比,本转换电路将浮置放大器、有源滤波器、自动增益控制电路、双层屏蔽结构巧妙的结合起来,使得整个系统具有很强的抗干扰能力。可以确保测量的准确度,大大提高测量工作的可靠性。此新型涡轮流量计预处理仪主要用于航天新型号火箭发动机测试中,还可广泛应用于需要精密测量的不同领域。
  Abstract: This paper designed a new turbine flowmeter pretreatment apparatus, which can process the sensor millivolt signal that long-term (several hundred meters) transmitted, ultimately converted into TTL level and connected to the PC. Compared with traditional methods, this conversion circuit combined with floating amplifiers, active filters, automatic gain control circuit and double shield structure cleverly, making the whole system has a strong anti-interference ability. This new instrument can ensure the accuracy of the measurement and improve the reliability of the measurement work greatly. This new type of turbine flow meter is mainly used for new model aerospace rocket engine test, but also widely used in different areas where required precise measurements.
   Keywords: millivolt; active power filter; common mode rejection ratio

0、引言:
  在一些高精度非电量的检测中,例如流量的测量,转数的测量等领域,其传感器的输出信号是毫伏级的,尤其在航天火箭测量领域传感器输出信号需要经过(几百米)长线传输,要想将有用信号提取出来,必须要进行隔离、放大、转换处理,目前处理这样的电路很多,但是难以满足火箭发动机现场测试苛刻要求,这些干扰包括:临频的干扰、噪音的干扰、共模的干扰以及波形畸变的干扰等等。为了实现将有用信号的成功检测并转换,有效地通过计算机检测、控制,保证系统正常运行。这种电路必须具有以下特点:1) 可以检测的信号范围要宽,小至几个毫伏大到几伏;2) 必须从鱼龙混杂的微小信号里检出有用的频率信号;3) 可以抵抗异地测量中存在的各种干扰,尤其是共模干扰;4) 检测出的信号与输出到计算机系统的 TTL 信号不能共地,进行隔离。

1、预处理仪原理:
图 1  预处理仪原理框图
1  预处理仪原理框图
  图 1 是信号处理仪原理框图,从图中可以看到信号的处理过程,一个浮置的信号首先进行低通滤波处理,将高于基本频率二倍以上的各种频率信号阻挡在外,对于大信号进行限幅处理,而对于小信号则进行放大,这个放大分为两级,级是将输入平衡信号转换成对地信号,该级具有足够的增益,第二级是一种具有自动增益控制的放大,可以根据信号的大小自动处理成所需要的 TTL 信号,或是模拟信号。经过放大处理的信号还要经过二阶有源滤波器,进一步对有用信号进行过滤和筛选,之后将信号进行双向限幅再用光耦进行隔离 TTL 输出,输出 2 是直接模拟信号输出。其中电路工作是否正常可通过自动控制电路以发光二极管进行指示。

2、电路设计:
2.1、输入平衡转换电路:

 图 2 是将输入平衡信号转换为对地信号电路 [1,2],其工作原理见以下推导过程。
平衡器计算公式


令 R1=R2=R3=R4=R, 放大器为理想放大器则有:VINA/R=(VX—VINA)/R;(VANA—VX)/R=(VOUT—VINB)/R,联立解方程后得到:VOUT=2(VINB—VINA)。从中可以知道,输出信号是对地的,其值是 2 倍的二个输入信号之差。
图 2  输入平衡转换电路

图 2  输入平衡转换电路

2.2 、自动增益控制放大器:
  图 3 是自动增益控制电路[5],其工作原理如下:当输入信号加到 N1A之后,其输出信号经过 C6的耦合作为输出,但是这个信号被 D1、D2整流后,与经过 N2B进行 1 比 1 放大的信号共同进入 N2A,在这点的信号是一个具有一定直流分量的脉动直流,其直流分量来自于 R9。N2A在这里是一个积分器,它将输入的脉动直流进行积分处理,之后输出一个直流电平,如果输入信号越大的话,这个直流电平则越负,反之则负的小。V1是一个场效应晶体管,其工作在负栅状态,积分器的输出越负,
V1的源漏间的等效电阻越大,致使 N1A的增益越低,从而使得***后的输出变小,由于这个负反馈作用,使得输出信号的幅值得到稳定。如果被稳定信号的范围大,可用两级这样的电路共同完成,实践证明效果非常明显。
图 3  自动增益控制放大器
图 3  自动增益控制放大器

2.3、有源滤波器:
  一阶有源低通滤波器在阻带内增益衰减较慢往往不能满足需求,高阶有源低通滤波器效果好但稳定性差,零极点多,综合考虑采用二阶巴特沃思(Butterworth) 有源低通滤波器[2,3],可以进一步抑制干扰和噪声提升仪器性能,图4 是二阶巴特沃思(Butterworth) 有源低通滤波器原理图。
图 4  二阶巴特沃思有源低通滤波器原理图。

图 4  二阶巴特沃思有源低通滤波器原理图。

  令 Q=0.707,本文设计的二阶有源滤波器截止频率分别为 0.5k Hz、1k Hz、5k Hz, 需用波段开关进行切换,阻带衰减不小于 -40d B/10oct, 可以通过上述公式和技术要求计算出相应的电阻电容值,但在实际使用中可能会有误差,一般还要在电路调试时***终确定实际值。

2.4、结构设计:
 整个机器采用双层屏蔽结构。输入信号通过屏蔽电缆接入,机箱为全铝合金机箱接大地,内部的1毫米铁屏蔽盒、屏蔽板分别将每块电路板进行屏蔽保护,信号地、屏蔽地、大地接地点都要严格按工艺要求连接 [4]。图 5 是抑制共模干扰的屏蔽结构示意图,图中的 C1 是机壳和电路之间的分布电容,该电容由于有保护屏蔽盒的隔离,所以非常之小,因此其容抗ZC1=1/JωC1 则非常之大.在异地测量的过程中,往往存在很大的共模干扰 Vcm图中的 R0 是屏蔽线的等效电
图 5  双层屏蔽结构原理图
5  双层屏蔽结构原理图
  阻,RhRb 是信号线的等效电阻,这些电阻与 ZC1 相比要小的很多,因此,干扰信号几乎到不了放大器的输入端。另外干扰信号 Vcm 还要被机壳和保护屏蔽盒之间的等效电容 C3 分掉很大一部分,这就使得共模干扰作用进一步削弱,这种屏蔽技术可以广泛地应用于各种微弱信号测量及数据测量系统之中。

3、结束语:
 使用该电路方案为中国航天研制的某型号涡轮流量计信号预处理仪输入信号范围为 10mV-5V(rms) 的正弦波、三角波,输出转换成与输入频率相同的 TTL 电平 (3.5-5V);有源滤波 ( 二阶巴特沃斯 ) 截止频率分为 0.5kHz、1kHz、5kHz;仪器共模抑制比不小于 80dB。该项目主要用于航天新型号火箭发动机性能测试。已取得国防科技计量站计量合格证书,并通过搭载试验,已装备火箭研制、测试平台。


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