摘要:通過(guò)對(duì)普遍使用于壓電式渦街流量計(jì)上的電荷放大電路的理論分析,對(duì)原有的電路進(jìn)行了改進(jìn)。在電荷放大電路中應(yīng)用差動(dòng)放大和引入直流電平的方法,提高了壓電式渦街流量計(jì)對(duì)低流速流體的測(cè)量性能，從而降低了測(cè)量的最低下限值,并且提高了測(cè)量精度和抗干擾能力。將改進(jìn)后的渦街流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明,改進(jìn)后的渦街流量計(jì)的測(cè)量下限從改進(jìn)前的22.3m³/h下降到18.5m³/h,最低下限處的不確定度從0.28%下降到0.165%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明改動(dòng)是有效的。
0引言
由于渦街流量計(jì)的原理相對(duì)簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)也不太復(fù)雜，因此最近幾年得到了飛速的發(fā)展。但是渦街流量計(jì)發(fā)展起來(lái)的時(shí)間還不長(zhǎng),本身存在的--些問(wèn)題仍然沒(méi)有得到很好的解決。其中非常大的一個(gè)缺陷就是渦街流量計(jì)對(duì)低流速流體不敏感,當(dāng)流速低時(shí)渦街檢測(cè)不到流體的旋渦,這個(gè)缺陷的存在很大程度上限制了它的使用。工業(yè)中.常用的渦街流量計(jì)檢測(cè)旋渦頻率的方法是,在發(fā)生體尾部放置一個(gè)壓電晶體,當(dāng)有旋渦產(chǎn)生時(shí)會(huì)因?yàn)閴毫Φ淖兓箟弘娋w產(chǎn)生電荷信號(hào),然后通過(guò)電荷放大電路將電荷信號(hào)放大。因此電荷放大電路的優(yōu)劣直接影響渦街流量計(jì)的性能好壞問(wèn)。本文通過(guò)對(duì)電荷放大電路的理論分析并結(jié)合渦街流量計(jì)自身的特點(diǎn)對(duì)原有的電荷放大電路進(jìn)行了改進(jìn),并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證,得到了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1電荷放大器的原理
壓電式渦街流量計(jì)的工作原理是:當(dāng)流體流過(guò)渦街發(fā)生體的時(shí)候在流體中產(chǎn)生旋渦,旋渦產(chǎn)生向.上的升力,檢測(cè)元件把受到的升力以應(yīng)力形式作用在壓電晶體元件上，轉(zhuǎn)換成交變的電荷信號(hào),經(jīng)電荷放大、濾波、整形后得到旋渦頻率信號(hào)。電荷放大電路的核心是將壓電晶體.上受力產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
通過(guò)電路圖利用基爾霍夫電流定律可以得出如下電流關(guān)系:
I2=-i1+i2（1）
根據(jù)歐姆定律可以把式（1）寫成如下格式：
式中:Rƒ為反饋電阻;Cƒ為反饋電容;V0為輸出電壓;Vt為輸入電壓;Es為壓電晶體產(chǎn)生的等效電壓;Cs為信號(hào)源等效電容;Ce為電纜之間的分布電容。
將下面2個(gè)公式代入式(1):
從以上理論分析可以得出以下結(jié)論:當(dāng)運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益足夠大,下限頻率足夠低時(shí),輸出電壓正比與輸入電荷量,這就是電荷放大器的原理。
2改進(jìn)的電荷放大電路
通過(guò)以上對(duì)電荷放大電路的原理研究并結(jié)合渦街流量計(jì)本身的一些特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)出了如圖2所示的電荷放大電路。本電路的主要特點(diǎn)是采用差動(dòng)放大,而且為了增加本.電路的電壓信號(hào)的幅值和避免由于接地而使低于地電位的有用信號(hào)丟失,在電路中引入了一個(gè)直流電平,有效地避免了信號(hào)在傳輸過(guò)程中被削波。如圖2所示,運(yùn)放A2和電阻R3、R4組成了電壓跟隨電路,使輸出電平能很好地穩(wěn)定在某一值上,電阻6R和電容C10可以抑制電源引起的干擾。
3實(shí)驗(yàn)研究
為了對(duì)改進(jìn)后的渦街流量計(jì)電荷放大電路的性能進(jìn)行測(cè)試,在氣體裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并與改進(jìn)前的渦街流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,改進(jìn)后的渦街流量計(jì)在測(cè)量下限從改進(jìn)前的22.3m³/h下降到18.5m³/h,最低下限處的不確定度從0.28%下降到0.165%,因此可以看出改進(jìn)后的電荷放大電路使渦街流量計(jì)本身的性能得到了提高。
4結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)整個(gè)電荷放大電路的理論分析,利用所得出的理論結(jié)果并且兼顧到實(shí)際應(yīng)用中的具體情況來(lái)獲取電路的各個(gè)參數(shù)值,應(yīng)用于壓電式渦街流量計(jì)上性能優(yōu)良的電荷放大電路,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)的結(jié)果是令人滿意的。
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