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                涡街流量计

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                涡街流量计前置放大电路噪声分析与处置

                来源:作者:发表时间:2022-02-11 11:24:43

                         摘 要: 涡街流量计测量阻流体时物理信号动态范围大,尤其在测量弱信号时易受噪声影响,因此其前置放大电路性能必须充分考虑电路本底噪声因素。分析了Ф50型号气体涡街流量计前置放大电路的系统噪声组成,对电路噪声进行分析、计算,得出理论上的电路本底等效噪声值为4.59 μV。利用Multisim 14.0 作为仿真环境进行测试验证,表明利用此电路可检测10 μV以上的信号。提出的电路设计为实际电路优化提供了理论参考依据。

                 
                引言
                         涡街流量计在计量领域具有广泛的应用场景。目前,若要利用涡街流量计实现精密测量,还需要处理本底噪声问题,因为它是影响测量精度的好主要因素。
                 
                         刘三山[1]提出了两种数字涡街流量计的硬件研制,在硬件电路中应用陷波滤波和数字频谱相结合的方法规避了噪声影响?;朴矫返萚2]在涡街流量计的研究中不仅浅显易懂地讲述了涡街检测原理,也对检测方法、检测难点、发展趋势等作了详细的介绍。王一桦等[3]成功找到了电荷放大器的主要噪声影响,给后续的研究提供了指导。孙颖奇等[4]提出一种思路,利用良好的屏蔽设计来减少噪声对微弱信号的干扰,但当噪声直接叠加在涡街流量计信号上时,尤其是低流速情况下,测量流量还是会产生较大的偏差,因此在设计之初有效估算噪声强度,有利于确v认涡街流量计能检测到的信号好小测量范围。
                 
                         本文针对上述问题,首先基于Ф50型号气体涡街流量计的前置放大电路进行分析,将复杂的电路等效成简化电路;接着在特定涡街流量计前置放大电路的基础上,对前置放大器进行噪声量化计算;好后基于噪声影响情况,进行精度测量模拟仿真实验,证实理论计算结果的可靠性。结果显示:噪声测量、算法和精度测试,能够为实际电路测量中涡街流量计的性能改善提供理论参考。
                 
                1 涡街流量计计量原理
                         涡街流量计的原理是在气体或液体等流体中安置阻流体,流体在经过阻流体时会交替产生两串规则的旋涡(这种旋涡称为“卡门涡街”),旋涡频率被压力传感器检测到后,利用流量Q与频率f的关系式测量流体的流量,即
                 Q=f/k (1)
                         其中,K是流量计的流量系数,可看作固定常数。
                 
                2 前置放大电路噪声分析
                         本文选取了好典型的Ф50型号气体涡街流量计的前置放大电路作为特定样本对噪声进行分析。系统噪声包括电路内部产生的噪声(也称固有噪声),也包括电路外部的干扰噪声。前置放大器的固有噪声主要包括电阻热噪声、集成运算放大器自身的等效噪声。本章主要对涡街流量计系统电阻热噪声、运算放大器自身的等效噪声进行分析,外部干扰噪声不在讨论范围之内。
                 
                2.1 热噪声原理
                (1)电阻热噪声:主要由电子的随机热运动引起,产生噪声电压。电阻两端产生的热噪声电压有效值Et满足
                 Q=f/k  (2)
                其中,k—玻尔兹曼常数;T—电阻的绝对温度;R—电阻的阻值,Ω;B—信号带宽。
                注:在室温下( 1 7 或 290 K ) ,4kT≈1.6×10-20 V2/(Hz·Ω)。
                 
                (2)阻容并联的热噪声:为了限制频带宽度,有时要在电阻两端连接电容。在阻容并联的情况,电路中开路的热噪声有效值Eto为
                电路中开路的热噪声有效值Eto
                其中,C—并联电容。
                 
                可以证明,无源元件的任意连接所产生的热噪声等同于等效网络阻抗的实部电阻所产生的热噪声。
                 
                2.2 运算放大器自身等效噪声分析
                运算放大器的噪声模型也可以用等效噪声模型替代。图1所示为含噪放大器的电路图,图2为噪声等效电路。其中,e s是被测信号电压,Rs是信号源的输出电阻,e t是电阻热噪声等效的噪声电压源,e n和i n分别是放大器自身的等效噪声电压源和电流源。
                含噪放大器的电路图和噪声等效电路
                设e t、e n和i n互不相关,噪声电流源可以转化为电压源i nRs,其有效值的平方表示为
                ,噪声电流源可以转化为 电压源i nRs,其有效值的平方公式
                而对于等效输入噪声电压源en,其平方根谱密度为
                于等效输入噪声电压源en,其平方根谱密 度
                 
                3 前置放大电路噪声计算分析
                         因不同电路的需求不同,设计一个电路往往也需要具有一些其他功能,例如去除直流偏置、抑制共模信号等。本章对该电路进行合理的简化,以更方便地计算噪声,并对噪声进行等效分析与计算。
                 
                3.1 前置放大器电路分析
                         涡街流量计前置放大电路如图3所示。在该电路设计中,采用了SGM8532芯片,利用电路的对称性和负反馈作用,有效地稳定静态工作点,以放大差模信号,抑制共模信号。在J 2、R 1和R 2的电路中,交流信号可以顺利通过①、②,而直流信号因受到C 3、C 4的影响只能走J 1、R 1和R 2的环路,使得两条通路的直流信号电位相同,去除了直流偏置。在对称环路中,为了计算方便,我们将③等效成地。简化后的电路图和等效噪声电路图分别如图4和图5所示。
                简化后的电路图等效噪声电路图涡街流量计前置放大电路
                3.2 噪声估算
                由 式(2)可 知R 3和R 4串联所产生的热噪声为
                Et=2.65×10-7 V;
                由 式 (3) 可知阻容并联所产生的热噪声为
                Eto=4.47×10-6 V。 图6所示为SGM8532芯片手册的部分片段,由图6及式(5)可得En=1.04×10-6 V。
                由公式(4)可知,该电路输出的噪声有效值为
                电路输出的噪声有效值
                计算得总的噪声有效值为
                计算得总的噪声有效值
                因此,理论上该电路可以检测大于10 μV(大于噪声6 dB以上)的微弱信号。
                 
                4 仿真结果验证
                本章利用Multisim 14.0 作为仿真环境,其自带的噪声源可以使仿真结果更加准确。放大器为理想放大器,V1为该放大器等效噪声源,确保噪声的准确性。
                 
                电路仿真结果如图7所示。由仿真结果可以看出,在总的噪声中,V(p-p)大概为2~8 μV,与实际结果相差不大,在同一量级。实际噪声稍微小,可能是输出频率比理论值略小导致的。
                 
                5 结束语
                本文首先简要介绍了涡街流量计原理及构成,然后着重分析了涡街流量计前置放大电路的各种噪声及公式,并以典型的Ф50型号气体涡街流量计的前置放大电路作为特定样本,在建立噪声模型的基础上,简单、有效地计算得到了涡街流量计前置放大电路的噪声。通过对电路进行仿真验证,佐证了理论计算的有效性。该电路可以测量大于10 μV的涡街信号,为后续实测及电路优化提供理论参考依据。
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