新型渦輪流量計(jì)傳感器預(yù)處理儀|工作原理|計(jì)算公
摘 要：本文設(shè)計(jì)出一種新型渦輪流量計(jì)預(yù)處理儀，可以將經(jīng)過(guò)（幾百米）長(zhǎng)線傳輸?shù)膫鞲衅骱练盘?hào)進(jìn)行處理，***終轉(zhuǎn)換成TTL電平與PC機(jī)相連接。與傳統(tǒng)的方法相比，本轉(zhuǎn)換電路將浮置放大器、有源濾波器、自動(dòng)增益控制電路、雙層屏蔽結(jié)構(gòu)巧妙的結(jié)合起來(lái)，使得整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。可以確保測(cè)量的準(zhǔn)確度，大大提高測(cè)量工作的可靠性。此新型渦輪流量計(jì)預(yù)處理儀主要用于航天新型號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中，還可廣泛應(yīng)用于需要精密測(cè)量的不同領(lǐng)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
1、預(yù)處理儀原理：
圖 1 預(yù)處理儀原理框圖
2、電路設(shè)計(jì)：
2.1、輸入平衡轉(zhuǎn)換電路：
圖 2 是將輸入平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)地信號(hào)電路 [1,2]，其工作原理見(jiàn)以下推導(dǎo)過(guò)程。
圖 2 輸入平衡轉(zhuǎn)換電路
圖 3 是自動(dòng)增益控制電路[5]，其工作原理如下：當(dāng)輸入信號(hào)加到 N1A之后，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò) C6的耦合作為輸出，但是這個(gè)信號(hào)被 D1、D2整流后，與經(jīng)過(guò) N2B進(jìn)行 1 比 1 放大的信號(hào)共同進(jìn)入 N2A，在這點(diǎn)的信號(hào)是一個(gè)具有一定直流分量的脈動(dòng)直流，其直流分量來(lái)自于 R9。N2A在這里是一個(gè)積分器，它將輸入的脈動(dòng)直流進(jìn)行積分處理，之后輸出一個(gè)直流電平，如果輸入信號(hào)越大的話，這個(gè)直流電平則越負(fù)，反之則負(fù)的小。V1是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其工作在負(fù)柵狀態(tài)，積分器的輸出越負(fù)，
圖 3 自動(dòng)增益控制放大器
2.3、有源濾波器：
一階有源低通濾波器在阻帶內(nèi)增益衰減較慢往往不能滿足需求，高階有源低通濾波器效果好但穩(wěn)定性差，零極點(diǎn)多，綜合考慮采用二階巴特沃思（Butterworth) 有源低通濾波器[2,3]，可以進(jìn)一步抑制干擾和噪聲提升儀器性能，圖4 是二階巴特沃思（Butterworth) 有源低通濾波器原理圖。
圖 4 二階巴特沃思有源低通濾波器原理圖。
令 Q=0.707，本文設(shè)計(jì)的二階有源濾波器截止頻率分別為 0.5k Hz、1k Hz、5k Hz, 需用波段開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，阻帶衰減不小于 -40d B/10oct, 可以通過(guò)上述公式和技術(shù)要求計(jì)算出相應(yīng)的電阻電容值，但在實(shí)際使用中可能會(huì)有誤差，一般還要在電路調(diào)試時(shí)***終確定實(shí)際值。
2.4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
整個(gè)機(jī)器采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。輸入信號(hào)通過(guò)屏蔽電纜接入，機(jī)箱為全鋁合金機(jī)箱接大地，內(nèi)部的1毫米鐵屏蔽盒、屏蔽板分別將每塊電路板進(jìn)行屏蔽保護(hù)，信號(hào)地、屏蔽地、大地接地點(diǎn)都要嚴(yán)格按工藝要求連接 [4]。圖 5 是抑制共模干擾的屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的 C1 是機(jī)殼和電路之間的分布電容，該電容由于有保護(hù)屏蔽盒的隔離，所以非常之小，因此其容抗ZC1=1/JωC1 則非常之大.在異地測(cè)量的過(guò)程中，往往存在很大的共模干擾 Vcm，圖中的 R0 是屏蔽線的等效電
圖 5 雙層屏蔽結(jié)構(gòu)原理圖
阻，Rh、Rb 是信號(hào)線的等效電阻，這些電阻與 ZC1 相比要小的很多，因此，干擾信號(hào)幾乎到不了放大器的輸入端。另外干擾信號(hào) Vcm 還要被機(jī)殼和保護(hù)屏蔽盒之間的等效電容 C3 分掉很大一部分，這就使得共模干擾作用進(jìn)一步削弱，這種屏蔽技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于各種微弱信號(hào)測(cè)量及數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)之中。
3、結(jié)束語(yǔ)：
使用該電路方案為中國(guó)航天研制的某型號(hào)渦輪流量計(jì)信號(hào)預(yù)處理儀輸入信號(hào)范圍為 10mV-5V(rms) 的正弦波、三角波，輸出轉(zhuǎn)換成與輸入頻率相同的 TTL 電平 (3.5-5V)；有源濾波 ( 二階巴特沃斯 ) 截止頻率分為 0.5kHz、1kHz、5kHz；儀器共模抑制比不小于 80dB。該項(xiàng)目主要用于航天新型號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試。已取得國(guó)防科技計(jì)量站計(jì)量合格證書(shū)，并通過(guò)搭載試驗(yàn)，已裝備火箭研制、測(cè)試平臺(tái)。