摘要：蒸汽流量計(jì)的傳感信號(hào)放大一直是該流量?jī)x表設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)．小信號(hào)處理不好會(huì)造成量程比受限，小流量不能測(cè)量；還會(huì)產(chǎn)生50Hz干擾，信號(hào)自激．通過(guò)改進(jìn)蒸汽流量計(jì)傳感信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)，從而提高了測(cè)量量程比，*了信號(hào)自激現(xiàn)象，有效地解決了這些問(wèn)題．
蒸汽流量計(jì)是20世紀(jì)6O年代末期發(fā)展起來(lái)的一種基于液體振動(dòng)原理的流量計(jì)．蒸汽流量計(jì)具有量程寬、無(wú)可動(dòng)部件、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、壓力損失小、一定的計(jì)量精度等優(yōu)點(diǎn)．?蒸汽流量計(jì)是基于卡門(mén)蒸汽原理制成的一種流體振蕩性流量計(jì)，即在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)非流線(xiàn)型的對(duì)稱(chēng)形狀的物體（蒸汽流量傳感器中稱(chēng)之為漩渦發(fā)生體），就會(huì)在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦即卡門(mén)蒸汽，其漩渦頻率與來(lái)流速度成正比．E2]
目前，將蒸汽流量計(jì)用于流量測(cè)量，需要研究的關(guān)鍵性問(wèn)題有：（1）抑制流場(chǎng)噪聲的影響．流場(chǎng)的穩(wěn)定性、均勻性不僅對(duì)卡門(mén)蒸汽的形成和分離有影響，而且對(duì)各種敏感元件的檢測(cè)效果也有直接影響．附加的旋渦干擾了蒸汽信號(hào)，降低了性噪比．（2）準(zhǔn)確測(cè)量小流量．因?yàn)樾×髁克a(chǎn)生的橫向升力較小，檢測(cè)信號(hào)非常微弱，易受流體沖擊振動(dòng)噪聲和管道振動(dòng)噪聲的影響．小信號(hào)處理不好會(huì)造成量程比受限，小流量不能測(cè)量，還會(huì)產(chǎn)生50Hz干擾，信號(hào)自激．_3因此，蒸汽流量計(jì)的傳感信號(hào)放大一直是這種速度式儀表設(shè)計(jì)
中的一大難點(diǎn)．
本文設(shè)計(jì)的儀表放大器具有非常*的特性，能將傳感器非常微弱的信號(hào)不失真地放大以便于信號(hào)采集，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行很好的調(diào)整以符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的工作范圍；摒棄了以前放大電路常見(jiàn)的50HZ干擾，信號(hào)自激，測(cè)量不穩(wěn)定等問(wèn)題．該儀表放大器從2006年使用至今效果較為理想，獲得了市場(chǎng)肯定，
1儀表放大器在流量計(jì)傳感信號(hào)電路中的應(yīng)用
儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)．差分放大器和儀表放大器所采用的基礎(chǔ)部件（運(yùn)算放大器）基本相同，而在性能上與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有很大的不同．標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定；而差分放大器和儀表放大器在有共模信號(hào)條件下能夠放大很微弱的差分信號(hào)，因而具有很高的共模抑制比（CMR）．k4j儀表放大器的特點(diǎn)：（1）高共模抑制比．共模抑制比（CMRR）則是差模增益（Ad）與共模增益（Ac）之比，即：CMRR：20（Ad／Ac）dB；儀表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值為70～100dB以上．
（2）高輸入阻抗．要求儀表放大器必須具有*的輸入阻抗，儀表放大器的同相和反相輸入端的阻抗都很高而且相互平衡，其典型值為109～1012Q．由于儀表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓，因此儀表放大器不能把自身的噪聲加到信號(hào)上．在1kHz條件下，折合到輸入端的輸入噪聲要求小于10nV／Hz．
（3）低線(xiàn)性誤差．輸入失調(diào)和比例系數(shù)誤差能通過(guò)外部的調(diào)整來(lái)修正，但是線(xiàn)性誤差是器件固有缺陷，它不能由外部調(diào)整來(lái)消除．一個(gè)高質(zhì)量的儀表放大器典型的線(xiàn)性誤差為0．01％，有的甚至低于0．0001％．
（4）低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移．儀表放大器的失調(diào)漂移也由輸入和輸出兩部分組成，輸入和輸出失調(diào)電壓典型值分別為100uV和2mV．（5）低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差．雙極型輸入運(yùn)算放大器的基極電流，F(xiàn)ET型輸入運(yùn)算放大器的柵極電流，這個(gè)偏置電流流過(guò)不平衡的信號(hào)源電阻將產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)誤差．雙極型輸入儀表放大器的偏置電流典型值為1nA～50pA，而FET輸入的儀表放大器在常溫下的偏置電流典型值為50pA．
為了有效地工作，要求儀表放大器不僅能放大微伏級(jí)信號(hào)，而且還能抑制其輸入端的共模信號(hào)．這就要求儀表放大器具有很大的共模抑制（CMR）：典型的CMR值為70～100dB．當(dāng)增益提高時(shí)，CMR通常還能獲得改善．
2傳感放大電路的改進(jìn)
傳統(tǒng)蒸汽流量計(jì)在使用中放大電路常見(jiàn)的問(wèn)題有：（1）工頻50Hz干擾，間斷出現(xiàn)的50Hz干擾使測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；（2）信號(hào)自激，造成沒(méi)流量時(shí)儀表有讀數(shù)；（3）測(cè)量不穩(wěn)定．
針對(duì)以上出現(xiàn)的問(wèn)題，采取了如圖1所示的改進(jìn)電路取代了以前的放大電路．經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗(yàn)證明，流量計(jì)基本沒(méi)有了工頻50Hz干擾，信號(hào)自激和測(cè)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象，投入市場(chǎng)后取得了良好的效果．

圖1傳感器數(shù)據(jù)采集放大電路圖
該電路主要功能為將傳感器輸出的信號(hào)以差模方式進(jìn)行放大．此前置放大器關(guān)系到整個(gè)放大電路的優(yōu)劣，必須具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低
噪聲和強(qiáng)抗干擾能力等性能．故本設(shè)計(jì)采用NEC公司的UPC831的運(yùn)放測(cè)量放大電路作為此放大電路的前級(jí)放大器．該形式的儀表放大器，其輸入阻抗約為30～5000Mf~，共模抑制比（CMR）Rdb=70～90dB，電源抑制比SVR=70～90dB，失調(diào)電壓溫漂r=0．25～10lxV／
傳感器信號(hào)從SIN4、SIN5二個(gè)端口輸入放大電路，SIN7端口加正2．6V電源，運(yùn)放采用日本NEC公司的UPC831集成運(yùn)放，正負(fù)2．6V電源供電，如圖2所示．
本放大電路中核心器件低功耗儀表放大器UPC831特點(diǎn)及性能如圖3和表1所示

UPC831是一種低功耗的儀表放大器．它采用單、雙兩種電源供電，可實(shí)現(xiàn)軌一軌輸出，具有的交流和直流特性．UPC831采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8腳封裝，引腳排列圖如圖4所示．

3儀表放大器RFI抑制電路及50Hz陷波電路的設(shè)計(jì)
微功耗儀表放大器易受RF整流的影響.UPC831具有低輸入級(jí)工作電流.簡(jiǎn)單地增加輸人電阻器R1的位或電容器C5,C6的值，會(huì)以減小信號(hào)帶寬為代價(jià)提供進(jìn)一步的RF衰減.由于UPC831儀表放大器具有比通用IC更高的噪聲，所以可以使用較高的輸人電阻器而不會(huì)嚴(yán)重降低電路的噪聲性能.為了使用較高阻值的輸人電阻器，設(shè)計(jì)出RCRFI電路，如圖5所示.工頻干擾是信號(hào)的主要干擾.雖然前置放大電路對(duì)共模干擾有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模方式進(jìn)人電路.所以必須濾除.
本設(shè)計(jì)采用R12,R5,C7陷波電路濾除50HZ工頻干擾，如圖5所示.

4放大特性的檢測(cè)及結(jié)論
（1）消耗電流A1：檢N+2．6V線(xiàn)路中的電流，合格值在2501．A以下；消耗電流A2：檢測(cè)一2．6V線(xiàn)路中的電流，合格值在250t,A以下．
（2）頻率特性：信號(hào)發(fā)生器輸入Vp-p為400mY，輸出Vp—P為400mV，在輸入頻率為1．7Hz，10Hz，4kHz時(shí)，衰減器的值分別為：18．7±1．5dB，21．0-+1．5dB，21．1±1．5dB．
（3）噪聲：在不加外部信號(hào)的條件下，檢測(cè)CN1的7、9腳之間的電壓Vp—P應(yīng)該小于30mY．經(jīng)過(guò)測(cè)試放大電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求，另外在電路板的制作過(guò)程中，又可采取環(huán)形接地的方式，對(duì)UPC831電路的主體部分采用上下全屏蔽的形式．通過(guò)這些措施，有效保證了小信號(hào)的放大，給后級(jí)放大提供了一個(gè)非常好的信號(hào)．由示波器還可看出響應(yīng)信號(hào)和調(diào)制脈沖信號(hào)是同頻變化的信號(hào)，放大器輸出的響應(yīng)信號(hào)中并沒(méi)有夾雜其他頻率的信號(hào)，說(shuō)明放大電路的頻率響應(yīng)特性良好．