一种用于科里奥利力质量流量计的相位差测量电路

摘要

一种用于科里奥利力质量流量计的相位差测量电路，包括分别包含磁电传感器、积分电路、相位测量电路的第一测量支路和第二测量支路，以及与上述第一、二测量支路相连的相位差测量数字电路，上述的积分电路包含：第一运算放大器，第一、五电阻和第一电容的积分支路；其特征在于所述的积分电路还包括：第二电容和由第二、三、四电阻组成的星形电路。本电路的最大优点是克服积分电路现有的相位随温度和频率变化的缺陷，并在可用频段内始终保留相移90度的积分电路特性，同时克服前序电路直流飘移对信号相位测量的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于科里奥利力质量流量计的测量电路，特别是其中的相位差测量电路。

背景技术

现有的科里奥利力质量流量计，大都采用振动管式结构，通过测量由科里奥利力引起的振动管之间的振动相位差，来测量管内的质量流量，质量流量与两振动管之间的振动相位差成正比。一般在振动管上设置磁电式传感器，用以测得振动管的振动速度信号，然后经检测电路处理，并测得两路信号间的相位差。

一种现有技术方案如图1所示，该图摘自肖素琴、韩厚义主编的《质量流量计》(中国石化出版社，1999年3月第一版，P77)。由左、右侧电磁式检测器测得二列代表振动管振动速度的电压正弦信号。左、右两侧信号检测器的电压信号经过精密积分器、放大器和电平检测器进行放大、滤波、整形、倒相和移相等处理，一起送到相位差检测电路和时间积分器。当相位差等于零时，无输出。当有相位差时，有脉冲输出，脉冲宽度同相位差成正比，从而得到质量流量值。

另外，左侧信号检测器的电压信号，还经驱动放大器、驱动线圈，构成一个正反馈回路，维持测量管振动系统的自激振荡。

现有的对交流信号进行积分的电路如图2所示，其中A₁为运算放大器(此后将把运算放大器一律简称为运放)，R1为接在运放反相输入端的积分电阻，C1为积分电容，R1’为直流反馈电阻，R5为直流偏置补偿电阻，接在运放同相输入端和参考地之间。

图2所示的积分电路存在的问题是：1、受器件变化不一致的影响，积分电路输出信号的相位随温度变化而变化，且无规律可循；2、在可用频段内，积分电路输出信号的相位随频率的变化而变化。以上问题都会影响最终的相位差测量精度。

现有的相位测量电路如图3所示，是将运放的输出信号分压反馈到运放的正输入端，做为基准进行相位测量。使用这种相位测量电路，前序测量电路中的直流漂移会等效为信号的相位变化，从而在相位差测量结果中产生较大误差。运放的输出电压漂移会改变反馈回来的比较电压值，也会在相位差测量结果中引起误差。

发明内容

本发明的目的就是为了解决以上问题，使积分电路克服现有的相位随温度和频率变化的缺陷，并在可用频段内始终保留相移90度的积分电路特性，同时克服前序电路直流飘移对信号相位测量的影响，以提供一种高精度的科里奥利力质量流量计相位差测量电路。

本发明实现上述目的的方案：一种用于科里奥利力质量流量计的测量电路，包括：

分别包含磁电传感器、积分电路、相位测量电路的第一测量支路和第二测量支路，以及与上述第一、二测量支路相连的相位差测量数字电路；

上述的积分电路包含：第一运算放大器，分别连接在第一运算放大器反相输入端和正相输入端的第一、五电阻，连接在第一运算放大器反相输入端与输出端之间包含第一电容的积分支路；

其特征在于所述的积分电路还包括：

第二电容和由第二、三、四电阻组成的星形电路，第三、四电阻的另一端分别与第一运算放大器反相输入端和输出端连接，第五电阻的另一端与地相连，第二电容与第五电阻并联在星形节点和地之间。在上述的一种用于科里奥利力质量流量计的相位差测量电路的积分电路中还包括：串连在上述积分支路中的第六电阻。在上述一种用于科里奥利力质量流量计的相位差测量电路中的相位测量电路中包括：第二运算放大器，第七、八电阻，第三电容；第二运算放大器的反相输入端和正相输入端分别接第七、八电阻的一端，第七、八电阻的另一端与上述的放大电路的输出端相连，第三电容连接在第二运算放大器的正相输入端和地之间。

采用上述技术方案，结合下面将要叙述的实施例，本发明突出的技术进步在于：

1、在优化该积分电路在可用频段内频率特性的同时，使等效的直流反馈电阻值减小，从而减小了积分电路的直流漂移误差输出。

2、积分电路中电阻、电容数值的漂移对积分器特性的影响变小，积分电路输出信号的相位不再随温度而变化；在可用频段内，积分电路输出信号的相位不再随频率而变化。

3、克服前序电路直流飘移对信号相位测量的影响，

附图说明

图1是现有技术的用于科里奥利力质量流量计的测量电路方框图；

图2是现有技术的积分电路原理图；

图3是现有技术的相位测量电路原理图；

图4是本发明的技术方案的电路方框及原理图；

图5是本发明的技术改进方案的电路方框及原理图；

图6是本发明的实施例2的积分电路原理图；

图7是本发明的实施例2的积分电路幅频特性比较示意图；

图8是本发明的实施例3的相位测量电路原理图。

具体实施方式

实施例1

如图5所示，一种用于科里奥利力质量流量计的相位差测量电路，包括磁电传感器(5)(相当于背景技术中的检测器)、积分电路(1)(相当于背景技术中的精密积分器)、放大电路(2)(相当于背景技术中的放大器)、相位测量电路(3)(相当于背景技术中的电平检测器)和相位差数字测量电路(4)(相当于背景技术中的相位差测量电路)，积分电路(1)包括运放A1、连接在运放A1反相输入端的积分电阻R1和连接在运放A1正相输入端的直流偏置补偿电阻电阻R5，积分电路(1)的反馈网络包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2；电容C1一端接运放A1的反相输入端，另一端接运放A1的输出端；电阻R2、电阻R3和电阻R4按星形连接，电阻R2的另一端接运放A1的反相输入端，电阻R3的另一端接运放A1的输出端，电阻R4的另一端接公共地；电容C2与电阻R4并联。

在本实施例技术方案中，用电阻R2、电阻R3和电阻R4构成的星形直流反馈网络代替图2所示现有技术积分电路中的直流反馈电阻R1’，并增加频率反馈补偿电容C2，C2与电阻R4并联连接。

积分电阻R1、直流偏置补偿电阻R5的作用与原理，和图2所示现有技术积分电路的相同。

从电路原理的角度来说，本实施例是将下述实施例2的积分电路中的电阻R6取值为0时的一种特例，实施例2中所述的设计方法与特性分析等，也都适用于本实施例，因此本实施例相应的设计方法与特性分析等，请参阅实施例2。

和实施例2相比，本实施例的优点是减少了一个电阻元件，缺点是电路特性略为欠佳。

上述的放大电路也可以连接在磁电传感器和积分电路之间。

另外，在磁电传感器的输出信号较强、积分电路增益较大或者相位测量电路精度较高的情况下，该相位差测量电路也可以不包含放大电路(如图4所示)。

实施例2

本实施例是实现本发明技术方案的最好方式，在实施例1的基础上增加电阻R6，将积分电路部分设计为如图6所示，电阻R6和电容C1串联，该串联电路的一端接运放A1的反相输入端，另一端接运放A1的输出端，即为本实施例。

本实施例积分电路的幅频特性在可用频段内(比如60Hz～110Hz)应与现有技术的积分器相同，但其直流增益已变得更低；全频段内增益最大值，不大于现有技术的积分器的增益最大值；相频特性在可用频段内(60Hz～110Hz)，要越接近90度越好；全频段内避免出现180度的拐点。具体设计方法是：

(A)依据磁电式传感器阻抗，选取积分器积分元件。为使传感器和测量导线的阻抗离散性对积分器的影响减为最小，取输入回路电阻R1的阻抗为传感器阻抗的1500～2500倍。

(B)根据振动管的机械谐振频率f(约为75Hz)，选取在该谐振中心频率附近的积分时间常数(或称增益)约为5，计算电容C1公式如下：

$>>C>1>=>>1>>2>\times >\pi >\times >f>\times >R>1>\times >5>\; >$>

(C)依据下面的传递函数F(f)，试选取R2、R3、R4、R6和C2。为便于选取，可取R2＝R3。

$>>F>>(>f>)>>=>>>->\{>>(>Z>1>>(>f>)>>+>R>6>)>>\times >[>>(>R>2>+>R>3>)>>\times >Z>2>>(>f>)>>\times >R>4>+>R>2>\times >R>3>\times >>(>Z>2>>(>f>)>>+>R>4>)>>]>\}>>>>(>Z>0>>(>f>)>>+>R>1>)>>\times >[>>(>Z>1>>(>f>)>>+>R>6>+>R>2>+>R>3>)>>\times >Z>2>>(>f>)>>\times >R>4>+>R>2>\times >R>3>\times >>(>Z>2>>(>f>)>>+>R>4>)>>]>\; >$>

式中：f-频率

Z0(f)-电磁传感器内部(L1)阻抗

Z1(f)-电容C1的阻抗

Z2(f)-电容C2的阻抗

(D)计算步骤(C)中传递函数F(f)的幅频及相频特性曲线。依据下列判据，确定试选取的R2、R3、R4、R6和C2是否可行：

●为避免运放出现自激振荡，幅频特性曲线不能出现过0°的拐点；

●含直流的全频段内，增益最大不超过220；

●在可用频段内，相频特性曲线在90°^+0.03°_-0.01°；

●在可用频段内，相频特性曲线与90°要平行(调整R6)，最大值与最小值之差小于0.001°。

(E)若不符合上述四个判据，则返回到步骤(C)重新选取R2、R3、R4、R6和C2。

(F)电阻R5按下式计算：

$>>R>5>=>>>R>1>\times >>(>R>2>\times >R>4>+>R>3>\times >R>4>+>R>2>\times >R>3>)>>>>R>1>\times >R>4>+>R>2>\times >R>4>+>R>3>\times >R>4>+>R>2>\times >R>3>\; >$>

图7为本实施例积分电路与现有技术积分电路的相位频率特性比较曲线。上方三条曲线是现有技术积分电路的幅频特性曲线，对应将图2中的元件取值为：R₁＝4.3KΩ，C₁＝0.1μF，R₁‘＝1MΩ，R₁“＝R₁//R₁‘＝4.3KΩ。上方三条曲线分别为：fx0(f)对应电容C₀变化0％；fxl(f)对应电容C₀变化+5％；和fx2(f)对应电容C₀变化-5％。

下方与90度直线相重合的三条曲线是本实施例积分电路的相位频率特性，对应一组电阻电容取值和计算结果为：R1＝4.3KΩ，R2＝R3＝180KΩ，R4＝140KΩ，R6＝10Ω，C1＝0.1μF，C2＝0.68μF，R5＝4.3KΩ。对应电容C1和C2同时变化分别为±5％和0％。

可以看出，采用本实施例的积分电路技术方案，电路的相频特性在可用频段内比现有技术积分电路更接近理想的积分器特性，元器件数值的漂移对相频特性的影响更小。

实施例3

在实施例1或实施例2的基础上，将相位测量电路采用如图8所示的相位测量电路技术方案，进一步减小相位差测量误差，即构成

实施例3。

在本实施例的所述相位测量电路(3)中，包括运放A2、电阻R8和电容C3；运放A2的一个输入端同时接电阻R8的一端和电容C3的一端，电阻R8的另一端接受输入信号，电容C3的另一端接公共地；运放A2的另一个输入端直接或通过一个电阻R7接受输入信号。

本实施例中由A2等组成的相位测量比较电路，电阻R8和电容C3起到低通滤波作用，取出前级电路输出的直流电压作为比较电平，该电平随前级电路的直流零点变化而变化，起到了抗前级电路直流飘移的作用。