专利名称：电容式电磁流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及电磁流量计，尤其涉及一种电容式电磁流量计。
技术背景电磁流量计提供矩形波激磁电流到线圈上，形成电磁场，在测量管内流动 的流体切割磁力线会产生感应电动势，其大小同流体流速成正比。由于激磁电 流是交变的，产生的感应电势也是交变的，其频率与激磁电流的频率相同。一 对梳状电极板设于绝缘测量管外壁，与激磁线圈正交，电极板与流体形成以测 量管管壁作为介质的电容，利用电容的耦合效应将感应电势耦合到极板上，通 过检测两个极板的电压差，就可以得到与流体流速相关的信号。由于电容式电磁流量计传感器产生的流量信号非常弱， 一般在pV级，而且 电极同被测流体间形成的耦合电容值很小，仅为数十pF，使信号内阻变得非常 大，在耦合流量信号的同时，也会耦合进很强的噪声，并且随着被测流体电导 率的下降，噪声幅度会更大，很低的信噪比使得将流量信号从强噪声背景中准 确检出的难度增大。为了在信噪比很差的情况下能准确地将流量信号检测出来， 一是在传感器的结构上，将前置放大器贴近检测电极，使信号因传输引入的噪 声减至最小，并采取了严格的屏蔽措施。二是在信号处理电路中，使用旋转电 容滤波电路，将流量信号转换成幅值同流体流速成正比，频率与流量信号相同 的方波信号，同时对与信号不同频的流动噪声、工频噪声、电路中的随机噪声 等进行了很好的抑制。 发明内容本发明的目的是提供一种电容式电磁流量计，能够克服强噪声的影响，提 高信噪比，将微弱的流量信号检测出来，并转换成随流量变化的直流信号，实、电容式电磁流量计是在测量管外壁上、下两侧设有串接的上线圈、下线圈， 上线圈、下线圈与激励电路相连接，在测量管外壁左、右两侧设有左检测电极、 右检测电极，左检测电极、右检测电极外设有左屏蔽电极、右屏蔽电极和左屏 蔽环、右屏蔽环，左检测电极与左前置放大器相连接，右检测电极与右前置放 大器相连接，左前置放大器和右前置放大器与差动放大电路、信号处理电路相 连接。所述的信号处理电路为第一运算放大器的正输入端与第三电阻一端相连 接，第三电阻的另一端接地，第一运算放大器的负输入端与第一电阻一端、第 一电子开关一端、第三电子开关一端相连接，第一电阻的另一端与差动放大电 路的输出端相连接，第一电子开关的另一端与第二电阻的一端、第一电容的一 端、第四电子开关的一端相连接，第三电子开关的另一端与第二电阻的另一端、 第一电容的另一端、第二电子开关的一端相连接，第二电子开关的另一端、第 四电子开关的另一端与第一运算放大器的输出端、第四电阻的一端、第一单刀 双掷的电子开关的常开端相连接，第一单刀双掷的电子开关的公共端与第二运 算放大器的正输入端相连接，第一单刀双掷的电子开关的常闭端与接地，第四 电阻的另一端经第五电阻、第六电阻与第二运算放大器的输出端、第二单刀双 掷的电子开关的常闭端相连接，第二运算放人器的负输入端与第五电阻的可调 端相连接，第二单刀双掷的电子开关的公共端与第二电容的端相连接，第二 电容的另一端接地，第二单刀双掷的电子开关的常开端与第三运算放大器的正 输入端、第三电容的一端相连接，第三电容的另一端接地，第三运算放大器的 负输入端与第三运算放大器的输出端相连接。本发明包括绝缘测量管，设于测量管外壁的梳状电极，对电极实施屏蔽的 屏蔽电极和屏蔽环，提供磁场的线圈，为这个线圈提供激励电流的激磁电路， 进行信号阻抗转换的前置放大器，抑制信号中共模成份的差动放大器和将流量 信号从噪声中提取并放大，转换成可直接测量的直流电压的信号处理电路。在 信号处理电路中，旋转电容滤波电路起到了近似于理想方波匹配滤波器的作用， 能够克服强噪声的影响，提高信噪比，将微弱的流量信号检测出来，并转换成 随流量变化的直流信号，实现对流体流量的测量。
图1是电容式电磁流量计的结构框图； 图2是本发明传感器的电极设置示意图； 图3是本发明的梳状电极示意图； 图4是本发明的信号处理电路的原理图； 图5是滤波后的流量信号K。的示意图； 图6是信号整流和采样过程示意图。 具体实施方案如图1所示，电容式电磁流量计是在测量管1外壁上、下两侧设有串接的 上线圈2A、下线圈2B，上线圈2A、下线圈2B与激励电路7相连接，在测量 管1外壁左、右两侧设有左检测电极3A、右检测电极3B，左检测电极3A、右 检测电极3B外设有左屏蔽电极4A、右屏蔽电极4B和左屏蔽环5A、右屏蔽环 5B，左检测电极3A与左前置放大器6A相连接，右检测电极3B与右前置放大 器6B相连接，左前置放大器6A和右前置放大器6B与差动放大电路8、信号处 理电路9相连接。上线圈2A、下线圈2B为一对空心激磁线圈，串联在一起，在激磁电路7 提供的200Hz矩形波电流激励下，产生同频的工作磁场，被测流体通过测量管1 切割磁力线产生与流速相关的感应电势，经过由左检测电极3A、右检测电极3B 与被测流体通过测量管1的管壁形成的电容分别耦合到左、右检测电极3A、 3B 的极板上，在理想状态下，两极板上的电势大小相等，方向相反。由于耦合电 容仅有数十pF，因此，容抗成为主要的信号内阻，为了得到准确的流量信号， 减少信号衰减，左、右前置放大器6A、 6B采用了高输入阻抗放大电路进行阻抗 转换，并将左、右前置放大器6A、 6B置于离左、右检测电极3A、 3B尽量近的 位置，采用等电位激励屏蔽的方法，通过屏蔽电缆与左、右屏蔽电极4A、 4B， 左、右屏蔽环5A、 5B构成完整的屏蔽回路，以克服分布电容对信号传输的影响。 经左、右前置放大器6A、 6B完成阻抗转换后的信号进入差动放大电路8，差动 放大电路8的核心是高共模抑制比的仪表放大器，经其放大后可以得到所需的 流量信号，但其中包含有较强的噪声成份，送入信号处理电路9中进行处理。 信号处理电路9的核心是旋转电容滤波电路，它能抑制与信号不同频的干扰信 号，并将流量信号转换成振幅大小与流量信号成正比的方波信号，再经过整流 采样电路就可以转换成为幅值同流量成正比的直流电压信号，完成对被测流体、如图2所示，由于结构对称，图中只显示了传感器右半面的情况。为了抑 制在高频激励下极片上产生的涡流影响，右检测电极3A，右屏蔽电极4A用很 薄的铜箔制成，并做成梳状，其外形如图3所示。右检测电极3A贴于绝缘测量 管1的外壁，右屏蔽环5A将右检测电极3A包围在内，与右屏蔽电极4A相连， 实现对右检测电极3A的完全屏蔽。如图4所示，信号处理电路9为第一运算放大器AJ勺正输入端与第三电阻R3—端相连接，第三电阻R3的另一端接地，第一运算放大器A！的负输入端 与第一电阻R!—端、第一电子开关Sai—端、第三电子开关SM—端相连接，第一电阻&的另一端与差动放大电路8的输出端相连接，第一电子开关Sal的另一端与第二电阻R2的一端、第一电容d的一端、第四电子开关Sb2的一端相连接，第三电子开关Sbl的另一端与第二电阻R2的另一端、第一电容d的另一端、
第二电子开关Sa2的一端相连接，第二电子开关Sa2的另一端、第四电子开关Sb2 的另一端与第一运算放大器Ai的输出端、第四电阻R4的一端、第一单刀双掷的 电子开关St的常开端相连接，第一单刀双掷的电子开关Si的公共端与第二运算 放大器A2的正输入端相连接，第一单刀双掷的电子开关Si的常闭端与接地，第 四电阻R4的另一端经第五电阻R5、第六电阻R6与第二运算放大器A2的输出端、第二单刀双掷的电子开关S2的常闭端相连接，第二运算放大器A2的负输入端与 第五电阻R5的可调端相连接，第二单刀双掷的电子开关S2的公共端与第二电容C2的一端相连接，第二电容C2的另一端接地，第二单刀双掷的电子开关S2的常开端与第三运算放大器A3的正输入端、第三电容C3的一端相连接，第三电容 C3的另一端接地，第三运算放大器A3的负输入端与第三运算放大器A3的输出 端相连接。经过差动放大器8放大后的流量信号Fi首先进入旋转电容滤波电路，该电 路包括第一运算放大器Ap第一电阻&、第三电阻113，由第二电阻R2、第一 电容Q组成的RC积分电路，由第一电子开关Sal、第二电子开关Sc以及第三电子开关Sw、第四电子开关Sb2组成的两组同步开闭的电子开关。其中，由第 一电子开关Seu、第二电子开关Sa2组成的一组电子开关与第三电子开关Sw、第四电子开关Sb2组成的另一组电子开关分别由与激磁信号同步，频率同为200Hz，互为反向的一对方波控制，产生与输入信号相乘的参考信号。电路特性相当于一个重复频率为基频"o的方波匹配滤波器，对于输入信号中与参考信号同频的信号，其输出可以简化表示为-由于信号正反向的性质完全一样，这里只对正向进行讨论。由式(1)可见， 当测试时间t>> T时，输出信号的振幅正比于输入信号振幅及与开关信号之间的 相位差的余弦。如果两者严格同步，则输出信号与输入信号振幅之间成正比， 实现了测试输入信号振幅的目的。而对于信号的偶次谐波，其输出振幅为零，有很好的抑制作用；对奇次谐波， 其输出响应同基波相比要小(2n+l)倍；而其他频率的信号，偏离基频越大， 其幅值越小，对输出的影响也就越小。因此，旋转电容滤波电路对于信号频率 以外的各种干扰有着很好的抑制作用，其对于各奇次谐波处的等效噪声带宽总和可以表示为
因此，提高积分时间常数可以减小噪声带宽，但考虑激磁频率较高，R2Q 的值应根据需要调整，不宜取得过大。经过旋转电容滤波电路滤波后得到一个幅值同流量大小成正比的交流方波信号K，图5是^的示意图。由于旋转电容滤波实际上是将流量信兮进行了转 换，将信号的幅值提取出来，在流体不流动，即在零位时，经滤波后的信号幅 度实际并不为零，而是一个与传感器的结构相关的一个确定值，如图中的J^， 但测得的信号幅值K与F^的差值却反映了流体流速的变化，因此，只要测定 零位，就可以将零位从测量值中去除而获得准确的流量值。K先送入整流电路转换成直流信号，整流电路由第二运算放大器A2，第一 单刀双掷开关Sp第四电阻R4、第五电阻Rs、第六电阻&组成。第一单刀双 掷开关Si由与激磁信号同步的200Hz方波控制，通过调整可调电阻R5，使得在 方波的正半周时电路相当于跟随器，信号正向通过，负半周时，电路相当于反 相器，经整流后，信号成为同相信号^，并送入采样电路进行采样处理。采样电路由第二单刀双掷开关S2，第三运算放大器A3和第二电容C2、第三电容Cs组成。第二单刀双掷开关S2由频率为400Hz的采样脉冲控制，脉宽为0.25ms， 可以实现在信号的正半周和负半周各采一个值，并通过电容C2、 C3实现平均，最后输出反映信号均值直流电压F。。此电路具有较强的抗干扰能力，如果干扰使信号发生一定程度的偏移，电路可 以通过将信号正向和负向的差值进行平均而保持信号的稳定。图6是信号整流 和采样过程示意图，其中(A)是整流前的信号，为了说明这个过程，此信号混 入了干扰，(B)是整流后的信号K， (C)是采样脉冲，(D)是经过采样和完成 平均后的输出F。，可以看出，经过信号处理电路进行滤波和整流采样后，可以 得到一个稳定的直流信号电压信号，可很方便地对其进行测量。
权利要求
1.一种电容式电磁流量计，其特征在于，在测量管1外壁上、下两侧设有串接的上线圈2A、下线圈2B，上线圈2A、下线圈2B与激励电路7相连接，在测量管1外壁左、右两侧设有左检测电极3A、右检测电极3B，左检测电极3A、右检测电极3B外设有左屏蔽电极4A、右屏蔽电极4B和左屏蔽环5A、右屏蔽环5B，左检测电极3A与左前置放大器6A相连接，右检测电极3B与右前置放大器6B相连接，左前置放大器6A和右前置放大器6B与差动放大电路8、信号处理电路9相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种电容式电磁流量计，其特征在于所述的信号 处理电路9为第'运算放大器Ai的正输入端与第三电阻R3—端相连接，第三 电阻R3的另一端接地，第一运算放大器Ai的负输入端与第一电阻R,—端、第 一电子开关S^—端、第三电子开关Sw—端相连接，第一电阻A的另一端与差 动放大电路8的输出端相连接，第一电子开关Sal的另一端与第二电阻112的一 端、第一电容C,的一端、第四电子开关Sb2的一端相连接，第三电子开关Sw的 另端与第二电阻R2的另一端、第一电容C,的另一端、第二电子开关S^的一端相连接，第二电子开关Sc的另一端、第四电子开关Sb2的另一端与第一运算放大器Ai的输出端、第四电阻R4的一端、第一单刀双掷的电子开关S,的常开 端相连接，第一单刀双掷的电子开关Si的公共端与第二运算放大器A2的正输入 端相连接，第一单刀双掷的电子开关S,的常闭端与接地，第四电阻R4的另一端经第五电阻R5、第六电阻R6与第二运算放大器A2的输出端、第二单刀双掷的电子开关S2的常闭端相连接，第二运算放大器A2的负输入端与第五电阻R5的 可调端相连接，第二单刀双掷的电子开关S2的公共端与第二电容C2的一端相连接，第二电容C2的另一端接地，第二单刀双掷的电子开关S2的常开端与第三运算放大器A3的正输入端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接 地，第三运算放大器A3的负输入端与第三运算放大器A3的输出端相连接。
全文摘要
本发明公开了一种电容式电磁流量计。在测量管外壁上、下两侧设有串接的上线圈、下线圈，上线圈、下线圈与激励电路相连接，在测量管外壁左、右两侧设有左检测电极、右检测电极，左检测电极、右检测电极外设有左屏蔽电极、右屏蔽电极和左屏蔽环、右屏蔽环，左检测电极与左前置放大器相连接，右检测电极与右前置放大器相连接，左前置放大器和右前置放大器与差动放大电路、信号处理电路相连接。本发明的信号处理电路中，旋转电容滤波电路起到了近似于理想方波匹配滤波器的作用，能够克服强噪声的影响，提高信噪比，将微弱的流量信号检测出来，并转换成随流量变化的直流信号，实现对流体流量的测量。
文档编号G01F1/58GK101162163SQ20071015691
公开日2008年4月16日 申请日期2007年11月20日 优先权日2007年11月20日
发明者李海青, 王保良, 罗元国, 黄志尧 申请人:浙江大学