CN101849164A - 用于对来自磁感应流量计的电极的电压信号进行信号处理的装置和方法 - Google Patents

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    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/60—Circuits therefor

Abstract

信号处理电路，用于来自磁感应流量计的电极的电压信号，其中两个测量电极与具有两个输入端和两个输出端的全差分放大器相连。

Description

用于对来自磁感应流量计的电极的电压信号进行信号处理的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种信号处理电路，其用于来自磁感应流量计的电极的电压信号。
背景技术
磁感应流量计用于基于电磁感应原理进行体积流量测量。当介质的载流子垂直于磁场运动时，在基本垂直于介质流动方向且垂直于磁场方向布置的测量电极中感生出测量电压。在测量电极中感应的测量电压正比于在测量管横截面上平均的介质流速，并因而正比于体积流速。如果已知介质的密度，那么可以确定管道或测量管中的体积流量。测量电压通常通过沿着测量管轴线布置在最大磁场强度区域(因而是期望得到最大测量电压的区域)中的测量电极对而分接。测量电极通常与介质流电耦合。然而，还有具有电感耦合测量电极的磁感应流量计。磁场通常周期性翻转，从而在测量电极上交替出现具有相反符号的测量电压。除了测量电极之外，磁感应流量计还可以具有测量材料监控电极，用于识别部分填充的或空的测量管；以及/或者参考或接地电极，用于在测量设备和测量材料之间的参考电位。
通常，磁感应流量计的电极的电压信号被馈送至差分工作的放大器(简称为“差分放大器”)。它利用放大增益G放大电极的两个电压信号的差。附加地，差分放大器的输出信号增加一个放大器参考偏移信号，并且随后被馈送至模数转换器(下面被称为A/D转换器)。这里，电压涉及确定的固定参考电位(例如，大地)或者磁感应流量计的参考电极，差分放大器和A/D转换器都利用该参考电位工作。
DE19716151C1公开了参考电位的产生。为此，差分放大器与参考电极或测量电极相连。
与叠加的干扰信号(例如是共模信号)相比，两个电极的有效信号非常小，有效信号通常在几微伏的范围，而干扰信号可以达到几伏。于是，或者需要高质量的A/D转换器，特别是其噪声和/或分辨率方面是高质量的，以能够尽可能好地进一步处理有效信号；或者要抑制或滤除干扰信号并随后放大剩余的有效信号。具有高分辨率的A/D转换器较贵。
DE19906004A1公开了通过抑制差分信号中的低频部分而抑制或滤除共模信号。这里，预放大器代表高通滤波器，然而，其实际的实施方案导致在信号路径之间缺乏对称性。为了消除这个问题，描述了一种电阻网络。通过借助于高通滤波器抑制在差分信号中的低频部分，实现了高放大率。然后，经放大的信号被馈送至具有差分输入端的A/D转换器。
发明内容
本发明的任务是提供一种简单且成本低廉的磁感应流量计信号处理电路，其有效信号与干扰信号的比率高。
这个目的通过以下特征实现：一种信号处理电路，用于来自磁感应流量计的电极的电压信号，其中两个测量电极与全差分放大器相连，该放大器具有两个输入端和两个输出端。这里，不需要抑制或滤除低频干扰信号，并且因而不会发生现有技术中所描述的信号路径不对称的问题。
这种放大器具有差分输入端和差分输出端，即，反相及同相输入端和反相及同相输出端。从而涉及英文中称为“fully differentialamplifier”的全差分放大器。与差分放大器不同的是，全差分放大器通过两个输出端提供幅度大小相等且相位相反的信号，该信号是输入信号的经放大的差。在差分放大器的输出端上仅仅有利用放大增益G放大的输入信号之差。
本发明的基本思想是通过使用全差分放大器增加信号幅度，以增加信噪比。代替固定的参考电压以及两个测量电极之间的电压差，全差分放大器输出与电压差具有相同相位的电压信号以及具有相反相位的电压信号。以这种方式，可以将双重的有效信号供应给其后连接的A/D转换器。
正如在使用传统差分放大器中一样，共模信号与有效信号的隔离仅仅在模数转换之后才通常通过软件实现。于是，可以有非常好的隔离。然而，与之相比，在使用全差分放大器的情况中，有效信号的幅度增倍。
在本发明的装置的具有优点的实施例中，在全差分放大器的第一输出端存在由放大因子+G放大的测量电极两个电压信号之差，在全差分放大器的第二输出端存在由放大因子-G放大的测量电极两个电压信号之差。两个输出端提供幅度大小相等但是相位相反的信号，即，反转的信号。
由输入信号形成的差分信号的放大在相位上相反。由于利用这个电路没有实现高通滤波，从而保留了所包含的低频部分，干扰信号决定性地限制了放大因子，即，放大率不能任意增大。从而，对称性以及共模抑制非常好。因为在全差分放大器中生成倍增的信号幅度并且这个倍增的信号幅度被馈送至其后连接的A/D转换器，所以仅仅这样较小放大的差分信号的信噪比增加。A/D转换器的固有噪声的影响很小。于是，通过全差分驱动A/D转换器，现有技术中提到的缺乏对称性的问题不会发生。同样，对于其后连接的A/D转换器的需求也相应地变小。根据本发明，与现有技术相比，可以使用更便宜的A/D转换器，其得到类似的电路性能；或者还是可以应用标准A/D转换器，这将使性能提高。
在本发明的装置的另一具有优点的实施例中，在放大器的输出端上是单极性信号，即，信号提高了电压uoffset。
如果全差分放大器的输入信号是双极性的，即，它们例如在-2.5V和+2.5V之间，那么它们必须提高至单极性范围，例如0V～5V，因为之后连接的A/D转换器通常具有单极性输入范围。根据本发明，具有两个输入端、两个输出端和一个偏移输入端的全差分放大器实现了这一点。
在本发明的装置的具有优点的进一步发展中，放大器输出端与之后连接的具有差分输入端的A/D转换器相连。
以这种方式，增倍的信号幅度可以被进一步处理。通过使用具有差分输入端的A/D转换器，滤除了放大器参考偏移。放大器偏移的直流部分相减。通过较大的信号幅度，A/D转换器产生的噪声作为干扰的影响变小。
如果第一测量电极的电压信号被称作u1，并且第二测量电极的电压信号被称作u2，那么在差分放大器的同相输出端上输出uop＝+G*(u1-u2)+uoffset，其中uoffset是放大器基准偏移信号，并且在差分放大器的反相输出端上输出信号uon＝-G*(u1-u2)+uoffset，其中G是放大因子。当u1＝uA+ua和u2＝uB+ub由干扰信号uA、uB和有效信号ua、ub构成时，A/D转换器输入电压uADC＝uop-uon为经零点校正的2*G*(ua-ub)。
在本发明的装置的另一具有优点的实施例中，放大器之后连接的A/D转换器是集成的A/D转换器。通过使用可商业购买的转换器，可以降低成本。另外，集成电路的空间需求较小。
在本发明的装置的另一具有优点的实施例中，放大器之后连接的A/D转换器具有至少16比特的分辨率。特别具有优点的是更高的分辨率，例如24比特。
为了实现目的，本发明还在于一种用于处理来自磁感应流量计的电极的电压信号的方法，其中，在全差分放大器的第一输入端施加磁感应流量计的第一测量电极的电压信号u1，并且在全差分放大器的第二输入端施加磁感应流量计的第二测量电极的电压信号u2，并且在全差分放大器的第一输出端输出输入电压信号的利用放大因子+G放大的电压差u1-u2，在全差分放大器的第二输出端输出输入电压信号的利用放大因子-G放大的电压差u1-u2。这里，两个输出都可以升高电压uoffset。
在本发明的方法的具有优点的进一步发展中，在具有差分输入端的A/D转换器的第一输入端上施加全差分放大器的第一输出端的电压信号uop，并且在具有差分输入端的A/D转换器的第二输入端上施加全差分放大器的第二输出端的电压信号uon，并且具有差分输入端的A/D转换器将要转换的模拟信号uADC＝uop-uon转换为数字信号。
附图说明
现在根据附图详细解释本发明和所选择的实施例。为了简化，在附图中，相同的部件具有相同的附图标记。附图中：
图1代表对应于现有技术的信号处理电路，其没有抑制或滤除低频干扰信号；
图2显示了对于图1的电路，电压的时间分布；
图3代表本发明的信号处理电路；和
图4显示了对于图3的电路，电压的时间分布。
具体实施方式
图1显示了对应于现有技术的信号处理电路。图2显示了图1的测量电极电压和A/D转换器输入电压的电压波形。为了简化，一起解释两幅图。示意性表示了磁感应流量计。它包括两个相对设置的励磁线圈2，这两个线圈放置在测量管1上并且产生磁场。两个相对设置的测量电极3、4与差分放大器5的两个输入端相连。这里，测量电极电压信号u1和u2是参照大地或者参照参考电极6的电位而得到的。
放大器5利用放大因子V放大差分信号，并且因而在放大器的输出端有电压信号uo＝V*(u1-u2)+uoffset。测量电极电压u1和u2由干扰电压uA、uB和有效信号ua、ub构成。ua和ub相对于对称基准具有相反相位。uoffset代表放大器偏移电压。电压的波形是由磁场的周期性极性反转而得到的。如果磁场极性是正的，那么一个测量电极的测量电压为正，另一个为负。在负极性磁场的情况中，电压翻转。有效信号在几微伏的范围内，而干扰电压可以达到几伏。
输出信号被馈送至A/D转换器8的第一输入端，参考电极的信号处于A/D转换器8的第二输入端上。要被数字化的信号的波形显示于图2中。
图3显示了本发明的信号处理电路并且图4显示了相关的测量电极电压和A/D转换器输入电压的波形。为了简化，再次将两幅图一起解释。同之前一样，相对放置的测量电极3和4与差分放大器7的输入端相连。然而，放大器7在这里是具有两个输出端的全差分放大器。
放大器7利用放大增益G放大差分信号并且因而在放大器的第一输出端上有电压信号uop＝G*(u1-u2)+uoffset，在第二输出端有信号uon＝-G*(u1-u2)+uoffset。同以前一样，测量电极电压u1和u2由干扰电压uA、uB和有效信号ua、ub构成。电压uoffset代表放大器偏移电压。
放大器的输出信号被馈送至A/D转换器8的差分输入端。电压也是参照参考电极6得到的。要被数字化的信号的波形显示于图4中。它具有双倍的信号幅度。
附图标记
1测量管
2励磁线圈
3第一测量电极
4第二测量电极
5差分放大器
6参考电极
7全差分放大器
8A/D转换器
u1第一测量电极的电压
u2第二测量电极的电压
ua第一测量电极的有效信号
ub第二测量电极的有效信号
uA第一测量电极的干扰信号
uB第二测量电极的干扰信号
uoffset放大器的干扰信号

Claims (8)

1.信号处理电路，用于来自磁感应流量计的电极的电压信号，其特征在于，两个测量电极与全差分放大器相连，该放大器具有两个输入端和两个输出端。
2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，在全差分放大器的第一输出端是由放大因子+G放大的测量电极的两个电压信号之差，在全差分放大器的第二输出端是由放大因子-G放大的测量电极的两个电压信号之差。
3.根据权利要求1或2所述的信号处理电路，其中，在放大器的输出端上是单极性信号。
4.根据权利要求1～3之一所述的信号处理电路，其中，放大器输出端与之后连接的具有差分输入端的A/D转换器相连。
5.根据权利要求4所述的信号处理电路，其中，放大器之后连接的A/D转换器是集成的A/D转换器。
6.根据权利要求4或5所述的信号处理电路，其中，放大器之后连接的A/D转换器具有至少16比特的分辨率。
7.用于处理来自磁感应流量计的电极的电压信号的方法，其特征在于，在全差分放大器的第一输入端施加磁感应流量计的第一测量电极的电压信号u1，在全差分放大器的第二输入端施加磁感应流量计的第二测量电极的电压信号u2，并且在全差分放大器的第一输出端输出的是输入电压信号的利用放大因子+G放大的电压差u1-u2，在全差分放大器的第二输出端输出的是输入电压信号的利用放大因子-G放大的电压差u1-u2。
8.根据权利要求7所述的用于处理电压信号的方法，其中，在具有差分输入端的A/D转换器的第一输入端上施加全差分放大器的第一输出端的电压信号uop，在具有差分输入端的A/D转换器的第二输入端上施加全差分放大器的第二输出端的电压信号uon，并且具有差分输入端的A/D转换器将要转换的模拟信号uADC＝＝uop-uon转换为数字信号。
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