CN110530445A - 一种mV信号测量温度补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种mV信号测量温度补偿装置，该补偿装置包括用于对热电偶的输出电压进行放大的仪表放大器I、用于对一次传感器输出电压进行放大的仪表放大器II、比较器电路、偏置选择调整电路、比例系数选择调整电路、加法器I和加法器II；所述比较器电路对仪表放大器I的输出信号进行比较处理后输出信号S0和信号S1，所述信号S0和信号S1分别作为比例系数选择调整电路和偏置选择调整电路的输入信号；所述偏置选择调电路的输出与比例系数选择调整电路的输出作为加法器I的输入，所述加法器I的输出与仪表放大器II的输出作为加法器II的输入。
Description
技术领域
本发明涉及永磁式电磁流量计领域，具体涉及一种mV信号测量温度补偿装置。
背景技术
根据永磁式电磁流量计原理有：E＝B*L*V (1)
其中，E为一次传感器输出mV信号，B是永久磁铁磁通密度，L为钠管道直径，V为钠液流速。理想情况下，B和L不会改变，一次传感器输出的mV电势与钠液流速成线性关系。但在实际工况中，由于管道直径L会随钠液温度热胀冷缩变化，B值会随温度升高而减小，也会随时间变化而变化，二次仪表应补偿这种由于温度变化而引起的mV输出与流速之间的非线性。但由于二次仪表是纯模拟电路，难以实现多项式补偿系数设定。
现有的毫伏测量温度补偿一般都是基于单片机或微处理器及AD转换器，同时采样流量mV信号以及温度的mV信号；但是在某些领域不允许采用微处理器，或者允许采用微处理器但是需要相关软件认证(例如V&V)，这样大大增加了设计周期和成本，因此本发明采用纯硬件实现流量测量温度补偿功能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种mV信号测量温度补偿装置。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种mV信号测量温度补偿装置，该补偿装置包括用于对热电偶的输出电压进行放大的仪表放大器I、用于对一次传感器输出电压进行放大的仪表放大器II、比较器电路、偏置选择调整电路、比例系数选择调整电路、加法器I和加法器II；所述比较器电路对仪表放大器I的输出信号进行比较处理后输出信号S0和信号S1，所述信号S0和信号S1分别作为比例系数选择调整电路和偏置选择调整电路的输入信号；所述偏置选择调电路的输出与比例系数选择调整电路的输出作为加法器I的输入，所述加法器I的输出与仪表放大器II的输出作为加法器II的输入。
优选地，所述比较器电路具有两个比较阈值，其中第一比较阈值小于第二比较阈值；
当比较器电路的输入电压小于第一比较阈值时，所述信号S0与信号S1同时为低电平；
当比较器电路的输入电压大小第一比较阈值且同时小于第二比较阈值，所述信号S0为高电平，所述信号S1为低电平；
当比较器电路的输入电压大于第二比较阈值时，所述信号S0与信号S1同时为高电平。
优选地，所述比较器电路包括第一运放U1A和第二运放U1B，第一运放U1A输出信号S0，第二运放U1B输出信号S1；所述第一运放U1A的输出端与正输入端之间并联电阻R1，第一运放U1A的正向输入端经电阻R2连接仪表放大器I的输出端，所述第一运放U1A的反向输入端与第一阈值比较电压端连接；所述第二运放的输出端与正向输入端之间并联电阻R6，第一运放U1A的正向输入端经电阻R5连接仪表放大器I的输出端，所述第二运放U1B的反向输入端与第二阈值比较电压端连接。
优选地，所述第一阈值比较电压端包括串联连接的电阻R3和电阻R4，电阻R3接基准电压，电阻R4接地，电阻R3与电阻R4的连接端与第一运放U1A的反向输入端连接。
优选地，所述第二阈值比较电压端包括串联连接的电阻R7和电阻R8，电阻R7接基准电压，电阻R8接地，电阻R7与电阻R8的连接端与第二运放U1B的反向输入端连接。
优选地，所述仪表放大器II包括一增益可调的放大模块I和参考电压输出模块，一可调的电压输入到参考电压输出模块，参考电压输出模块的输出端连接放大模块I的参考端。
优选地，所述仪表放大器II还包括一与放大模块I的电源端连接的滤波电路。
优选地，所述滤波电路为低通滤波器。
优选地，所述比例系数选择调整电路包括一选通模块I和一放大模块II；该选通模块I由信号S0和信号S1作为输入控制信号，其输出端连接到放大模块II的受控端，所述仪表放大器II的输出端连接放大模块II的输入端；通过信号S0和信号S1控制选通模块I的通道，进一步实现比例系统选择调整电路输出电压的调节。
优选地，所述偏置选择调整电路包括一恒流源和一选通模块II；该选通模块II由信号S0和信号S1作为输入控制信号，其输出电压VB；通过信号S0和信号S1控制选通模块II的通道实现偏置选择调整电路输出电压的调节。
如上所述，本发明的一种mV信号测量温度补偿装置，具有以下有益效果：
1、采用纯硬件电路方式实现流量信号温度补偿，无需程序控制，简化设计难度，缩短产品开发周期；
2、采用纯硬件(模拟)方式相比模数混合的补偿方式抗干扰能力请
3、相比于微处理+AD转换器方式，采用硬件补偿方式流量输出延迟小。
4、相比微处理器+AD转换器方式，采用硬件补偿方式功耗低。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为比较器电路的电路图；
图3为仪表放大器II的电路图；
图4为比例系数选择调整电路的电路图；
图5为偏置选择调整电路的电路图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1～5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本实施提供一种mV信号测量温度补偿装置，该补偿装置包括用于对热电偶的输出电压进行放大的仪表放大器I、用于对一次传感器输出电压进行放大的仪表放大器II、比较器电路、偏置选择调整电路、比例系数选择调整电路、加法器I和加法器II；比较器电路对仪表放大器I的输出信号进行比较处理后输出信号S0和信号S1，信号S0和信号S1分别作为比例系数选择调整电路和偏置选择调整电路的输入信号；偏置选择调电路的输出与比例系数选择调整电路的输出作为加法器I的输入，加法器I的输出与仪表放大器II的输出作为加法器II的输入。
具体地，仪表放大器I输出电压信号VT，比较器电路输出信号S0和信号S1，偏置选择调整电路输出电压信号VB，比例系数选择调整电路输出电压信号VK，加法器I输出电压信号VC，加法器II输出电压信号VF，仪表放大器II输出电压信号VM。加法器II输出电压信号VF也即是mV信号测量温度补偿装置的输出电压。
电压VF与电压VF的关系式如下：
VF＝VM+VC＝VM+VK+VB (2)
式(2)中，VM是mV信号经过仪表放大器II放大后的电压，VK是VM的比例电压，VB是常量电压。其中VK和VM的选择由温度选择比较器输出S0、S1决定，VK和VM的绝对值的大小由相应的电位器调节。
于本实施例中，比较器电路具有两个比较阈值，其中第一比较阈值小于第二比较阈值；
当比较器电路的输入电压小于第一比较阈值时，信号S0与信号S1同时为低电平；
当比较器电路的输入电压大小第一比较阈值且同时小于第二比较阈值，信号S0为高电平，信号S1为低电平；
当比较器电路的输入电压大于第二比较阈值时，信号S0与信号S1同时为高电平。
如图2所示，比较器电路包括第一运放U1A和第二运放U1B，第一运放U1A输出信号S0，第二运放U1B输出信号S1；第一运放U1A的输出端与正输入端之间并联电阻R1，第一运放U1A的正向输入端经电阻R2连接仪表放大器I的输出端，第一运放U1A的反向输入端与第一阈值比较电压端连接；第二运放的输出端与正向输入端之间并联电阻R6，第一运放U1A的正向输入端经电阻R5连接仪表放大器I的输出端，第二运放U1B的反向输入端与第二阈值比较电压端连接。
更加具体地，第一运放U1A设置的比较阈值是标准K型热电偶300度时的放大电压，第二运放U1B设置的比较阈值是标准K型热电偶400度时的放大电压。当钠液温度低于300度时，经仪表放大器I放大后的热电偶放大信号小于触发阈值，两运放均S0、S1均输出为低电平；钠液温度在300-400度之间时，S0输出为高电平，S1输出为低电平；钠液温度高于400度时，S0、S1均输出为高电平。
于本实施例中，第一阈值比较电压端包括串联连接的电阻R3和电阻R4，电阻R3接基准电压，电阻R4接地，电阻R3与电阻R4的连接端与第一运放U1A的反向输入端连接。第二阈值比较电压端包括串联连接的电阻R7和电阻R8，电阻R7接基准电压，电阻R8接地，电阻R7与电阻R8的连接端与第二运放U1B的反向输入端连接。
如图3所示，仪表放大器II包括一增益可调的放大模块I和参考电压输出模块，一可调的电压输入到参考电压输出模块，参考电压输出模块的输出端连接放大模块I的参考端。仪表放大器II还包括一与放大模块I的电源端连接的滤波电路。优选地，滤波电路为低通滤波器。
具体地，增益可调的放大模块I包括精密低功耗仪表放大器INA118UB，参考电压输出模块包括一运放U2A，低通滤波器包括电阻R10、电阻R11、电容C4～C6，电阻R10的一端连接mV信号的负端，另一端连接电容C4、电容C6的一端，电阻R11的一端连接mV信号的正端，另一端连接电容C6的另一端、电容C5的一端，电容C5与电容C4共地，电容C4与电容C5分别连接精密低功耗仪表放大器INA118UB的2脚与3脚。精密低功耗仪表放大器INA118UB的1脚与8脚之间连接一可调的增益电阻，该增益电阻由电阻R9与电位器RA1串联而成。
运放U2A的正向输入端连接可调的电压，该可调电压由恒流源与一电位器RA2提供。恒流源为REF200，恒流源REF200的1脚与7脚分别连接电位器RA2的两个固定端，电位器RA2的可调端连接运放U2A的正向输入端，运放U2A的反向输入端连接到精密低功耗仪表放大器INA118UB的参考引脚，即5脚。精密低功耗仪表放大器INA118UB的6脚作为输出端，输出电压信号VM。恒流源REF200的8脚经电容C10接地，同时8脚连接电压DVCC；恒流源REF200的1脚与7脚之间并联串联连接的电阻R12和电阻R13，电阻R12与电阻R13的公共端接地，同时与REF200的2脚连接，REF200的2脚接电压NVCC。
于本实施例中，R10、R11、C4～C6组成低通滤波器，R10＝R11＝10k，C4＝C5＝1000Pf，C6＝0.047μF。
其中,差模滤波-3DB带宽为：BWDIFF＝1/(2*π*R10(2*C4+C6))＝325Hz；
共模滤波-3DB带宽为：BWCM＝1/(2*π*R10*C6)＝15.923k Hz。
电压VF范围为0-0.6V，由于mV信号范围预期是0-20mV,因此放大倍数大约为：GAIN＝0.6/0.02＝30
INA118UB的增益设置公式为:
GAIN＝1+50k/(R9+RA1)＝30,R9＝1K,得出RA1＝724Ω,考虑到mV输入最大会在20毫伏上下波动,RA1选取1kΩ可调,使得输出动态范围不变情况下,输入mV信号根据口径和一次传感器不同可以更改调整RA1保证动态范围不变。
如图4所示，比例系数选择调整电路包括一选通模块I和一放大模块II；该选通模块I由信号S0和信号S1作为输入控制信号，其输出端连接到放大模块II的受控端，仪表放大器II的输出端连接放大模块II的输入端；通过信号S0和信号S1控制选通模块I的通道，进一步实现比例系统选择调整电路输出电压的调节。
具体地，选通模块I为多路选择模拟开关U3，具体为4052。控制信号S0和控制信号S1分别连接多路选择模拟开关U3的10脚与9脚。放大模块II包括运放U3A、电位器RA4、电位器RA5、电位器RA3、电阻R14和电阻R15，电阻R14与电阻R15串联连接并形成一电气结点，该电气结点连接到运放U3A的正向输入端，电压信号VM经电阻R14连接到电气结点，电位器RA3、RA4、RA5的一固定端经电阻R15连接到电气结点，电位器R3A的另一固定端连接到多路选择模拟开关U3的1脚，电位器R4A的另一固定端连接到多路选择模拟开关U3的5脚，电位器R5A的另一固定端连接到多路选择模拟开关U3的2脚。放大模块II的受控端指的是电位器RA3～RA5。
于本实施例中，多路选择模拟开关U3由控制信号S0、S1决定标号RK0、RK1、RK2中的一个接电路地，这时调整对应的对应标号所在的电位器就能使放U3A输出与VM成比例关系的信号VK。
如图5所示，偏置选择调整电路包括一恒流源和一选通模块II；该选通模块II由信号S0和信号S1作为输入控制信号，其输出电压VB；通过信号S0和信号S1控制选通模块II的通道实现偏置选择调整电路输出电压的调节。
具体地，恒流源包括芯片REF200，选通模块II为4052，为一多路选择模拟开关。
更加具体地，恒流源还包括电位器RA6～RA8，控制信号S0和控制信号S1分别连接多路选择模拟开关U4的10脚与9脚，电位器RA6～RA8的一固定端连接后与REF200的1脚连接，电位器RA6～RA8的另一固定端分别连接多路选择模拟开关U4的12、14、15脚，电位器RA6～RA8的移动端分别连接多路选择模拟开关U4的1、5、2脚。电阻R17和电阻R18连接形成电气结点并并联于REF200的1脚与7脚之间，同时REF200的7脚与多路选择模拟开关U4的13脚连接。电气结点经电容C17连接到REF200的2脚，同时REF200的2脚接电压NVCC，电气结点接地。
位多路选择模拟开关U4由控制信号S0、S1决定标号RB0、RB1、RB2中的一个成为恒流源U5的负载，此时微调对应标号所在的电位器就能使VB输出不同的电压值。
综上所述，本实施例比较器电路的输出与对应的电位器关系如表1所示。
表1比较器输出与对应的电位器关系如下表
| 钠液温度 | VT(热电偶信号放大电压) | S0输出 | S1输出 | VK调整电位器 | VM调整电位器 |
| 小于300度 | 小于0.43V | 低电平 | 低电平 | RA1 | RA2 |
| 300-400度 | 0.43V～0.57V | 高电平 | 低电平 | RA4 | RA7 |
| 大于400度 | 大于0.57V | 高电平 | 高电平 | RA5 | RA8 |
可得出三个温度区间的mV输入与输出关系式如下：
VF＝VM＝K1*VmV+VB1 (3)
VF＝VM+K2*VM+VB2 (4)
VF＝VM+K3*VM+VB3 (5)
上式中，式(3)为钠液温度小于300度输出至4-20mA转换电路的电压与输入mV信号的关系式；式(4)是钠液温度在300-400度之间时输出电压与mV信号的关系式；式(5)是钠液温度大于400度时输出电压与mV信号的关系式。K1、K2、K3分别表是三个补偿区间的线性系数，用RA1、RA4、RA5调整。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，该补偿装置包括用于对热电偶的输出电压进行放大的仪表放大器I、用于对一次传感器输出电压进行放大的仪表放大器II、比较器电路、偏置选择调整电路、比例系数选择调整电路、加法器I和加法器II；所述比较器电路对仪表放大器I的输出信号进行比较处理后输出信号S0和信号S1，所述信号S0和信号S1分别作为比例系数选择调整电路和偏置选择调整电路的输入信号；所述偏置选择调电路的输出与比例系数选择调整电路的输出作为加法器I的输入，所述加法器I的输出与仪表放大器II的输出作为加法器II的输入。
2.根据权利要求1所述的一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，所述比较器电路具有两个比较阈值，其中第一比较阈值小于第二比较阈值；
当比较器电路的输入电压小于第一比较阈值时，所述信号S0与信号S1同时为低电平；
当比较器电路的输入电压大小第一比较阈值且同时小于第二比较阈值，所述信号S0为高电平，所述信号S1为低电平；
当比较器电路的输入电压大于第二比较阈值时，所述信号S0与信号S1同时为高电平。
3.根据权利要求1所述的一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，所述比较器电路包括第一运放U1A和第二运放U1B，第一运放U1A输出信号S0，第二运放U1B输出信号S1；所述第一运放U1A的输出端与正输入端之间并联电阻R1，第一运放U1A的正向输入端经电阻R2连接仪表放大器I的输出端，所述第一运放U1A的反向输入端与第一阈值比较电压端连接；所述第二运放的输出端与正向输入端之间并联电阻R6，第一运放U1A的正向输入端经电阻R5连接仪表放大器I的输出端，所述第二运放U1B的反向输入端与第二阈值比较电压端连接。
4.根据权利要求3所述的一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，所述第一阈值比较电压端包括串联连接的电阻R3和电阻R4，电阻R3接基准电压，电阻R4接地，电阻R3与电阻R4的连接端与第一运放U1A的反向输入端连接。
5.根据权利要求3或4所述的一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，所述第二阈值比较电压端包括串联连接的电阻R7和电阻R8，电阻R7接基准电压，电阻R8接地，电阻R7与电阻R8的连接端与第二运放U1B的反向输入端连接。
6.根据权利要求1所述的一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，所述仪表放大器II包括一增益可调的放大模块I和参考电压输出模块，一可调的电压输入到参考电压输出模块，参考电压输出模块的输出端连接放大模块I的参考端。
7.根据权利要求6所述的一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，所述仪表放大器II还包括一与放大模块I的电源端连接的滤波电路。
8.根据权利要求7所述的一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，所述滤波电路为低通滤波器。
9.根据权利要求2或3所述的一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，所述比例系数选择调整电路包括一选通模块I和一放大模块II；该选通模块I由信号S0和信号S1作为输入控制信号，其输出端连接到放大模块II的受控端，所述仪表放大器II的输出端连接放大模块II的输入端；通过信号S0和信号S1控制选通模块I的通道，进一步实现比例系统选择调整电路输出电压的调节。
10.根据权利要求9所述的一种mV信号测量温度补偿装置，其特征在于，所述偏置选择调整电路包括一恒流源和一选通模块II；该选通模块II由信号S0和信号S1作为输入控制信号，其输出电压VB；通过信号S0和信号S1控制选通模块II的通道实现偏置选择调整电路输出电压的调节。
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