摘要:渦(wo)街流量(liang)計 測量(liang)阻流體(tǐ)時物理(li)信号動(dòng)态範圍(wéi)大，尤其(qí)在測量(liàng)弱信号(hao)🏃‍♂️時易💃受(shou)噪聲影(ying)響，因此(cǐ)其前置(zhi)放大電(dian)路性能(neng)必🔞須充(chong)分考慮(lü)電路本(běn)底噪聲(sheng)因素。分(fèn)析了φ50型(xing)号氣體(ti)渦街流(liú)量計前(qián)置放大(dà)電路的(de)系統噪(zào)聲組成(cheng)，對電路(lu)噪聲進(jìn)行分析(xī)、計算，得(de)出理論(lùn)上的電(dian)路本底(di)等效噪(zao)聲值爲(wei)4.59μV。利用Multisim14.0作(zuo)爲仿真(zhēn)環境進(jin)行測試(shì)驗證，表(biao)明利用(yong)⭐此電路(lu)可檢測(cè)10μV以🐪上的(de)信号。提(tí)出的電(diàn)路設計(ji)爲實際(ji)電路優(yōu)化提供(gòng)了理論(lùn)參考依(yi)據。
引言(yán).
　　渦街流(liú)量計在(zài)計量領(lǐng)域具有(you)廣泛的(de)應用場(chang)景。目前(qián)，若要利(li)用渦街(jiē)流量計(ji)實現精(jing)密測量(liang)，還需要(yào)處理本(ben)底噪聲(shēng)問題，因(yīn)爲它是(shi)影響測(cè)量精度(dù)的最主(zhǔ)要因素(su)。
　　本文針(zhen)對上述(shù)問題，首(shǒu)先基于(yu)中50型号(hào)氣體渦(wō)街流量(liàng)計的✂️前(qian)置👉放大(dà)電路進(jin)行分析(xī)，将複雜(zá)的電路(lu)等效成(chéng)簡化電(dian)路;接着(zhe)在特♻️定(dìng)渦街流(liú)量計前(qián)置放大(dà)電路的(de)基礎上(shang)，對前置(zhì)放大器(qì)進行噪(zào)聲量化(hua)計算;最(zui)後基于(yú)噪聲影(ying)響情況(kuàng)，進行🏃🏻‍♂️精(jing)度測量(liàng)模拟仿(páng)真實驗(yan)，證實理(li)🌈論計算(suàn)結果❗的(de)可靠性(xìng)。結♋果顯(xian)示:噪聲(shēng)測量、算(suan)法和精(jīng)度測試(shì)，能夠爲(wèi)實際電(diàn)路測量(liang)中渦街(jiē)流量計(ji)的性能(neng)改善提(tí)供理論(lùn)參考。
1渦(wō)街流量(liàng)計計量(liang)原理
　　渦(wō)街流量(liang)計的原(yuán)理是在(zai)氣體或(huo)液體等(deng)流體中(zhong)安置阻(zu)流體，流(liú)體在經(jīng)過阻流(liú)體時會(huì)交替産(chǎn)生兩串(chuàn)規則的(de)旋渦(這(zhe)種旋渦(wo)稱爲“卡(ka)門渦街(jiē)”)，旋渦頻(pin)率被壓(ya)力傳感(gǎn)器檢測(ce)到後，利(li)用流量(liang)Q與頻率(lǜ)f的關系(xì)式測量(liang)流體的(de)流量，即(jí)
Q=f/K
　　其中，K是(shi)流量計(ji)的流量(liàng)系數，可(kě)看作固(gù)定常數(shu)。
2前置放(fang)大電路(lu)噪聲分(fèn)析
　　本文(wen)選取了(le)最典型(xing)的中50型(xing)号氣體(tǐ)渦街流(liú)量計的(de)前置放(fàng)大電🔞路(lù)作爲特(te)定樣本(běn)對噪聲(sheng)進行分(fen)析。系統(tong)噪聲包(bāo)💃括電路(lu)内部産(chǎn)生的噪(zao)聲(也稱(cheng)固有噪(zao)聲)，也包(bao)括電路(lù)外🐕部的(de)幹✔️擾噪(zao)聲。前置(zhi)放大器(qì)的固有(yǒu)噪聲主(zhǔ)要包括(kuo)電阻熱(re)噪聲、集(ji)成運算(suàn)放大器(qì)自身的(de)等效噪(zao)聲💞。本章(zhāng)主要對(dui)渦街流(liú)量計系(xì)統電阻(zu)熱噪聲(shēng)、運算放(fàng)大❗器自(zi)身的等(deng)效噪聲(shēng)進行分(fèn)析，外部(bu)幹擾噪(zào)聲不在(zài)讨論範(fan)圍之内(nèi)。
2.1熱噪聲(shēng)原理
(1)電(dian)阻熱噪(zào)聲:主要(yao)由電子(zǐ)的随機(jī)熱運動(dòng)引起，産(chan)生噪聲(shēng)電壓。電(dian)阻兩端(duān)産生的(de)熱噪聲(shēng)電壓有(you)效值E,滿(mǎn)足
Q=f/K
　　其中(zhong)，k一玻爾(er)茲曼常(chang)數;T一電(diàn)阻的絕(jué)對溫度(dù);R一電阻(zu)的阻值(zhí)⛱️,Ω;B一信号(hao)帶寬。
注(zhu):在室溫(wēn)下(17或290K)，4kT≈1.6x12-15V2/(Hz.Ω)。.
(2)阻(zǔ)容并聯(lián)的熱噪(zào)聲:爲了(le)限制頻(pín)帶寬度(du)，有時要(yào)在電❌阻(zu)❗兩端連(lian)接電容(rong)。在阻容(rong)并聯的(de)情況，電(diàn)路中開(kai)💚路的熱(re)噪聲有(you)效值E10爲(wèi)
 
　　其中，C-并(bing)聯電容(róng)。
　　可以證(zheng)明，無源(yuan)元件的(de)任意連(lian)接所産(chan)生的熱(re).噪聲🔞等(deng)同于等(deng)效網絡(luo)阻抗的(de)實部電(diàn)阻所産(chǎn)生的熱(re)噪聲。
2.2運(yun)算放大(da)器自身(shen)等效噪(zào)聲分析(xi)
　　運算放(fang)大器的(de)噪聲模(mo)型也可(kě)以用等(deng)效噪聲(shēng)模型替(ti)代。圖🤩1所(suo)示爲含(hán)噪放大(dà)器的電(dian)路圖，圖(tu)2爲噪聲(shēng)等效電(dian)路。其中(zhong)，es是被測(ce)☀️信号電(dian)壓，Rs是信(xìn)号源的(de)輸出電(dian)阻，e1是電(diàn)阻熱噪(zao)🔴聲等效(xiào)的噪聲(shēng)電壓源(yuán)☎️，en和in分别(bié)是放大(dà)器自身(shen)♊的等效(xiào)噪🌍聲電(diàn)壓源和(hé)電流源(yuán)。
　　設et,en和in互(hu)不相關(guan)，噪聲電(dian)流源可(kě)以轉化(huà)爲電壓(yā)源inRs，其有(you)效值的(de)平方表(biǎo)示爲
 
3前(qian)置放大(dà)電路噪(zao)聲計算(suàn)分析
　　因(yīn)不同電(dian)路的需(xu)求不同(tóng)，設計一(yī)個電路(lù)往往也(ye)需要㊙️具(ju)有一🐕些(xie)其他功(gōng)能，例如(ru)去除直(zhí)流偏置(zhi)、抑制共(gong)🙇🏻模信号(hào)等。本章(zhāng)對該電(diàn)路㊙️進行(hang)合理的(de)簡化，以(yǐ)更方便(biàn)地計算(suàn)噪聲，并(bìng)對噪聲(shēng)進行📐等(deng)效分析(xi)與計算(suan)。
 
3.1前置放(fàng)大器電(dian)路分析(xī)
　　渦街流(liu)量計前(qian)置放大(da)電路如(rú)圖3所示(shì)。在該電(diàn)路設計(jì)⚽中，采🚶用(yòng)了SGM8532芯片(pian)，利用電(diàn)路的對(duì)稱性和(he)負反饋(kui)作用，有(yǒu)效地穩(wen)定靜态(tài)🐉工作點(diǎn)，以放大(da)差模信(xìn)号，抑制(zhi)共模信(xin)号。在J2，R,1和(he)R2的電路(lu)中，交流(liu)信号可(kě)以順利(li)通過①、②，而(ér)直流信(xìn)号因受(shou)到C3、C4的影(ying)響隻🔴能(neng)走J1,R1和R2的(de)環路,使(shi)得兩條(tiáo)通路的(de)👨‍❤️‍👨直流信(xin)号電位(wei)相同，去(qù)除了直(zhí)流偏置(zhi)。在對稱(cheng)環路中(zhōng)，爲了計(ji)算方便(bian)，我們将(jiāng)③等效成(cheng)♊地。
　　簡化(hua)後的電(diàn)路圖和(hé)等效噪(zao)聲電路(lù)圖分别(bie)如圖4和(hé)圖5所示(shi)。
 
3.2噪聲估(gu)算
　　由式(shì)(2)可知R3和(hé)R4串聯所(suǒ)産生的(de)熱噪聲(sheng)爲Et=2.65×10-7V;
　　由式(shi)(3)可知阻(zǔ)容并聯(lian)所産生(sheng)的熱噪(zào)聲爲
E10=4.47×10-6V。
　　圖(tú)6所示爲(wei)SGM8532芯片手(shou)冊的部(bù)分片段(duàn)，由
　　圖6及(ji)式(5)可得(dé)En=1-04×10-6V。
　　由公式(shi)(4)可知，該(gāi)電路輸(shu)出的噪(zào)聲有效(xiao)值爲
 
　　因(yīn)此，理論(lùn)上該電(diàn)路可以(yi)檢測大(dà)于10μV(大于(yú)噪聲6dB以(yǐ)_上)的微(wei)弱信号(hao)。
4仿真結(jie)果驗證(zhèng)
　　本章利(lì)用Multisim14.0作爲(wei)仿真環(huan)境，其自(zì)帶的噪(zao)聲源可(kě)以使仿(páng)真結果(guo)更加正(zhèng)确。放大(dà)器爲理(li)想放大(da)器，V爲該(gāi)放大器(qi)等效噪(zao)聲源，确(què)保噪聲(sheng)的正确(què)率。
　　電路(lù)仿真結(jie)果如圖(tú)7所示。由(you)仿真結(jie)果可以(yi)看出，在(zai)總🈚的👄噪(zào)🐉聲中👌，V(p-p)大(dà)概爲2~8μV,與(yǔ)實際.結(jie)果相差(chà)不大，在(zài)同一量(liàng)級。實際(jì)噪聲稍(shāo)微小，可(ke)能是輸(shū)出頻率(lǜ)比理論(lùn)值♍略小(xiǎo)導緻的(de)。
5結束語(yǔ)
　　本文首(shǒu)先簡要(yào)介紹了(le)渦街流(liu)量計原(yuán)理及構(gòu).成，然🈲後(hòu)🌈着🐅重分(fèn)析了渦(wo)街流量(liang)計前置(zhì)放大電(dian)路的各(gè)種😄噪聲(shēng)及公🏃‍♂️式(shi)，并😄以典(dian)型的🐉φ50型(xing)号氣體(ti)渦街流(liú)量計的(de)🧡前置放(fàng)大電路(lu)作爲特(tè)定樣本(ben)，在建立(lì)噪聲模(mó)型的💯基(ji)礎.上，簡(jiǎn)單、有效(xiào)地計算(suan)得到了(le)渦街流(liu)量計前(qián)置放大(da)電路的(de)噪聲。通(tōng)過對電(dian)路進行(háng)仿🔆真驗(yan)證，佐證(zhèng)了理論(lun)計算的(de)有效性(xing)。該電路(lù)可以.測(ce)量大于(yu)🛀🏻10μV的渦街(jie)信号，爲(wei)後續實(shi)測及電(dian)路優化(hua)提📐供理(li)論參考(kǎo)依據。

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