流量标准装置前端脉冲信号处理方法

韩义中，官志坚

(中航长城计量测试(天津)有限公司，天津300457)

0 引言

流量标准装置作为量值传递与溯源中的重要环节，用于对流量计进行检定与校准。其按介质可分为气体流量标准装置、液体流量标准装置等;按原理可分为质量法流量标准装置、容积法标准装置、标准表法流量标准装置等。无论何种类型的流量标准装置都要涉及到对被检流量计的输出信号进行采集。

流量计常见的输出形式有脉冲信号输出、电压信号输出、电流信号、数字通信输出、直接显示输出等。其中电压信号与电流信号为标准0～5 V或4～20 mA等输出信号，采用数字多用表等可进行直接测量，无需其它额外的转换。数字通信输出则是采用专用软件或通信设备进行读数。直接显示输出采用人工读数的方法进行数据记录。脉冲信号输出类流量计则需要额外的转换电路将各种方波脉冲信号转换为标准的TTL信号，然后接入到流量标准装置的计数器进行数据采集。本文就是针对流量标准装置前端脉冲信号处理部分常见的问题展开研究，确保将不同流量计输出的脉冲信号转化为标准的TTL信号并消除干扰。

1 流量标准装置前端脉冲信号处理常见问题

流量标准装置前端信号处理电路起着将各种流量计输出的脉冲信号转化为标准TTL信号的作用，为后续计数器提供脉冲信号源。一般采用电平比较的方式实现，即设置一个比较电压(如2.5 V)，当脉冲幅值大于此电压时判定为TTL高电平，当脉冲幅值小于此电压时判定为TTL低电平，或相反。

其中主要涉及到两个问题:一是对各种幅值脉冲信号的适应性，能确保大多数流量计脉冲信号能转化为TTL信号;二是滤波，滤除各种干扰脉冲。

目前流量标准装置前端信号处理电路多采用单一比较电压进行比较，很多特殊幅值的流量计无法直接处理，还需外加辅助措施。一般装置采用简单电容滤波处理，无法滤除所有干扰且出现波形变化的现象。

针对以上2个主要问题，本文采用了可变门限电压比较及脉冲宽度滤波的方式进行处理。

2 可变门限脉冲比较电路

2.1 可变门限范围选择

目前工业用流量计供电主要是5，12，24 V，最高脉冲输出电压不超过24 V，但其低电平电压则各不相同。常用流量计的低电平输出接近0V，但2线制脉冲输出类流量计等特殊形式的流量计则有其独特性。图1为典型两线制涡轮流量计脉冲输出接线图，表1为国产LWGY涡轮流量计输出幅度与负载电阻关系表。

图1 两线制脉冲输出接线图

表1 典型两线制脉冲输出R与输出电压关系

从表1可以看出负载电阻不同影响其输出电压也不同，综合常规流量计以及两线制流量计的特点，选取可变门限电压变化范围为1～12 V，可满足绝大多数流量计的波形比较要求。

2.2 可变门限比较电路设计

比较电路一般可通过通用运算放大器或专用比较器实现。比较器比通用运放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率较高(使比较器响应速度更快)。另外，比较器的输出级常用集电极开路结构，应用上更加灵活。本文选用了常用LM311比较器。具体电路如图2所示。

3 脉冲宽度滤波电路

脉冲输出类流量计按脉冲的来源分为两种:一种是直接感应产生，并经放大输出，如涡轮与容积式流量计;另外一种是通过显示流量计算后数字化处理输出，如科里奥利质量流量计。本文主要是针对前一种流量计，后一种流量计直接采用数字化处理实现，没有小信号放大过程，一般抗干扰能力较强。

3.1 脉冲信号干扰分析

形成干扰的基本要素有三个:干扰源、传播路径、敏感器件。抗干扰设计的基本原则是:抑制干扰、切断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能。以流量标准装置检定常见的涡轮流量计为列，涡轮流量计的构造如图3所示。

在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体通过管道时冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会

图2 可变门限比较电路

采用了参考电压源TL431芯片产生10V参考电压，通过可变电阻R13调节比较电压，LM358用于参考电压的放大。最终比较电压可在0～10 V之间调节。

采用了LM311作为比较器，其可以单电源供电，最大供电电压为36 V，输出为集电极开路输出，上拉电阻接至5 V电源时与TTL电平兼容。

同时考虑到LM311的高带宽以及流量计波形受干扰可能在脉冲输出的上升与下降沿产生高频震荡，比较器通过R3与R1构成迟滞电压比较器，迟滞电压约为0.2V。另外在脉冲输入端加入了C19电容进行简易滤波。引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号。

图3 涡轮流量计结构示意图

在这里干扰源为流量标准装置所使用的电机、变频器、继电器等;传播途径为导线、空间等;敏感元件为传感器线圈。图4为某流量计实际受干扰后的信号(图左面为整体信号，图右边为下降沿放大信号)。

图4 某流量计实际受干扰后信号

产生以上干扰的原因分析如下。传感器线圈感受到的电压一般为几十mv(波形为正弦波)极易受外界干扰，在正弦信号上叠加大的高频干扰信号，在单个周期内产生多个多零点。而流量计后端放大电路一般采用过零比较放大的形式，造成以上现象。

以上高频干扰现象一般可通过加电容滤波的方式解决。在正弦波真实的过零点处除了高频干扰，还有比较器由于高带宽、高增益造成的高频震荡(如图4右边所示)，此部分加电容难以解决，电容太小不足以消除震荡，电容太大则造成波形的畸变，甚至使脉冲幅度变小，使后端计数器无法工作。

对流量计脉冲信号分析可知，叠加于流量计方波信号的干扰或震荡一般是尖峰脉冲信号。尖峰干扰信号与有用信号的频带不同，尖峰干扰的频率往往比流量计方波信号要高很多，即尖峰干扰的脉宽与流量计方波信号相比很窄。利用这一特点从切断干扰传播路径人手，设计一种脉宽数字滤波电路，当脉宽小于某一设定值时，不可能是真实的流量计脉冲信号，因此给以滤除。在本设计方案中，滤波脉宽的选择是影响脉宽滤波器滤波效果的关键，脉宽太小，部分较强干扰信号不能与流量计脉冲信号分离;太大将会使流量计信号失真。

涡轮、容积式等直接感应式流量计产生的方波信号最大频率一般小于3 KHz，考虑到叶片制造、安装等因素造成脉冲方波信号占空比的变化，将滤波宽度设计至4 KHz可满足此类信号的滤波要求。

3.2 脉冲宽度滤波电路设计

脉冲宽度滤波电路设计如图5所示。工作原理分析如下:

流量脉冲信号RF1_2与反向后的信号RF1_3连接到74HC4520计数器，在正周期时U1处于复位状态输出=0，U2处于计数状态，此时U2对CLK1M(1MHz时钟，对应的滤波时间常数128μs，滤波频率为3.9KHz)计数，当正周期持续时间大于滤波宽度时U2输出高电平，当正周期持续时间小于滤波宽度时U2不可能输出高电平。

图5 脉冲宽度滤波主体电路

同理，在负周期时U2处于复位状态输出=0，U1处于计数状态，此时U1对CLK1M计数，当负周期持续时间大于滤波宽度时U1输出高电平，当正周期持续时间小于滤波宽度时U1不可能输出高电平。

只有正、负周期的脉冲宽度都大于滤波宽度时，才认为是真正的流量计信号，通过触发器74HC74产生流量脉冲信号。

4 实验验证

采用Agilent33120信号源、DS1102E示波器对本设计进行测试，得其比较门限的变化范围为1～12 V，对4KHz以上的脉冲方波能有效滤波。最后在本所的流量装置上对图4中出现过干扰的流量计进行实际测试，其波形如图6所示，完全消除干扰。

图6 脉冲宽度滤波后流量计波形

5 结束语

本文介绍的可变门限脉冲比较电路与脉冲宽度滤波电路，可大大提高流量标准装置对不同脉冲输出类流量计数据采集的适应性与抗干扰能力。原理与结构简单，无需对现有的流量计标准装置采集系统进行改造，简单串入即可，具有良好的应用前景。

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