引言

         渦街流量計(jì)在計(jì)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景。目前，若要利用渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)精密測量，還需要處理本底噪聲問題，因?yàn)樗�是影響測量精度的非常主要因素。

 

         劉三山[1]提出了兩種數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件研制，在硬件電路中應(yīng)用陷波濾波和數(shù)字頻譜相結(jié)合的方法規(guī)避了噪聲影響。黃詠梅等[2]在渦街流量計(jì)的研究中不僅淺顯易懂地講述了渦街檢測原理，也對(duì)檢測方法、檢測難點(diǎn)、發(fā)展趨勢等作了詳細(xì)的介紹。王一樺等[3]成功找到了電荷放大器的主要噪聲影響，給后續(xù)的研究提供了指導(dǎo)。孫穎奇等[4]提出一種思路，利用良好的屏蔽設(shè)計(jì)來減少噪聲對(duì)微弱信號(hào)的干擾，但當(dāng)噪聲直接疊加在渦街流量計(jì)信號(hào)上時(shí)，尤其是低流速情況下，測量流量還是會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，因此在設(shè)計(jì)之初有效估算噪聲強(qiáng)度，有利于確v認(rèn)渦街流量計(jì)能檢測到的信號(hào)非常小測量范圍。

 

         本文針對(duì)上述問題，首先基于Ф50型號(hào)氣體渦街流量計(jì)的前置放大電路進(jìn)行分析，將復(fù)雜的電路等效成簡化電路；接著在特定渦街流量計(jì)前置放大電路的基礎(chǔ)上，對(duì)前置放大器進(jìn)行噪聲量化計(jì)算；非常后基于噪聲影響情況，進(jìn)行精度測量模擬仿真實(shí)驗(yàn)，證實(shí)理論計(jì)算結(jié)果的可靠性。結(jié)果顯示：噪聲測量、算法和精度測試，能夠?yàn)閷?shí)際電路測量中渦街流量計(jì)的性能改善提供理論參考。

 

1 渦街流量計(jì)計(jì)量原理

         渦街流量計(jì)的原理是在氣體或液體等流體中安置阻流體，流體在經(jīng)過阻流體時(shí)會(huì)交替產(chǎn)生兩串規(guī)則的旋渦（這種旋渦稱為“卡門渦街”），旋渦頻率被壓力傳感器檢測到后，利用流量Q與頻率f的關(guān)系式測量流體的流量，即

 Q=f/k (1)

         其中，K是流量計(jì)的流量系數(shù)，可看作固定常數(shù)。

 

2 前置放大電路噪聲分析

         本文選取了非常典型的Ф50型號(hào)氣體渦街流量計(jì)的前置放大電路作為特定樣本對(duì)噪聲進(jìn)行分析。系統(tǒng)噪聲包括電路內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲（也稱固有噪聲），也包括電路外部的干擾噪聲。前置放大器的固有噪聲主要包括電阻熱噪聲、集成運(yùn)算放大器自身的等效噪聲。本章主要對(duì)渦街流量計(jì)系統(tǒng)電阻熱噪聲、運(yùn)算放大器自身的等效噪聲進(jìn)行分析，外部干擾噪聲不在討論范圍之內(nèi)。

 

2.1 熱噪聲原理

（1）電阻熱噪聲：主要由電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起，產(chǎn)生噪聲電壓。電阻兩端產(chǎn)生的熱噪聲電壓有效值Et滿足

 Q=f/k  (2)

其中，k—玻爾茲曼常數(shù)；T—電阻的絕對(duì)溫度；R—電阻的阻值，Ω；B—信號(hào)帶寬。

注：在室溫下（ 1 7 或 290 K ） ，4kT≈1.6×10-20 V2/(Hz·Ω)。

 

（2）阻容并聯(lián)的熱噪聲：為了限制頻帶寬度，有時(shí)要在電阻兩端連接電容。在阻容并聯(lián)的情況，電路中開路的熱噪聲有效值Eto為

其中，C—并聯(lián)電容。

 

可以證明，無源元件的任意連接所產(chǎn)生的熱噪聲等同于等效網(wǎng)絡(luò)阻抗的實(shí)部電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。

 

2.2 運(yùn)算放大器自身等效噪聲分析

運(yùn)算放大器的噪聲模型也可以用等效噪聲模型替代。圖1所示為含噪放大器的電路圖，圖2為噪聲等效電路。其中，e s是被測信號(hào)電壓，Rs是信號(hào)源的輸出電阻，e t是電阻熱噪聲等效的噪聲電壓源，e n和i n分別是放大器自身的等效噪聲電壓源和電流源。

設(shè)e t、e n和i n互不相關(guān)，噪聲電流源可以轉(zhuǎn)化為電壓源i nRs，其有效值的平方表示為

而對(duì)于等效輸入噪聲電壓源en，其平方根譜密度為

 

3 前置放大電路噪聲計(jì)算分析

         因不同電路的需求不同，設(shè)計(jì)一個(gè)電路往往也需要具有一些其他功能，例如去除直流偏置、抑制共模信號(hào)等。本章對(duì)該電路進(jìn)行合理的簡化，以更方便地計(jì)算噪聲，并對(duì)噪聲進(jìn)行等效分析與計(jì)算。

 

3.1 前置放大器電路分析

         渦街流量計(jì)前置放大電路如圖3所示。在該電路設(shè)計(jì)中，采用了SGM8532芯片，利用電路的對(duì)稱性和負(fù)反饋?zhàn)饔�，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。在J 2、R 1和R 2的電路中，交流信號(hào)可以順利通過①、②，而直流信號(hào)因受到C 3、C 4的影響只能走J 1、R 1和R 2的環(huán)路，使得兩條通路的直流信號(hào)電位相同，去除了直流偏置。在對(duì)稱環(huán)路中，為了計(jì)算方便，我們將③等效成地。簡化后的電路圖和等效噪聲電路圖分別如圖4和圖5所示。