電磁流量計(jì)中的抗干擾技術(shù)

電磁流量計(jì)中的抗干擾技術(shù)
   摘.. 要: 為了抑制和排除電磁流量計(jì)測量過程中的干擾, 提高信噪比, 提高測量的精確度和穩(wěn)定性, 討論了電磁流量計(jì)幾類干擾噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)理和特征, 簡要闡述了電磁流量計(jì)的幾種硬件和軟件方面的抗干擾技術(shù)。硬件方面設(shè)計(jì)了高精度低功耗的矩形波激磁電路, 并從激磁電路中引出A/ D轉(zhuǎn)換器的參考電壓, 提高了A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的抗力。軟件方面主要采用.. 計(jì)算斜率法..和.. 正負(fù)差值法..相結(jié)合的方法消除零點(diǎn)漂移。實(shí)驗(yàn)表明, 這些方法在智能電磁流量計(jì)的測量過程中取得了明顯的效果。
   關(guān)鍵詞: 電磁流量計(jì); 抗干擾技術(shù); 噪聲; 計(jì)算斜率法; 正負(fù)差值法
   0 .. 引.. 言
    電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律來測量導(dǎo)電液體的體積流量的儀表, 具有很多突出的優(yōu)點(diǎn), 例如: 無可動部件, 不會產(chǎn)生壓力損失和堵塞管道; 測量導(dǎo)電介質(zhì)的流量, 不受溫度、黏度、密度、壓力、雷諾數(shù)以及在一定范圍內(nèi)電導(dǎo)率變化的影響; 測量原理為線性, 精度高, 測量范圍大; 耐腐蝕性好并且可測量正反流速等等[ 1] 。但在實(shí)際測量中, 干擾信號與有用的信號混在一起, 它們不僅成分復(fù)雜, 而且有時候干擾信號還會比流量信號大。在這種情況下怎樣抑制和排除這些干擾, 提高信噪比, 提高測量的精確度和穩(wěn)定性就成了研制和使用電磁流量計(jì)的一個技術(shù)關(guān)鍵。以往的電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)很多還有待改進(jìn), 例如: 激磁電路基本采用模擬式恒流源, 功耗大的同時也引入了干擾, 并且精確度不高[ 1] ; 轉(zhuǎn)換器大多使用8 位或16 位的單片機(jī), 較為復(fù)雜的算法就難以實(shí)現(xiàn)或響應(yīng)時間過慢[ 2] ; 抗干擾主要集中在硬件電路的設(shè)計(jì)等。本系統(tǒng)采用32 位ARM 處理器, 提高數(shù)據(jù)處理能力和算法復(fù)雜度; 并設(shè)計(jì)了低功耗的激磁電路, 同時利用反饋原理消除激勵電流不穩(wěn)定對A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響并在軟件算法和硬件電路方面提出了有效的消除零點(diǎn)漂移以及其他干擾的措施, 使電磁流量計(jì)測量精度更為提高。
    1 .. 電磁流量計(jì)的測量原理
    由法拉第電磁感應(yīng)定律可知, 當(dāng)導(dǎo)體在磁場中做切割磁力線運(yùn)動時, 在導(dǎo)體兩端就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。設(shè)在磁場強(qiáng)度為B 的均勻磁場中放置一個垂直于磁場方向的直徑為D 的管道, 當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中流動時, 導(dǎo)電液體切割磁力線, 就會在和磁場及流動方向垂直的方向產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極, 兩電極之間就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢[ 1]。如管道內(nèi)流速v 為軸對稱分布, 不考慮感應(yīng)電動勢的正負(fù)可得: U= d .. dt = BdA dt = BD dl dt= BDv ( 1) 其中, B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度, A 為磁通量變化面積, D 為導(dǎo)體長度, dl 為被測介質(zhì)運(yùn)動的距離, v 為被測介質(zhì)運(yùn)動的速度, U 為感應(yīng)電動勢。所測液體的體積流量為: Q= ..D2 4 v= ..D 4B.. U= K.. U ( 2) 式( 1) 說明, 導(dǎo)體在磁場內(nèi)作切割磁力線運(yùn)動, 導(dǎo)體兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 成正比, 與導(dǎo)體的長度D 成正比, 與導(dǎo)體運(yùn)動的速度v 成正比。由式( 2) 可知液體的體積流量與感應(yīng)電動勢成正比, 這就是電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理。
    2 .. 電磁流量計(jì)中的干擾源分析
    傳感器提供給轉(zhuǎn)換器的流量信號是電極間的電位差, 即一種電壓信號。在實(shí)際測量中, 由于電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)以及電化學(xué)電勢等原因, 電極上所得到的電壓不僅僅是與流速成比例的電動勢, 也包含各種各樣的干擾成分在內(nèi)。首先電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場存在大量的工頻信號, 耦合在激磁回路、電極、前端放大器的工頻干擾噪聲對流量測量的準(zhǔn)確性造成極大的影響。其次, 在低頻矩形波激磁方式下, 其干擾主要表現(xiàn)為由激磁電流突變產(chǎn)生的微分干擾信號, 隨著電流的穩(wěn)定, 干擾信號隨之消失; 另外, 由于電磁流量傳感器的.. 變壓器效應(yīng).., 會產(chǎn)生相位上與流量信號相差90..的正交干擾信號; 此外, 由于電磁屏蔽缺陷, 接地不良, 雜散電容等引起返回電流不平衡產(chǎn)生共模干擾, 它可能導(dǎo)致電路某些參考電位變化, 是造成電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的原因之一, 同時產(chǎn)生高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化; 串模干擾是由于印刷電路板設(shè)計(jì)電磁兼容性考慮不足造成的信號質(zhì)量下降, 特別是高速走線和模擬電路易受到影響; 還有就是電化學(xué)極化電動勢干擾, 它是被測液體中電解質(zhì)在感應(yīng)電場作用下在電極表面極化產(chǎn)生, 是電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的主要原因[ 3] 。
    3 .. 智能電磁流量計(jì)的抗干擾措施及其效果分析
    3. 1 .. 高精度的激磁電路的設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)采用6. 25Hz 的雙極性低頻矩形波激磁, 這種激磁方式不僅可以克服直流激磁產(chǎn)生的電極極化效應(yīng), 也可以克服工頻正弦波激磁產(chǎn)生的正交干擾影響。.. .. 以往的激磁電路的設(shè)計(jì)都是采用恒流源和可控開關(guān)電路組成。恒流源是由電壓基準(zhǔn)、比較放大、控制調(diào)整和采樣等部分組成的直流負(fù)反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)系統(tǒng), 常用的激磁電路就是用串聯(lián)調(diào)整型恒流電源盒控制開關(guān)組成的, 如圖1。其中V ref 是參考電壓, Rs 是采樣電阻, Is 為流過Rs 的電流, 就是所需的恒流, RL 為電磁流量傳感器線圈, K1、K2、K3、K4 為可控開關(guān), 以達(dá)到使線圈RL 中流經(jīng)正負(fù)交換的電流, 對傳感器激磁。圖1 .. 常用激磁電路由理想運(yùn)算放大器.. 虛短..原理可知: V r ef - Vs = 0 ( 3) 則.. I s = Vs Rs = V ref Rs ( 4) 由此可知, 要想獲得一個穩(wěn)定的輸出電流Is , 首先, 必須要提供一個高精度的基準(zhǔn)電壓和高精度采樣電阻。由于運(yùn)放在調(diào)整控制過程中的作用, 運(yùn)放的增益直接影響輸出電流的精度, 高增益和低漂移的運(yùn)放是必要的選擇。由于采樣電阻與負(fù)載串連, 流過的電流通常比較大, 因此局部溫度也會隨之上升, 導(dǎo)致元器件溫度上升, 恒流源的溫度穩(wěn)定性變壞, 采樣電阻Rs 隨溫度或其他環(huán)境參數(shù)的變化而改變, 勢必影響Is 的精度。其次, 恒流電源的輸出電流全部流過調(diào)整管, 因此調(diào)整管上的功耗也很大, 必須選擇大功率的晶體管, 然而大功率晶體管需要較大的基極驅(qū)動電流, 以滿足對運(yùn)放有較高驅(qū)動能力的要求。再次, 雙極型三極管的漏電流和電流放大系數(shù)對溫度比較敏感, 溫度穩(wěn)定性較差。還有, 電壓電流變換器使用的負(fù)反饋閉環(huán)控制, 電流穩(wěn)定度與放大器放大倍數(shù)有直接關(guān)系, 在大功率電源里基本上是倒數(shù)關(guān)系。運(yùn)放的溫度漂移和失調(diào)對電路的精度和溫度穩(wěn)定性有很大的影響[ 4]。為此, 設(shè)計(jì)了一個新型的激磁電路, 并將激勵電流反饋到A/ D 轉(zhuǎn)換器, 以消除激勵電流不穩(wěn)定對A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響, 如圖2。
圖2 .. 新型的激磁電路其中+ 24V 是由220V 的交流電通過變壓、整流、濾波之后, 輸入可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317, 通過高精度的滑動變阻器調(diào)節(jié)而得到的恒壓源。LM317 保證1. 5A 輸出電流, 典型線性調(diào)整率0. 01%, 典型負(fù)載調(diào)整率0. 1%, 80dB 紋波抑制比, 輸出短路保護(hù), 過流、過熱保護(hù), 調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)[ 5] 。系統(tǒng)的微控制器采用ARM7 芯片STR710, 通過它的I/ O 端口控制圖2 中的P2. 8 和P2. 9, ARM7 芯片STR710 進(jìn)行控制, 使端口P2 輸出正負(fù)24V 交變的矩形波, 從而對傳感器激磁。另外, Vref( + ) 接該系統(tǒng)A/ D 轉(zhuǎn)換器的參考輸入端VREF( + ) 。整個電路的工作過程為: 當(dāng)P2. 9 為高電平時, Q1、Q2、Q3、Q4 導(dǎo)通, 此時Q5 的基極電流為零, Q5 截止, 此時P2 的端口2 輸出+ 24V 的電壓。此時P2. 8 為低電平, Q6、Q7、Q8、Q9, 此時有電流流經(jīng)Q10基極, 并使其基極和發(fā)射級導(dǎo)通,Q10的功能相當(dāng)于一個二極管的作用, 此時P1 端口沒有電壓輸出。那么, A/ D 轉(zhuǎn)換器的參考輸入端Vref( + ) 為: V ref + R 21 R 20 + R21 .. V p 2 ( 5) 其中, Vp 2 是P2 端口輸出電壓幅值的值, 此處應(yīng)該是+ 24V。整個電路是對稱的, 且R15 = R20 , 當(dāng)P2. 9 為低電平, P2. 8 為高電平時, P2 的端口2 無電壓輸出, 端口1 輸出+ 24V 的電壓, Vref ( + ) 值不變, 如此周而復(fù)始輸出頻率為6. 25Hz 的的雙極性矩形波。用Mult isim 仿真結(jié)果如圖3 所示。此外, 把Vref ( + ) 作為A/D 轉(zhuǎn)換器的參考輸入, 可以大大提高系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。A/ D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果可表示為: D= 2n V ref+ ..V in= 2n V ref+ ..K 0.. V out ( 6) 其中, V in為經(jīng)放大、濾波處理過的電壓信號, 也是A/ D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號, V out為傳感器輸出的原始流量信號, K 0 為信號放大倍數(shù)。圖3 .. 激磁電路仿真結(jié)果由公式( 1) 可知: V out= B..D.. v ( 7) 通電螺線管線圈產(chǎn)生的磁場為: B= ..0..N ..I l ( 8) 其中, ..0 為真空磁導(dǎo)率, N 為傳感器線圈匝數(shù), I 為流過線圈的電流, l 為線圈的長度。由圖2 可知: I = V r ef+ R21 ( 9) 把式( 7)、(8)、(9) 帶入式( 6) 可得: D= 2n V ref+ .. K 0 .. ( ..0 .. N .. V ref+ R 21 .. l ) .. D .. v = 2n..K 0.. ..0..N..l ..D R 21 ..v (10) 設(shè): K = 2n..K 0.. ..0..N..l ..D R 21 (11) 那么.. D= K .. v (12) 由式( 11)、(12) 可知, 在保證R21 精度的前提下, A/ D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果只與液體的流速有關(guān), 不受電磁流量傳感器線圈電阻變化的影響。該電路通過MCU 控制三極管的通斷得到激磁信號, 三極管的為電流控制元件, 該電路實(shí)現(xiàn)了小電流控制大電壓, 三極管的功耗低, 電路的響應(yīng)速度快, 溫度穩(wěn)定性好, 抗力強(qiáng), 對電磁流量計(jì)整體精度的提高起到了決定性的作用。
    3. 2 .. 微分干擾和工頻干擾的消除
    信號中往往同時存在微分干擾和工頻干擾信號, 在信號處理電路中的低通濾波往往很難將工頻干擾*濾出。本系統(tǒng)采用了同步采樣和工頻補(bǔ)償技術(shù), 以抑制流量信號電勢中混入工頻干擾和工頻電源頻率波動產(chǎn)生工頻干擾, 并有效去除微分干擾。同步采樣技術(shù), 采樣開始時間滯后激磁信號1/ 4 個周期, 其采樣脈寬為工頻周期的偶數(shù)倍, 消除微分干擾的同時使流量信號電勢中工頻干擾平均值等于零, 以消除工頻干擾的影響; 工頻電源的頻率波動補(bǔ)償是保證頻率的動態(tài)波動中, 激磁電源和采樣脈沖得以同步調(diào)整, 真正實(shí)現(xiàn)
同步采樣技術(shù)和同步激磁技術(shù), 同步A/ D 轉(zhuǎn)換, 降低了微分干擾和工頻干擾的影響。
    3. 3 .. 零點(diǎn)漂移消除
   所謂零點(diǎn)漂移, 就是當(dāng)傳感器的輸入信號為零時, 放大器的輸出并不是零[ 6]。零點(diǎn)漂移的信號會在各級放大的電路間傳遞, 經(jīng)過多級放大后, 在輸出端成為較大的信號, 由于傳感器輸出的有用信號較弱, 零點(diǎn)漂移就可能將有用信號淹沒, 使電路無法正常工作。零點(diǎn)漂移可分為基線零點(diǎn)漂移和斜率零點(diǎn)漂移[ 7]。對于零點(diǎn)漂移的抑制, 該系統(tǒng)采用軟硬件相結(jié)合的措施。硬件電路方面, 采用三運(yùn)放的差動電路輸入, 實(shí)現(xiàn)對大內(nèi)阻的微弱信號采集, 并有效抑制了共模信號的引入[ 8] 。一級放大電路之后采用隔直電容, 濾除基線零點(diǎn)漂移, 防止直流信號過大, 超出A/ D 轉(zhuǎn)換的輸入范圍。有時硬件的方法是不可能*系統(tǒng)的要求的, 必須結(jié)合軟件的方法才能更好地達(dá)到系統(tǒng)的要求, 也就是現(xiàn)在所說的軟件即是虛擬硬件。結(jié)合硬件采用軟件的方法簡單易行, 可以很好消除采集數(shù)據(jù)中的零點(diǎn)漂移, 并且其成本比用硬件的方法低, 改進(jìn)軟件的算法可以方便實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的改進(jìn)。對于該系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移, 采用.. 計(jì)算斜率法..和.. 正負(fù)差值法..相結(jié)合的方法可以很有效地消除基線零點(diǎn)漂移和斜率零點(diǎn)漂移對電磁流量計(jì)精度的影響。圖4 為經(jīng)過信號處理和同步采樣后的信號, 同時存在基線零點(diǎn)漂移和斜率零點(diǎn)漂移。斜率零點(diǎn)漂移則多見于積分系統(tǒng), 隨著時間的推移, 積分器的零點(diǎn)可能會出現(xiàn)隨時間累加漂移。此外, 外界的環(huán)境溫度的變化也是斜率零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的重要原因。圖4 .. 經(jīng)過同步采樣后的信號鑒于斜率零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的機(jī)理, 可以在標(biāo)定的時候確定零點(diǎn)漂移的斜率K 。也就是在管道液體靜止不動流量為零的時候?qū)敵鲂盘栠M(jìn)行采樣, 設(shè)從時間t 1 進(jìn)行采樣, 采樣歷時..t , 經(jīng)過一段時間后又從t 2 開始采樣, 歷時..t 后采樣結(jié)束。分別得到兩組離散的信號x 1 到x n 和x..1 到x..n , 分別除去值、最小值后對剩下( n - 2) 個值進(jìn)行平均, 得: x = 1 n - 2 .. x i( x i .. x max 且xi .. x min) (13) x.. = 1 n - 2 .. x..i ( x..i .. x..max 且x..i .. x..min) (14) 那么斜率零點(diǎn)漂移的斜率為: k = x..- x t 2 - t 1 (15) 對于基線零點(diǎn)漂移, .. 正負(fù)差值法.. 是比較有效便捷的選擇, 它不需要直接消除信號中的基線零點(diǎn)漂移, 而是通過算法上去掉基線零點(diǎn)漂移對測量結(jié)果的影響。該系統(tǒng)中, 激磁信號的頻率為6. 25Hz, 由于所測量的液體流速不會有明顯的突變, 所以在信號的一個周期0. 16s 內(nèi), 可以采用一個波峰減去波谷的均值來表示此時的流量信號, 也即如圖3 中| y 4- y 1 | , 其中y 4 是從nT + T / 4 到nT + T / 2采樣結(jié)果的算術(shù)平均值, y 1 是從到( n + 1) T 進(jìn)行采樣結(jié)果的算術(shù)平均值。但是由于斜率零點(diǎn)漂移的存在, 會出現(xiàn)如圖3 中| y 3- y 2 | 的誤差, 所以需要利用式( 15) 的結(jié)果對該誤差進(jìn)行修正, 修正后的結(jié)果也就是此時管道中液體感應(yīng)出的電動勢為: U = 12 | y3- y 2+ k .. T2 | = 12 | y 3- y2+ x..- x t 2- t1 .. T2 | (16) 對于式( 16) 結(jié)果, 去除了工頻干擾、微分干擾、零點(diǎn)漂移的影響, 大大提高了電磁流量計(jì)的測量精度。
    3. 4 .. 其他去除干擾的措施
    對于由電磁流量傳感器的.. 變壓器效應(yīng)..所產(chǎn)生的正交干擾, 采用.. 變送器調(diào)零法..來消除, 這個方法既方便又實(shí)用。軟件設(shè)計(jì)方面, 采用了數(shù)字濾波技術(shù), 它能完成模擬濾波不能完成的功能, 很容易剔出脈沖干擾, 消除數(shù)字電路毛刺, 提高A/ D 轉(zhuǎn)換的抗工頻力以及輸入微處理器數(shù)字的可靠性。此外, 還采用了掉電保護(hù)技術(shù), 軟件指令冗余措施, 軟件陷阱抗干擾方法以及看門狗技術(shù), 這些措施的采用有效地排除了智能電磁流量計(jì)微處理器失控。在PCB 電路板制作上, 采用數(shù)字地與模擬地分開走線并加粗, 最后用0 歐電阻單點(diǎn)相連。數(shù)字電源與模擬電源也分開供電, 合理加裝了去藕電容, 并協(xié)調(diào)好不同類型IC 的點(diǎn)評匹配。數(shù)字信號和模擬信號分開走線, 有效防止了并行走線產(chǎn)生寄生電容和共生電容。選擇高性能的抗干擾芯片, 這是抗干擾技術(shù)重要環(huán)節(jié)。在電磁流量計(jì)的安裝方面, 使傳感器的外殼應(yīng)接
地, 并且將流量調(diào)節(jié)閥門放在流量計(jì)的下游, 垂直安裝(若水平安裝的流量計(jì)應(yīng)保證上游10 倍直徑, 下游5 倍直徑的直管段) , 這樣達(dá)到整流的目的, 從而減小了流速分布不均對測量精度的影響。減短信號傳送電纜, 否則由電纜分布電容引起的負(fù)載效應(yīng)就會增大測量誤差, 也增加了信號受到干擾的可能。
    4 .. 結(jié)束語
    智能電磁流量計(jì)多種抗干擾技術(shù)的采用, 大大抑制和消除了干擾信號對有用信號的影響, 增強(qiáng)了電磁流量計(jì)的抗力, 經(jīng)電磁流量計(jì)制作樣機(jī)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明, 測量精度可達(dá)到0. 5%, 提高了以往測量的精度和可靠性。參考文獻(xiàn): [1] .. 蘇.. 星. 基于ARM 的電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的研制[ D] . 杭州: 浙江大學(xué)信息學(xué)院, 2006. [ 2] .. 王.. 達(dá). 基于LPC2106 的電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器[ J] . 測量與設(shè)備, 2007( 1) : 13- 15. [ 3] .. Yan Yi. Exciting Frequency Optimization for Electromagnetic Flow Meter with Genetic Algorithm[ C] / / IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. Warsaw, Poland: [ s. n. ] , 2007: 1- 3. [ 4] .. 霍玉文. 實(shí)用恒流源電路設(shè)計(jì)[ J] . 電子測量技術(shù), 2002 ( 5) : 25- 26. [ 5] .. 2009 Fair child Semiconductor Corporation LM317 pinsheet [ EB/ OL ] . 2009. http: / / www. fairchildsemi. com/ ds/ LM/ LM317. pdf, 2009/ 2009. [ 6] .. 王.. 旭. 傳感器放大器零點(diǎn)漂移的分析及電路設(shè)計(jì)[ J] . 煤礦機(jī)械, 2009, 30( 1) : 36- 38. [ 7] .. 王獻(xiàn)青. 直接耦合放大電路中零點(diǎn)漂移的分析[ J] . 動力與電氣工程, 2008, 32: 108- 109.--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：