窄帶濾波微流量電磁流量計的相關技術
窄帶濾波微流量電磁流量計的相關技術
摘.. 要: 微流量信號是疊加著多種噪聲干擾的弱信號, 為了準確提取流速信號, 在電磁流量計中采用窄帶濾波信號調理技術, 濾除高次諧波, 取出信號基波, 再經相敏解調、低通濾波消除微分噪聲和同相噪聲, 提高微流量信號的信噪比. 根據窄帶濾波對交變磁場的要求, 提出并制作每個周期內激磁電流平均值恒定的恒均值電流源. 對其在環境溫度、電網電壓發生變化時的穩定性進行了理論分析和實測驗證. 實際應用證明, 可將電磁流量計測量下限擴展到0..002 m3 /h, 實現微流量準確測量.
關鍵詞: 窄帶濾波; 微流量測量; 電磁流量計; 激磁電流源
現代工業生產, 尤其醫藥衛生、生物工程和精細化工等行業需要微流量測量的場合越來越多, 提高微流量流量計的性能指標已引起人們重視[ 1] . 由于微流量電磁流量傳感器的輸出信號比較微弱, 通常低至微伏級, 且使用環境復雜, 受多種噪聲干擾, 常常被淹沒[ 2 ] . 現有電磁流量計的信號調理技術, 制約測量下限的擴展. 本文提出窄帶濾波信號調理技術和恒均值電流激磁技術, 使微流量信號的信噪比得以提高.
1.. 窄帶濾波電磁流量計工作原理
由法拉第電磁感應原理得知, 當測量管路中的導電流體以流速v ( t) 作切割磁感線運動時, 將在檢測電極間得到感應電動勢( 流量信號) e( t) [ 3] . 圖1為窄帶濾波微流量電磁流量計原理框圖, 激磁電源驅動傳感器的線圈產生交變磁場B ( t), 若以B ( t ) 為載波信號, 流速v( t ) 為調制信號, 則感應電動勢e( t) = D B ( t), v ( t) (D為檢測電極間距離), 實現信號的調制. 微流量電磁傳感器輸出的感應電動勢e( t) 一般只有微伏級, 而且疊加多種噪聲干擾, 不能進行直接測量, 需經前置放大、窄帶濾波取出其基波e1 ( t), 用解調脈沖p ( t) 對e1 ( t ) 進行相敏檢波獲得流速信號基波v1 ( t) = e1 ( t ) p ( t ), v1 ( t ) 的平均值、峰值均可表征導電流體的流速信息, 對其進行積算即可測出流體的流量.
2.. 信號調理技術
信號調理技術是電磁流量計的核心技術. 它不僅要對流量信號e( t) 進行放大, 更為重要的是在噪聲干擾嚴重的條件下, 如何有效地降低噪聲功率, 提取有用的流速信號v1 ( t). 電磁流量計的感應電動勢疊加著多種噪聲干擾, 如: 共模噪聲、串模噪聲[ 4] 、微分噪聲[ 5] 、電化學噪聲和流動噪聲等[ 6] , 表示為e( t) = A1 s in( ..t + ..1 ) + .. .. n = 2An sin( n..t + ..n ) + ec + ed + ..1 dB dt + ..2 d2B dt2 + n( t ) . 式中: 前兩項為流量信號的基波和高次諧波; ec 為共模噪聲; ed 為串模噪聲; ..1 dBdt 為微分噪聲; ..2 d2B dt2 為同相噪聲; n ( t) 為其他噪聲(電化學噪聲、流動噪聲等). 圖1.. 微流量電磁流量計原理框圖
2..1.. 窄帶濾波信號調理技術
當前在智能電磁流量計中大多應用峰值采樣保持信號調理技術, 雖能消除微分噪聲的影響, 但因采用了寬帶信號放大電路, 噪聲隨信號一同被放大, 必然使噪聲頻譜混疊或移頻到流量信號的頻帶內, 使e( t) 的信噪比很低, 導致電磁流量計的分辨率差, 準確度低, 流量的下限難以擴展[ 7] . 峰值采樣保持信號調理技術制約了電磁流量計性能指標的進一步提高. 因此, 采用圖2所示的窄帶濾波信號調理技術, 先對放大后的流量信號e( t) 進行窄帶濾波, 濾除高次諧波, 取出基波分量e1 ( t), 并使噪聲功率隨帶寬減小而降低, 提高信噪比, 再利用相敏解調降低微分噪聲影響, 得到較為理想的流速信號v1 ( t). 圖2.. 窄帶濾波及相敏解調電路
2..2.. 抑制微分噪聲技術
在多種噪聲干擾中, 由測量電極引線的單匝變壓器效應所產生的微分噪聲影響較大[ 8] , 其特點是當信號電平達到穩態時, 微分噪聲衰減為零[ 9] . 峰值采樣保持信號調理技術是在信號達到穩態時進行采樣, 恰好避開微分噪聲的干擾[ 10] . 窄帶濾波信號調理技術, 濾除e( t) 高次諧波后的基波e1 ( t) 中雖然含流量信號的基波es1 ( t ) 和微分噪聲的基波ec1 ( t), 但相位差為90o, 且解調脈沖p ( t) 與es1 ( t) 同步, 與ec1 ( t) 正交. 如圖3所示, 相敏解調將ec1 ( t ) 與p ( t) 相乘, 低通濾波后正負相互抵消, 有效去除了微分噪聲和同相噪聲. 對e1 ( t) 相敏解調、低通濾波和直流放大可得到流速信號V1 ( t).圖3.. 基波信號解調過程波形圖
3.. 激磁電流源技術
峰值采樣保持信號調理技術是對e( t) 的峰值進行采樣、保持測量, 所以只要求采樣時保持磁場B ( t) 穩定[ 11] . 窄帶濾波信號調理技術則是對e( t) 的基波進行平均值測量, 此時要求在e( t) 的每個周期內磁場B ( t) 具有恒定的平均值. 顯然對
產生磁場的激磁電流源有更高的要求, 為此我們設計了在每個周期內電流平均值恒定的恒均值激磁電流源, 產生滿足窄帶濾波調理技術所需的恒均值磁場.
3..1.. 恒均值激磁電流源電路
通過取樣、比較實現閉環反饋調節的恒均值電流源, 如圖4所示. 工作過程: 圖4.. 恒均值電流源電路.. .. 1) 當i ( t) 恒定時, A 點的u0 不變, B 點有I1 = I2, Ic = 0, 電容C 1沒有充電或放電過程, 積分放大器、調整管T 的輸出電壓保持不變, 電路處于穩流輸出狀態; 2) 當i( t) 發生變化, I1 .. I2, Ic( .. 0)對C1進行充電或放電, 經積分放大器調節ub, 改變功率管T 的輸出Ec, 實現i( t ) 的穩流. 當i ( t) 增加, 有: i( t) .. .. u0 .. .. I2 .. .. I1 > I2 .. ub .. .. EC .. .. i( t).. . 若i( t) 減小, 則: i( t) .. .. u0 .. .. I2 .. .. I1 < I2 .. ub .. .. EC .. .. i( t).. . 微流量電磁流量計工作時, 解調脈沖p ( t) 使Q1 ~ Q4開關管交替導通, 恒均值電流i ( t) 作用于激磁線圈, 由激磁電流iL ( t) 產生恒均值穩定的交變磁場B ( t), 如圖5所示. 圖5.. 取樣點電流i( t)、激磁電流iL ( t) 波形圖
3..2.. 溫度變化對激磁電流的影響
微流量智能電磁流量計工作環境復雜多變, 其中溫度變化的影響尤為明顯. 由于激磁線圈的等效內阻R, 存在溫度系數, 所以溫度變化對R 的影響不可忽視[ 12] . 當0 .. 的內阻為100 .., 在20 .. 為108..568 .., 30 .. 則為112..844 .. [ 13] . 參考圖4對激磁線圈電流回路分析, 得到激磁電流iL ( t) 表達式: iL ( t) = ER 1 - 2e-RL t , .. .. .. .. 0.. t < T2; - ER 1- 2e- RL t- T2 , .. T2 .. t < T. 輸出電流i ( t) 表達式: i( t) = ER 1 - 2e- RL t , 0 .. t < T2. 式中: T 為激磁周期; R 為激磁線圈內阻; L 為激磁線圈電感; E 為激磁電源電壓. 設: 溫度變化前線圈電阻為R1, 溫度變化后線圈電阻為R2, 且R2 = R 1 ( 1 + ..), .. .. 0..039. 根據恒均值電流源所產生電流平均值是恒定的, 可以得出溫度變化前后i( t ) 的峰值關系為令: .. .. = 4L.. TR 1, I2m = I1m 1 - 4L .. TR1 = I1m ( 1 - ..) . 式中: I1m 為溫度變化前i ( t) 的峰值E1 /R1; I2m為溫度變化后i( t) 的峰值E 2 /R2. 由于輸出電流i( t)、激磁電流iL ( t) 的平均值均恒定, 而信號調理部分要采用窄帶濾波取出基波, 但iL ( t) 基波的平均值不一定恒定, 要分析其受溫度變化的影響. 對iL ( t ) 進行傅里葉變換求出激磁電流基波為iL 1 ( t) = a21 + b21 sin( ..t + ..1 ) . 式中: a1 = - ER 8TR L 4..2 + TR L 2, b1 = ER 4 TR L 2 .. 4..2 + TR L 2 , ..1 = - arctan 2..L TR . 則基波iL 1 ( t) 平均值為IL 1 = T2 ..T2 0 a21 + b21 sin( ..t + ..1 ) dt. .. .. 溫度變化對基波平均值相位的影響, 設: 基波相位變化為...., 溫度變化前基波平均值相位為1.. ..0 s in ..d..= 2.., ( ..= ..t+ ..1 ), .. .. 溫度變化后基波平均均值相位為1.. ..0 sin( ..+ ....) d..= 2..cos....,
而co s.... .. 1 - ....2 2! .. 1, 因此溫度變化對基波平均值的相位影響很小. 根據溫度變化對iL ( t) 峰值的影響, 可以計算出溫度變化對iL ( t) 基波峰值的影響為IL 12m = IL 11m 1 + 4 ..L TR1 2 .. 1 - 2 ..L TR 1 2 - .. . 式中: IL 11m為溫度變化前基波的峰值; IL 12m為溫度變化后基波的峰值. 進而得知, 溫度變化對基波平均值的影響為IL 12 = IL 11 1 - ..- 4 ..L TR1 2 .. 1 - 2 ..L TR1 2 . 式中: IL 11 為溫度變化前基波平均值; IL 12為溫度變化后基波平均值. 代入具體參數得知, 當溫度從20 .. 升高到30 .. 后, 引起基波平均值的誤差為0..378%. 采用的恒壓源激磁時, 溫度變化前i1 ( t) = E R1, 溫度變化后i2 ( t) = E R 2 = E R 1 ( 1 + ..) .. i1 ( t) ( 1- ..), 若溫度從20 .. 升高到30 .. 引起激磁電流的誤差為3..9%. 綜合以上分析, 在溫度從20 .. 升高到30 .. , 激磁電流的誤差從恒壓源激磁的3..9% 減小到恒均值電流源激磁的0..378% . 顯然采用恒均值電流源技術為微流量電磁流量計激磁, 可使交變磁場的溫度穩定性提高一個數量級. 3..3.. 電網電壓對激磁電流的影響如圖4所示, 激磁電壓來自交流電網的變壓和整流, 當電網電壓產生10% 的波動時, 電源電壓E 將隨之變化[ 14] , 若E = 24 V, 則波動范圍是21..6~ 26..4V. 表1給出了恒均值電流源在不同表1.. 抑制電網電壓波動的實測數據W = 2.. 49 k.. 供電E /V 取樣u 0 /mV W = 3.. 25 k.. 供電E /V 取樣u0 /mV W = 3.. 95 k.. 供電E /V 取樣u0 /mV 27.. 0 166 26.. 5 192 26..5 208 26.. 0 166 25.. 8 192 25..9 208 24.. 7 166 24.. 5 192 25..0 208 23.. 6 166 23.. 2 193 24..3 208 22.. 0 165 22.. 0 192 23..2 207 20.. 8 166 21.. 2 193 22..0 208 18.. 8 166 20.. 1 192 20..7 208 17.. 4 165 18.. 7 192 19..8 207 16.. 7 160 17.. 8 185 19..0 199 .. 注: W 調節輸出電流的電位器值輸出時的實測數據. 實測結論: 當E 在- 17% ( 19..9 V) ~ + 10% ( 26..4 V )范圍內變化時, 激磁電流平均值iL ( = u0 /R n ) 始終是穩定的. 采用恒均值電流源能抑制電網電壓的變化, 輸出恒均值激磁電流, 產生恒均值穩定的交變磁場. 進而大大提高測量準確度, 表2給出樣機通水標定的試驗結果. 表2.. 微流量電磁流量計通水校驗數據累計時間t / s 被測示值流量Q /L 流速v / (m .. s- 1 ) 標定示值流量Q /L 誤差r /% 300 1.. 50 0.. 238 1 1.. 560 - 0..40 300 1.. 25 0.. 198 4 1.. 295 - 0..36 300 1.. 00 0.. 158 7 1.. 045 - 0..45 600 1.. 50 0.. 119 1 1.. 570 - 0..47 600 1.. 00 0.. 079 4 0.. 965 + 0..35 1 200 1.. 00 0.. 039 7 1.. 085 - 0..85 1 200 0.. 70 0.. 027 8 0.. 765 - 0..93 1 200 0.. 40 0.. 015 9 0.. 445 - 1..13
4.. 結.. 語
在智能電磁流量計中采用窄帶濾波信號調理技術可使多種噪聲干擾隨帶寬減小而降低, 并在相敏解調過程中有效去除微分噪聲的影響, 從而大大提高流量信號的信噪比, 擴展流量測量下限, 為此設計的恒均值激磁電流源, 當電網電壓在- 17% ~ + 10%范圍內波動時, 所產生的恒均值交變磁場B ( t) 在周期內保持恒定, *符合窄帶濾波信號調理技術的要求, 且能將其溫度穩定性提高一個數量級. 研究成果已應用于研發的微流量電磁流量計, 效果比較理想: 在測量下限為2 L /h( 0..002 m3 /h, 流速0..026 m / s)時, 瞬時流量的零點穩定性優于0..1% , 線性誤差< 1% ; 當測量下限達到1..2 L /h ( 0..0012 m3 /h, 流速0..016 m / s)時, 仍具有0..3% 的分辨力. 參考文獻: [ 1] 蘇艷茹. 微小流量信號檢測系統的研究及應用[ D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2005. [ 2] M ICHALSKI A. Flow measurem ents in open irriga tion channe ls[ J]. Instrum entation & M easurementM aga zine IEEE, 2000, 3( 1): 12- 16. [ 3] 蔡武昌, 馬中元, 瞿國芳, 等. 電磁流量計[M ]. 北京: 中國石化出版社, 2004: 27- 30.--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：
