電磁流量計(jì)工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律,通過測量導(dǎo)電流體在磁場中的感應(yīng)電動勢來推算流體流量。勵(lì)磁磁場、感應(yīng)電動勢采集電極、信號運(yùn)算放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器都容易受到工作現(xiàn)場的電場和磁場輻射耦合,因此電磁耦合是流量測量中最主要的干擾方式; 其次被測液體的電化學(xué)反應(yīng)和泥漿干擾是流量測量的另一噪聲來源。
1. 1 微分干擾產(chǎn)生機(jī)理及對策 電磁流量計(jì)中噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及對策
在現(xiàn)行的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)中,低頻矩形波勵(lì)磁方式結(jié)合了直流勵(lì)磁和交流勵(lì)磁兩者的優(yōu)點(diǎn), 成為主要?jiǎng)?lì)磁方式之一。在低頻勵(lì)磁方式下, 其干擾主要表現(xiàn)為: 由勵(lì)磁電流突變產(chǎn)生的微分干擾信號[ 1] 。理想勵(lì)磁磁場信號為低頻矩形波, 實(shí)際上隨著勵(lì)磁電流變化 ( dI /dt)在磁場上產(chǎn)生微分干擾信號, 隨著電流的穩(wěn)定, 干擾信號隨之消失, 因此同步采樣技術(shù)可以有效抑制微分干擾信號。實(shí)際設(shè)計(jì)中, 模數(shù)轉(zhuǎn)化器使用 AD 公司的 24位 Sigma Delta模數(shù)轉(zhuǎn)化器 AD7714。 AD7714 可以分別采用硬件和軟件方式進(jìn)行采樣開始時(shí)間控制, 從而實(shí)現(xiàn)同步采樣。采用軟件方式時(shí), 當(dāng)控制寄存器中FSYNC位為邏輯 1時(shí), 模數(shù)轉(zhuǎn)換器處于復(fù)位狀態(tài); 向該位寫邏輯 0時(shí), 器件開始采樣輸入信號。在應(yīng)用中,低頻勵(lì)磁信號由 M SP430單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生, 同時(shí)產(chǎn)生采樣信號。如圖 1所示, 采樣開始時(shí)間滯后勵(lì)磁信號14 個(gè)周期。
1. 2 工頻串模干擾產(chǎn)生機(jī)理及對策
在電磁流量計(jì)的工作現(xiàn)場存在大量工頻信號, 疊加在勵(lì)磁回路、 電極、 前端放大器的工頻干擾噪聲對流量的準(zhǔn)確測量造成極大影響。其中輻射耦合到勵(lì)磁回路的工頻輻射磁場 (包括其諧波 )造成勵(lì)磁磁場波動,影響流量測量。
當(dāng)流體流速較小時(shí), 工頻干擾信號與有效流量信號在同一數(shù)量級, 嚴(yán)重影響測量結(jié)果。已知工頻耦合噪聲基波頻率為 50 Hz , 因此可以采用模擬或數(shù)字濾波器使濾波器帶寬限制在 50 Hz以內(nèi)以抑制噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中使用 Sigma Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7714內(nèi)部包含的數(shù)字濾波模塊, 數(shù)字濾波器相對模擬濾波器除具有靈活性高、參數(shù)設(shè)置方便等特點(diǎn)之外,還可以降低 A /D 轉(zhuǎn)換期間引入的噪聲。AD7714數(shù)字濾波器為 ( sinx /x )3低通濾波器, 其在頻域的傳遞函數(shù)為:
式中: fs為采樣頻率; AD7714采樣頻率為 1912 kHz ; N為濾波采樣個(gè)數(shù); f 為數(shù)字濾波器響應(yīng)頻率。通過設(shè)定濾波采樣個(gè)數(shù)可以改變數(shù)字濾波器的截止頻率和一次陷波頻率。在本設(shè)計(jì)中綜合考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換速度和去除噪聲性能, 設(shè)置 N 值使濾波器截止頻率為 50 Hz, 濾波器頻域響應(yīng)如圖 2所示, 濾波器對工頻 50 Hz及其偶次諧波有很好的抑制作用。
除使用數(shù)字濾波器外, 在 A /D輸入端設(shè)置 RC模擬低通濾波器還可以帶來其他作用。在實(shí)際測量觀察到的流量信號中存在尖脈沖噪聲, 可能使模數(shù)轉(zhuǎn)換器飽和, 導(dǎo)致數(shù)字濾波器失效, 使用模擬濾波器可以提前剔除這些信號。
1. 3 共模干擾、 串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理及對策
共模干擾的產(chǎn)生主要是由于電磁屏蔽缺陷、接地不良、雜散電容等引起返回電流不平衡。共模干擾可能導(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(shí)共模信號產(chǎn)生很高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化。串?dāng)_是由于印刷電路板設(shè)計(jì)電磁兼容性考慮不足造成信號質(zhì)量下降, 特別是高速走線和模擬電路易受到影響。對由共模干擾信號導(dǎo)致的參考電位變化, 應(yīng)用中流量電壓采用差分形式, 通過雙絞線送入放大器, 前端放大器選用高共模抑制比、 低漂移、 高輸入阻抗的運(yùn)放, 可以有效抑制共模干擾。
此外, 電磁流量計(jì)電路板設(shè)計(jì)符合電磁兼容性要求降低串?dāng)_對信號的影響: 使用滿足功能要求的速率盡可能低的邏輯器件。選用在邏輯狀態(tài)變換過程中輸入電流消耗更小的元件。盡可能選擇表面封裝的元器件。合理安排元件布局, 模擬與數(shù)字部分隔離,防止數(shù)字信號影響模擬信號。適當(dāng)配置去耦電容, 選擇合適的電容容量, 去耦電容盡量靠近元器件。對于敏感信號回路, 如時(shí)鐘信號、模擬輸入信號嚴(yán)格控制回路面積。鋪設(shè)地平面提供低阻抗信號回路, 加強(qiáng)屏蔽效果。
1. 4 其他干擾對策
電化學(xué)極化電動勢干擾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)生的, 是電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的主要原因之一。采用交流勵(lì)磁方式可以有效地減小極化電動勢, 此外在應(yīng)用中微處理器運(yùn)算時(shí)將兩次流量電壓采樣值相減, 這樣不但可以減小極化電動勢, 而且可以補(bǔ)償由共模干擾帶來的零點(diǎn)漂移。
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相特性液體時(shí), 固體顆粒或者氣泡與電極發(fā)生摩擦, 在電極表面的電化學(xué)電動勢突然變化, 電磁流量計(jì)傳感器輸出信號輸出尖峰脈沖狀干擾。在低頻勵(lì)磁情況下, 泥漿干擾產(chǎn)生的尖脈沖數(shù)量級大, 極大地影響流量的準(zhǔn)確測量,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,采用多種信號處理混合方式抑制噪聲,信號處理原理如圖 3所示。
流量計(jì)正常運(yùn)行時(shí),尖峰脈沖噪聲出現(xiàn)的概率小,被測液體流速不會在短時(shí)間內(nèi)變化,基于以上特性,對流量信號進(jìn)行限幅濾波處理: 當(dāng)前輸入信號相對上周期輸入信號超出噪聲容限范圍, 該信號被認(rèn)為是噪聲信號,不再進(jìn)一步計(jì)算。滑動平均濾波是處理流量信號經(jīng)常采用的信號處理辦法,可以有效降低采樣誤差; 滑動平均濾波函數(shù)的脈沖響應(yīng)時(shí)間是受滑動窗口數(shù)控制的, 如果能動態(tài)調(diào)整窗口數(shù)目,那么響應(yīng)速度就會大大提高;在應(yīng)用中使用改進(jìn)的滑動平均濾波函數(shù),通過響應(yīng)時(shí)間控制器控制滑動窗口數(shù),當(dāng)響應(yīng)時(shí)間超過設(shè)定值時(shí),將窗口數(shù)設(shè)置為1,使輸出信號迅速變化,獲得較好的動態(tài)性能。
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