摘要:針對(duì)電磁流量計(jì)測量信號(hào)復(fù)雜而微弱,導(dǎo)致失真和干擾信號(hào)被放大的問題。依據(jù)低頻矩形波勵(lì)磁方式下電磁流量計(jì)的工作原理和流量與信號(hào)的基本關(guān)系,提出了一種基波平均值信號(hào)預(yù)處理方法,經(jīng)過分析和試驗(yàn)證明可以提高抗干擾能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在量程范圍內(nèi)，測量精度達(dá)到0.25%.
工業(yè)計(jì)量過程中常用電磁流量計(jì)來計(jì)量管道液體流量,測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，隨著電磁流量計(jì)的發(fā)展，勵(lì)磁方式也得到不斷的改進(jìn),現(xiàn)行的電磁流量計(jì)中,低頻矩形波勵(lì)磁方式是設(shè)計(jì)人員主要采用的方法.這種勵(lì)磁周期為工頻的整數(shù)倍，正負(fù)矩形波勵(lì)磁技術(shù),明顯提高了電磁流量計(jì)的抗干擾能力和測量精度.但是對(duì)信號(hào)處理方法的不同，將使電磁流量計(jì)的靜動(dòng)態(tài)流量測量性能有所差異.理想的信號(hào)處理方法應(yīng)保持基本原理上的純線性和快速響應(yīng)特性"
1.一般電磁流量計(jì)的信號(hào)處理方式
電磁流量計(jì)的基本原理如圖1所示,理想測量方程為叫
式中:C為儀表常數(shù);B為感應(yīng)磁場強(qiáng)度;D為傳感器管逍直徑;V為流體流速;
式(1)表示電磁流量計(jì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢eab與流體流速V呈線性關(guān)系，但在實(shí)際的電磁流量計(jì)工作過程中發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)的電勢信號(hào)上總是疊加了一系列的干擾信號(hào).這些干擾信號(hào)的來源主要有工頻干擾:包括串模和共模干擾，數(shù)字電路產(chǎn)生的高頻干擾;微分噪聲,同相噪聲,低頻有色噪聲干擾.電磁流.量計(jì)信號(hào)處理方式的發(fā)展就是圍繞克服以上干擾噪聲,有效地放大感應(yīng)信號(hào)而發(fā)展.
現(xiàn)在很多電磁流量計(jì)的信號(hào)處理方法采用了電容隔離法,電容隔離法是將零點(diǎn)漂移近似作為直流.處理的一種方法,即通過電容耦合來隔離零點(diǎn)漂移干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電勢信號(hào)的提取.放大處理.基本電路如圖2.
信號(hào)通過輸人端差動(dòng)放大器A1,A2抑制共模干擾,經(jīng)過電容C1,C2耦合后由A3放大K倍,于圖3中的T/2時(shí)刻前采樣保持,經(jīng)A6放大后,實(shí)現(xiàn)輸出uo=2Kneab,Ka為整機(jī)放大倍數(shù).這種方法結(jié)構(gòu)簡單,在電路原理上容易實(shí)現(xiàn),對(duì)高頻干擾可以起到有效的抑制作用,但是抗干擾能力特別差,信號(hào)放大后,輸出非常不穩(wěn)定.主要原因是由于共模干擾的影.響和隔離電容無法隔離零點(diǎn)漂移等并非真正直流的低頻分量的影響.因此為了穩(wěn)定信號(hào)值,只有提高采樣保持電容C3,C4.參數(shù),對(duì)信號(hào)處理的輸出級(jí)加大濾波的時(shí)間常數(shù).表面上看儀表的輸出穩(wěn)定了,但卻加大了信號(hào)對(duì)于流體流速變化的響應(yīng)時(shí)間.所以,這種方法一般只適用于勵(lì)磁周期在8倍以上工頻周期.的情況.
在電容隔離法基礎(chǔ)上,應(yīng)用零點(diǎn)漂移法.基線控制法"等信號(hào)處理方法都能在一定程度上克服電容隔離法的不足,抑制干擾,提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和線性度.
2基波平均值轉(zhuǎn)換的信號(hào)處理方法
如上所述,電容隔離法或補(bǔ)償電路不能很好解決感應(yīng)信號(hào)失真和干擾信號(hào)被放大等問題.經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和對(duì)國外電磁流量計(jì)的研究,本文提出一種基波平均值轉(zhuǎn)換的信號(hào)處理方法，基于e(t)與峰值、平均值、有效值成正比關(guān)系，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波并采用基波平均值處理轉(zhuǎn)換的方法，可以有效提高電.磁流量計(jì)抗干擾的能力.結(jié)構(gòu)框圖如圖4.
傳感器輸出流量信號(hào)十分微弱,為幾十微伏的交流信號(hào),并疊加了多種頻率的噪聲干擾，表示為
式中,前兩項(xiàng)為信號(hào)基波和諧波,后四項(xiàng)為干擾噪聲(包括零均值噪聲、共模噪聲、微分噪聲、同相干擾).
信號(hào)是對(duì)稱方波脈沖形式,幅值為幾十微伏,脈沖寬度50ms,周期200ms,脈沖占空比為0.5,整機(jī)放大倍數(shù)2200倍.信號(hào)預(yù)處理電路為帶通濾波器,主要消除諧波和零均值噪聲.式(2)中
微分噪聲在一定的流體介質(zhì)下,產(chǎn)生的誤差為系統(tǒng)誤
差,可以由信號(hào)調(diào)理電路末級(jí)的微分噪聲補(bǔ)償電路校準(zhǔn)去除。
可以忽略。共模干擾雖然可以通過提高電路的共模抑制比來消除，但實(shí)際上由于元器件的溫度系數(shù)分散性較大,因此不可能使共模放大倍數(shù)Kc等于零,如采用圖2的方法,初級(jí)為雙端輸人單端輸出,則共模電壓e在中間級(jí)主放大器A3處會(huì)被放大K3倍,這樣會(huì)影響后級(jí)的信號(hào)處理，采用新的方法提高CMRR,根據(jù)差動(dòng)放大電路的特點(diǎn),在第一、第二級(jí)采用四運(yùn)放,差動(dòng)信號(hào)為雙端輸出,不經(jīng)合并直接進(jìn)人下一級(jí).將第三級(jí)設(shè)計(jì)為增益是1的低通濾波電路,此信號(hào)處理方法可以使ec不被放大,從而避免影響整機(jī)信號(hào).按CMRR為100dB計(jì)算,由于采用了新的處理方式，差動(dòng)流速信號(hào)放大系數(shù)為Kd=1,所以計(jì)算得Ke=10-5,即整機(jī)信號(hào)調(diào)理電路可以將共模干擾信號(hào)衰減105倍.對(duì)于由電極對(duì)地形成的干擾有如下關(guān)系”，
式中:Rj為勵(lì)磁線圈對(duì)電極的絕緣電阻;Rs為傳感器感應(yīng)信號(hào)內(nèi)阻;r為傳感器接地電阻;E勵(lì)磁電壓;當(dāng)E=24V時(shí),共模干擾電壓ec=5mV,經(jīng)衰減105倍后只有0.05μV,此干擾電壓對(duì)輸出不會(huì)有影響.通過實(shí)驗(yàn)證明,CMRR做得很高時(shí),應(yīng)用此方法抗干擾能力的確很強(qiáng)。
該電磁流量計(jì)已經(jīng)得到應(yīng)用,并依據(jù)JJG198-94《速度式流量計(jì)檢定規(guī)程》,利用質(zhì)量法水標(biāo)準(zhǔn)裝置,對(duì)采用基波平均值信號(hào)預(yù)處理電路的電磁流量計(jì)進(jìn)行檢定,重復(fù)性誤差為0.1%,基本誤差為0.25%,線性度0.3%,檢測結(jié)果如表1.
3結(jié)語
本文主要探討了電磁流量計(jì)在低頻矩形波勵(lì)磁下的信號(hào)處理方法,并介紹了在信號(hào)預(yù)處理過程中,基波平均值法可以滿足小信號(hào)放大調(diào)理的苛刻要求.電磁流量計(jì)還有其他信號(hào)處理方式，但都無法脫離濾波、噪聲抑制等技術(shù)問題，同時(shí)產(chǎn)品化過程中還必須考慮電路屏蔽措施、熱電勢、接點(diǎn)處理方法和接地、裝配工藝等對(duì)信號(hào)處理電路的影響,這樣才能從根本上提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和儀表精度.
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