摘　要：采(cǎi)用帶阻濾波(bo)的信号處理(li)方法，處理低(dī)頻矩形波勵(lì)磁⛷️下由傳感(gan)器輸出的信(xin)号，有效抑制(zhi)工頻幹擾。結(jie)果表明，系統(tong)測量精度優(you)于0.4％，達到了工(gōng)業測量标準(zhun)。
0　引言
　　電磁流(liú)量計 原理爲(wei)法拉第電磁(ci)感應定律，主(zhu)要由流量常(chang)感器和變送(sòng)器組❓成。電磁(cí)流量計有許(xu)多良好性能(neng)，如結構簡單(dān)、較強的耐腐(fǔ)蝕性、較高的(de)穩定性、較高(gao)的精度等，在(zài)給供水、鋼鐵(tie)、石油、煤炭、化(hua)工、醫療、航海(hǎi)、農業灌溉等(deng)領域有着廣(guang)泛應用［1］。流💯量(liang)傳感器的主(zhu)要作🏃‍♀️用是當(dang)流經導管内(nei)的導電液體(tǐ)做切割磁感(gan)線運動時，會(hui)産生電動勢(shì)，将導電液體(tǐ)的體積流量(liàng)👅轉換成需要(yao)的電信号，再(zai)傳送給變送(song)器作進一步(bù)處理。變送器(qì)主要由勵磁(cí)💰電路、濾波電(diàn)路、前置放大(da)調整電路、采(cǎi)樣電路、電流(liú)信号輸出電(diàn)路及脈沖信(xìn)号輸出電路(lù)組成。
　　電磁流(liú)量技術的發(fa)展主要體現(xiàn)在勵磁方案(àn)改進和🍓信号(hào)處理算法優(yōu)化方面。電磁(cí)流量計的勵(li)磁方💁案直接(jie)決📞定了其抗(kàng)幹擾性能和(he)零點的穩定(dìng)性。信号處理(li)的重點是幹(gàn)擾噪聲去除(chu)，其中主要的(de)幹擾是工頻(pin)幹擾、同相幹(gàn)擾、正交幹擾(rǎo)、極化現象、白(bai)噪聲🐅幹擾和(he)零點偏移。采(cǎi)用直流勵磁(ci)方案，将不會(hui)産生🤟渦流效(xiao)應，并且㊙️有着(zhe)較小的正交(jiao)幹擾和同相(xiang)幹擾；采用正(zheng)弦波勵磁方(fang)案，可以很好(hǎo)地控制極化(huà)現象産生，并(bìng)有着良好的(de)抗噪能力；采(cǎi)用低頻矩形(xing)波勵磁方案(àn)，兼☎️顧直流勵(lì)磁和正弦波(bo)勵磁的優點(diǎn)，因此應用廣(guang)泛。
　　本文采取(qǔ)低頻矩形波(bo)勵磁方案。可(kě)導電的流體(tǐ)切🌏割磁感線(xian)，從而在電極(ji)上會有電動(dong)勢産生，但是(shì)電壓十分弱(ruo)，流量傳感器(qì)的👈輸出信号(hao)會受工頻幹(gan)擾，帶來較低(di)的信噪比，特(tè)💘别是在導電(diàn)液體流速較(jiao)低的情形下(xià)，有效的流量(liang)信号可能完(wan)全被噪聲信(xin)号❄️覆蓋。本文(wén)在采取低頻(pín)矩形波勵磁(ci)條件下，在現(xiàn)有信号處理(li)方‼️法的基礎(chu)上，采取巴特(te)沃斯帶阻☀️濾(lü)波信号處理(lǐ)方法，可👨‍❤️‍👨以有(you)效消除50HZ的工(gōng)頻幹擾［2］，以此(ci)來提高流量(liang)傳感器輸⭕出(chū)信号的信噪(zao)比，并在MSP430上實(shí)現，可有效處(chù)理水流量信(xin)号。通過标準(zhǔn)表标定實驗(yan)，擁♊有較爲理(li)想的測量精(jīng)度和重複性(xìng)。
1　帶阻濾波方(fang)法
1.1　算法原理(li)及推導
　　流量(liang)傳感器的輸(shu)出信号和被(bèi)測導電液體(ti)的流速之間(jiān)存在一定的(de)線性關系。在(zai)理想條件下(xia)，采用低頻矩(jǔ)形波勵磁💁方(fang)式時，從♻️流量(liang)傳感器輸出(chu)信号，頻率和(he)勵磁電流相(xiàng)同，并且輸出(chū)信号的😄幅值(zhi)和導電液體(tǐ)的流速之間(jiān)成❌比例關系(xì)。但是，實際中(zhong)，流量傳感器(qi)的輸出信号(hao)會受到👨‍❤️‍👨多種(zhong)噪聲的✨幹擾(rǎo)，經常會摻雜(za)着如微🐇分幹(gàn)擾、串共模幹(gàn)擾、同相幹擾(rao)等幹擾🈲，使流(liú)量信号和噪(zao)聲不能很好(hǎo)分離，可用方(fang)程（1）表示［3］：

　　式中(zhong)，BDV是模拟流量(liang)信号。通過對(dui)流量傳感器(qi)輸出信号進(jìn)行分🐪析，可以(yi)發現輸出信(xìn)号有着較寬(kuān)的頻率範圍(wéi)，所以采用常(cháng)規的低通濾(lǜ)波很難将噪(zao)聲去除。針對(dui)流量傳感📧器(qì)輸出信号的(de)特點，利用現(xiàn)有的模拟濾(lü)波器🍉設計公(gōng)式，實現巴特(te)沃斯帶阻濾(lǜ)波器的🈲設計(ji)，其系統傳遞(dì)函數可以表(biao)示爲：

　　因此，設(shè)計巴特沃斯(si)帶阻濾波器(qi)的實質就是(shi)要明确帶寬(kuān)，并确定階數(shù)N，在MATLAB中完成濾(lü)波器的設計(jì)，并找出系數(shu)B、a，使其滿足預(yù)設的技術要(yào)求。
1.2　濾波器實(shí)現
　　電磁流量(liàng)計的頻率輸(shu)出範圍由實(shi)際應用場景(jǐng)決👄定，本文假(jia)設其範圍0～100HZ。依(yi)據奈奎斯特(tè)抽樣定理，爲(wei)了無失真地(di)恢複出采樣(yang)信号，取樣頻(pin)率爲采樣頻(pín)率的2倍，即200HZ。爲(wèi)了去除50HZ工頻(pin)幹擾，選✨取49HZ的(de)下限截止頻(pin)率；選取51HZ的上(shàng)限截止頻率(lǜ)；折疊頻率爲(wèi)采樣💜頻率的(de)1/2，取Ｍ＝100；對通帶頻(pin)率作歸一化(huà)處理，取Ｗｐ

　　衰減(jian)取值3dB，即ｐ＝3；阻帶(dai)頻率取值20dB，即(ji)s=20；确定階數N和(hé)截止頻率㊙️WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最(zui)後确定🎯巴特(tè)沃斯帶阻濾(lü)波器，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過MATLAB，設(shè)計出巴特沃(wo)斯帶阻濾波(bō)器♊［6］，再繪制巴(bā)特沃斯帶阻(zu)濾波器的幅(fu)頻響應曲線(xiàn)和相頻響應(ying)曲線，如圖1所(suǒ)示：

2　MATLAB仿真
　　爲了(le)驗證信号處(chu)理算法的可(ke)行性，需在MATLAB中(zhong)模拟工☀️業現(xian)場下的傳感(gǎn)器輸出信号(hao)。因爲從流量(liàng)傳感器獲取(qu)的電壓信号(hao)十分弱，尤其(qi)在導電液體(tǐ)流速較小的(de)情形下，有⁉️用(yòng)信号可能會(huì)淹沒在🌂各種(zhong)噪聲中。所以(yǐ)在MAT-LAB仿🔴真時，要(yào)參考實際環(huán)境下輸出信(xin)号，模拟的傳(chuan)感器輸出信(xin)号，要摻雜着(zhe)工頻幹擾、同(tong)相幹擾、白噪(zào)聲等幹🏃🏻‍♂️擾。在(zài)導電液體的(de)流速小于1ｍ/ｓ情(qing)形下，流量傳(chuan)感器☀️能獲取(qu)⭐到的電🏃壓小(xiao)于10ｍV。本文采用(yòng)取低頻矩形(xing)波勵磁的勵(lì)磁方案，選取(qu)50HZ工頻的1/8作勵(lì)磁頻率，即6.25HZ。因(yin)此，本文模拟(ni)輸出信号：

　　式(shi)（3）中，等号右邊(biān)的各項依次(cì)表示所需的(de)流量信号🔴、工(gōng)頻幹擾👨‍❤️‍👨、零漂(piāo)、白噪聲。産生(shēng)的信号如圖(tu)2所示。
通過MATLAB，對(dui)模拟的傳感(gǎn)器輸出信号(hào)進行巴特沃(wo)斯帶阻濾波(bo)，從圖3中可以(yi)看出噪聲在(zai)一定程度上(shàng)被消除，具體(ti)哪種噪聲被(bèi)♍去除💞，可以通(tōng)過對信号作(zuo)傅裏葉變換(huan)，得到相應的(de)頻譜。使用🔞巴(ba)特沃❤️斯帶阻(zǔ)濾波器濾波(bo)前後的對比(bi)結果如圖🚩3所(suǒ)示。


　　分别對上(shàng)一步濾波前(qián)後的信号進(jìn)行ＦＦＴ變換，得到(dào)頻譜圖，這一(yī)✉️步是通過MATLAB實(shí)現的，濾波前(qián)後的頻譜對(dui)比如圖4所示(shi)。
　　通過MATLAB，對信号(hào)處理算法進(jìn)行仿真，分别(bié)對濾波前後(hou)的波形圖、頻(pín)🐆譜圖進行對(duì)比，發現此濾(lü)波方法可以(yǐ)有效濾除50HZ工(gong)頻幹擾🆚，驗證(zheng)了所設計的(de)濾波方法的(de)可行性。
3　基于(yu)MSP430的算法實現(xiàn)
3.1　系統硬件介(jie)紹
　　基于ＴＩ公司(si)的MSP430芯片，研制(zhi)了電磁流量(liang)計的變送器(qì)，此芯片是16位(wèi)超低功耗混(hun)合型微處理(lǐ)器［７］，并且具有(you)豐💞富的外設(shè)，方便系統功(gōng)能擴展。硬件(jiàn)原理如圖5所(suo)示，由前置放(fang)大調理電路(lù)、勵磁電路、電(diàn)流信号輸出(chū)電路、脈沖信(xìn)🌐号輸出電📱路(lu)、LCD顯示、鍵盤、RS232模(mo)塊、開關電源(yuán)構成。前置放(fang)大調理電路(lù)主要完成對(duì)電極信号的(de)放大、V/F轉換等(deng)功能，電流輸(shu)出模塊實現(xiàn)4～20ｍA電流輸出🚶‍♀️，脈(mo)沖😍輸出模塊(kuài)實現脈沖量(liàng)的🥰輸出，LCD和按(àn)鍵用于配置(zhi)和🤞顯示流量(liàng)相關參數，RS232用(yòng)于通訊，開關(guan)電源用于給(gěi)系統提供直(zhi)流電壓。


3.2　系統(tong)軟件設計
　　本(běn)系統軟件設(she)計模塊化的(de)，都是由主監(jian)控程序調用(yong)分配。軟件部(bu)分主要包括(kuo)：初始化模塊(kuài)、通信模塊、Watchdog模(mo)塊、信号處理(li)模塊、驅動🐉模(mó)塊等。總體框(kuàng)架如圖6所示(shi)。

　　通過MSP430控制驅(qu)動模塊産生(shēng)勵磁電流，以(yi)此激勵流量(liàng)🌍傳🌈感器的勵(li)磁線圈，從而(ér)将導電液體(tǐ)的流量信号(hao)轉換爲微弱(ruò)的電動勢，再(zai)對其進行放(fàng)大調理、整流(liu)濾波和✔️偏置(zhi)調整，最後送(song)到AD652進行V/F采樣(yang)［8］。在本文設計(jì)的電磁流量(liàng)計中，采用帶(dài)阻濾波的方(fang)法對信号進(jin)㊙️行實時處理(li)💰，得到流量信(xìn)号的幅值，再(zai)結合儀表的(de)相應參數，将(jiāng)幅值轉換成(cheng)需要的流量(liàng)信号，再👨‍❤️‍👨通過(guo)Modbus将流量信息(xi)傳送至上位(wèi)機。
3.3　實驗結果(guo)
　　通過水流量(liàng)标定實驗驗(yan)證帶阻濾波(bo)算法的可行(háng)性。标定方法(fa)有标準表标(biao)定法和稱重(zhong)标定法，采取(qǔ)标準表标定(ding)法㊙️，将被測表(biǎo)♻️的測量結果(guo)和标準表的(de)測量結果進(jin)行比較。結合(he)相關的參數(shù)，計算出系統(tong)的測量精度(du)和重複性，實(shi)驗結果如表(biǎo)1所🤟示。

　　從上述(shù)實驗結果可(ke)知，在頻率是(shi)6.25HZ的矩形波勵(li)磁下，在流量(liang)範圍🆚是20～200ｍ3/ｈ的條(tiao)件下，得到電(diàn)磁流量計的(de)測量精度高(gao)于0.4％，達到了工(gōng)業測量要求(qiú)。
4　結語
　　本文主(zhu)要針對電磁(ci)流量計的50HZ工(gōng)頻幹擾，提出(chū)采用‼️巴特沃(wò)斯帶阻濾波(bo)的信号處理(lǐ)方法。爲了驗(yàn)證濾波算🌍法(fǎ)的可行♋性，并(bing)測試電磁流(liu)量計的測量(liàng)精度，采用标(biao)準表标定法(fa)進行了水流(liu)量标定。

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