摘要:針(zhen)對電磁流量(liang)計
測量信号(hào)複雜而微弱(ruò),導緻失真和(he)幹擾信号被(bei)放大的問✍️題(ti)❓。依據低頻矩(jǔ)形波勵磁方(fang)式下電磁流(liu)量計的工作(zuo)原理和流量(liang)與信号的基(jī)本關系,提出(chū)了💰一種基波(bō)平均值信号(hao)預處理📐方法(fǎ),經過分析和(he)試驗證明可(kě)以提高抗幹(gàn)擾能力和動(dòng)态響應，在量(liàng)程範圍内，測(cè)量精度達到(dao)0.25%.
工業計量過(guò)程中常用電(dian)磁流量計來(lai)計量管道液(yè)體流量,測量(liàng)原理是基于(yu)法拉第電磁(cí)感應定律，随(sui)着電磁流量(liàng)計的發展，勵(li)磁方式也得(de)到不斷的改(gǎi)進,現行😄的電(diàn)磁流量計中(zhong),低頻矩形波(bo)勵磁方式是(shi)設計人員主(zhu)要采用的方(fang)法.這種勵磁(ci)周🎯期爲工頻(pin)的整數倍，正(zheng)負矩形波勵(lì)磁技術,明顯(xian)提高了電磁(cí)流量計的抗(kang)幹擾能力和(hé)測量精度.但(dan)是對信号處(chù)理方法的不(bú)同，将使電磁(ci)流量計的🔴靜(jìng)動态流量測(ce)量性能有所(suǒ)差異.理想的(de)信号處理方(fang)法應保持基(ji)本原理上的(de)純線性和快(kuai)速響應特性(xìng)"
1.一般電磁流(liú)量計的信号(hao)處理方式
電(dian)磁流量計的(de)基本原理如(ru)圖1所示,理想(xiang)測量方程爲(wei)叫
式中:C爲儀(yi)表常數;B爲感(gǎn)應磁場強度(dù);D爲傳感器管(guan)逍直徑;V爲🧡流(liu)體🔱流速;
式(shi)(1)表示電磁流(liu)量計産生的(de)感應電動勢(shì)eab與流體流速(su)V呈線性♋關系(xi)，但在實際的(de)電磁流量計(jì)工作過程中(zhōng)發現，感應的(de)電勢信号上(shang)總是疊加了(le)一系列的幹(gan)擾信号.這些(xie)幹擾信号的(de)來源主要有(yǒu)工頻幹擾:包(bao)括串模和共(gong)模幹擾，數字(zi)電路産生的(de)高頻幹擾;微(wēi)分噪聲,同相(xiang)噪聲,低頻有(yǒu)色噪聲幹擾(rǎo).電磁流.量計(ji)信号處理✊方(fāng)式的發展就(jiu)是圍繞克服(fu)以上✨幹擾噪(zào)聲,有效地放(fàng)大感應信号(hao)而發展.
現在(zài)很多電磁流(liu)量計的信号(hao)處理方法采(cai)用了電容隔(gé)離法,電容隔(ge)離法是将零(ling)點漂移近似(sì)作爲直流.處(chu)理的一種方(fāng)法,即通過電(dian)容耦合來隔(ge)離零點漂移(yí)幹擾，實現對(dui)感應電勢信(xìn)号的提🧑🏾🤝🧑🏼取.放(fàng)大處理.基本(ben)電路如圖2.
信(xìn)号通過輸人(ren)端差動放大(dà)器A1,A2抑制共模(mó)幹擾,經過電(dian)🔴容C1,C2耦合🏃🏻後由(you)A3放大K倍,于圖(tu)3中的T/2時刻前(qián)采樣保持,經(jing)A6放大後,實現(xiàn)♌輸出uo=2Kneab,Ka爲整機(ji)放大倍數.這(zhe)種方法結👣構(gòu)簡單⛱️,在電路(lu)原理上容易(yi)實現,對高頻(pín)幹擾可以起(qi)到有效😍的抑(yi)制作用,但是(shì)抗幹擾能力(lì)特别差,信号(hao)放大後,輸出(chū)非常不穩定(ding).主要原因是(shi)由于共模幹(gan)擾的影.響和(he)隔離電容無(wú)法💚隔離零點(dian)漂移等并非(fēi)真正直流的(de)低頻分量💃的(de)影響.因此爲(wei)了穩定信号(hao)🔴值,隻有提高(gāo)采樣保持電(diàn)容C3,C4.參數,對信(xìn)🤞号處理的輸(shū)出級加大濾(lü)波的時間常(chang)數.表面上看(kàn)儀表的輸❄️出(chū)穩定了,但卻(que)加大了信号(hào)對于流體流(liu)速變化的響(xiǎng)應時間.所🙇♀️以(yǐ),這種方法一(yi)般隻适用于(yu)勵磁周期在(zai)8倍以上工頻(pín)周期.的情況(kuàng).
在(zài)電容隔離法(fa)基礎上,應用(yòng)零點漂移法(fa).基線控制法(fǎ)"等信号處理(li)方法都能在(zài)一定程度上(shàng)克服電容隔(ge)離法的不足(zú),抑制幹擾,提(tí)高動态響應(yīng)速度和線🛀性(xing)度.
2基波平均(jun)值轉換的信(xin)号處理方法(fa)
如上所述,電(diàn)容隔離法或(huo)補償電路不(bu)能很好解決(jue)感應信💰号失(shi)真和幹擾信(xìn)号被放大等(deng)問題.經過大(dà)量實驗和對(dui)國外電磁流(liu)量計的研究(jiū),本文提出一(yi)🈲種基波平均(jun)值轉換的🐪信(xin)号處理方法(fa)🌐，基于e(t)與峰值(zhí)、平均值、有效(xiao)值成正比關(guan)系，對信号進(jin)行♌濾波并采(cai)⁉️用基波平均(jun)值處理轉換(huàn)的方法，可以(yi)有效提高電(diàn).磁流量計抗(kang)幹擾的能力(lì).結構框圖如(rú)圖4.
傳感器輸(shū)出流量信号(hao)十分微弱,爲(wèi)幾十微伏的(de)交流✏️信号,并(bìng)疊加了多種(zhǒng)頻率的噪聲(sheng)幹擾，表示爲(wei)
式中,前兩項(xiàng)爲信号基波(bo)和諧波,後四(si)項爲幹擾噪(zao)聲(包括零均(jun1)值噪聲、共模(mo)噪聲、微分噪(zào)聲、同相幹擾(rao)🧡).
信号是對稱(chēng)方波脈沖形(xíng)式,幅值爲幾(jǐ)十微伏,脈沖(chong)寬度50ms,周期200ms,脈(mo)沖占空比爲(wei)0.5,整機放大倍(bèi)數2200倍.信号預(yu)處理電路爲(wèi)帶通濾波器(qì),主要消除諧(xie)波和零均值(zhí)🍉噪聲.式(2)中
微(wēi)分噪聲在一(yi)定的流體介(jiè)質下,産生的(de)誤差爲系統(tǒng)誤
差,可以由(yóu)信号調理電(dian)路末級的微(wei)分噪聲補償(cháng)電路校🏃🏻♂️準去(qu)除。
可以忽略(luè)。共模幹擾雖(sui)然可以通過(guò)提高電路的(de)共模抑😍制比(bǐ)來消除，但實(shí)際上由于元(yuan)器件的溫度(du)系數分🏃🏻♂️散性(xìng)💞較大🔴,因此不(bu)可能使共模(mó)放大倍數Kc等(děng)于零,如采用(yong)圖2的方法,初(chū)級爲雙端輸(shū)人單端輸出(chu),則共模電壓(ya)e在中間級主(zhu)放大器A3處會(hui)被放大K3倍,這(zhe)樣會影響後(hou)級的信号處(chù)理，采用新的(de)方🌈法提高CMRR,根(gen)據差動放大(da)電路📱的特點(dian),在第一、第二(er)級采用四運(yùn)放,差動信号(hào)爲雙端輸出(chu),不經合并直(zhí)接進人下一(yī)級.将第三級(ji)設計爲增⛹🏻♀️益(yì)是1的低通濾(lǜ)波電🍉路,此信(xin)号處理方法(fa)可以使ec不被(bei)放大,從而避(bì)免影響整機(ji)信号.按CMRR爲100dB計(ji)算,由于采用(yong)了新的處理(lǐ)方式，差動流(liú)速🌈信号放大(da)系數爲Kd=1,所以(yi)計算🔅得Ke=10-5,即整(zhěng)機信号調理(lǐ)電💚路可♻️以将(jiang)共模幹擾信(xin)号衰減105倍.對(duì)于由電極對(duì)地形成的幹(gan)💞擾有如下關(guan)系”，
式中:Rj爲勵(lì)磁線圈對電(diàn)極的絕緣電(diàn)阻;Rs爲傳感器(qi)感應信号内(nei)阻;r爲傳感器(qì)接地電阻;E勵(lì)磁電壓;當E=24V時(shí),共模幹♊擾電(dian)壓ec=5mV,經🈲衰減😘105倍(bèi)後隻有0.05μV,此幹(gan)擾電壓對輸(shū)出不會有影(yǐng)響.通過實驗(yan)證明,CMRR做得很(hěn)高時,應用此(ci)方法抗幹擾(rǎo)能力的确很(hěn)強。
該電磁流(liu)量計已經得(dé)到應用,并依(yī)據JJG198-94《速度式流(liú)量計檢🐉定💞規(guī)程📱》,利用質量(liàng)法水标準裝(zhuang)置,對采用基(jī)波平均值信(xin)号預處理🌈電(dian)路♋的電磁流(liú)量計進行檢(jiǎn)定,重複性❌誤(wu)差爲0.1%,基本誤(wù)差爲0.25%,線🌈性度(dù)0.3%,檢測結果如(rú)表1.
3結語
本文(wen)主要探讨了(le)電磁流量計(jì)在低頻矩形(xing)波勵磁下的(de)信号處理方(fāng)法,并介紹了(le)在信号預處(chu)理過程🥵中,基(jī)波平均值法(fa)可⛱️以滿足小(xiǎo)信号放大調(diào)理的苛刻要(yao)求.電磁流量(liàng)計還🤟有其他(ta)信号處理方(fāng)式，但都無法(fa)脫離濾波、噪(zào)聲抑制等技(ji)術問題，同💞時(shi)産品化🏃🏻♂️過程(chéng)中還必須考(kao)慮電路✌️屏蔽(bi)措施、熱電勢(shì)、接點處理方(fāng)法和接地👅、裝(zhuang)配工藝等對(duì)信号處理電(diàn)路的影❓響,這(zhè)樣才能從根(gen)本上提高動(dòng)态響應和儀(yi)表精度.
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