摘　要：采用帶阻濾波(bō)的信号(hào)處理方法，處理(lǐ)低頻(pín)矩形(xíng)波勵(lì)磁下(xià)由傳感器(qì)輸出(chū)的(de)信号，有(yǒu)效抑制(zhì)工頻幹(gàn)擾。結果(guǒ)表(biǎo)明，系(xì)統測量精(jīng)度優(yōu)于0.4％，達(dá)到了工業測量标(biāo)準。
0　引言
　　電磁(cí)流量計 原(yuán)理爲法拉(lā)第電(diàn)磁感應(yīng)定(dìng)律，主(zhǔ)要由流(liú)量常感(gǎn)器和(hé)變送器組(zǔ)成。電磁流(liú)量計有許(xǔ)多良(liáng)好性(xìng)能，如結構(gòu)簡單(dān)、較強的耐腐蝕(shí)性、較高的穩定性、較(jiào)高的精度(dù)等，在給供水(shuǐ)、鋼鐵、石油(yóu)、煤(méi)炭、化(huà)工、醫療、航(háng)海、農(nóng)業灌溉等領域(yù)有着(zhe)廣泛(fàn)應用(yòng)［1］。流量傳感器的(de)主要作(zuò)用是當流經(jīng)導管内的(de)導電(diàn)液(yè)體做切割磁(cí)感線運動(dòng)時，會産生電動(dòng)勢，将導電(diàn)液體(tǐ)的體積流量轉換成(chéng)需要的電(diàn)信号，再傳送給(gěi)變送(sòng)器作進一(yī)步處理。變送器(qì)主要由勵(lì)磁電路、濾(lǜ)波(bō)電路、前置(zhì)放(fàng)大調整電(diàn)路、采(cǎi)樣(yàng)電(diàn)路(lù)、電(diàn)流信(xìn)号輸出電(diàn)路及(jí)脈沖信号(hào)輸出電路組成(chéng)。
　　電磁(cí)流量(liàng)技術(shù)的發(fā)展主要體(tǐ)現在勵(lì)磁方案改進和信(xìn)号處(chù)理算法優(yōu)化方(fāng)面(miàn)。電磁(cí)流量計(jì)的勵磁方(fāng)案直接決(jué)定了其抗(kàng)幹擾性(xìng)能(néng)和零點的(de)穩定性。信号處理的(de)重點(diǎn)是幹擾(rǎo)噪(zào)聲去(qù)除，其中主(zhǔ)要的幹擾(rǎo)是工頻幹擾、同(tóng)相幹擾、正(zhèng)交(jiāo)幹擾、極化現(xiàn)象、白噪聲幹擾(rǎo)和零點偏(piān)移。采(cǎi)用直流勵磁方案，将(jiāng)不(bú)會産生(shēng)渦流效應，并且(qiě)有着較小的正交幹擾和(hé)同相(xiàng)幹擾(rǎo)；采用正弦(xián)波勵磁(cí)方案，可(kě)以很好地(dì)控制(zhì)極化現象産生，并有着良好的(de)抗噪能(néng)力(lì)；采用(yòng)低頻(pín)矩形波勵磁方案，兼顧直(zhí)流勵磁和正弦(xián)波勵(lì)磁的(de)優點(diǎn)，因此應用廣泛。
　　本文采(cǎi)取低頻矩形波勵磁方(fāng)案。可(kě)導電(diàn)的(de)流(liú)體切割磁(cí)感線(xiàn)，從而(ér)在(zài)電(diàn)極上(shàng)會有(yǒu)電(diàn)動(dòng)勢産(chǎn)生，但是電(diàn)壓十(shí)分弱，流量(liàng)傳感器的輸(shū)出信号(hào)會受工頻(pín)幹擾(rǎo)，帶來(lái)較低的信(xìn)噪(zào)比(bǐ)，特别是在(zài)導電液體流速較低(dī)的情形下(xià)，有效的(de)流(liú)量信号可(kě)能完(wán)全被(bèi)噪聲信(xìn)号覆蓋(gài)。本文(wén)在(zài)采(cǎi)取低(dī)頻矩形波(bō)勵磁(cí)條件下，在現有(yǒu)信号處理方法的基礎(chǔ)上，采取(qǔ)巴特沃(wò)斯(sī)帶阻濾波信号(hào)處理方法，可以有效(xiào)消除(chú)50hz的工頻幹擾［2］，以(yǐ)此來(lái)提高流量(liàng)傳感器輸出信(xìn)号的(de)信噪(zào)比，并在msp430上(shàng)實現(xiàn)，可有(yǒu)效(xiào)處理水(shuǐ)流量信号(hào)。通過(guò)标準表标定實驗，擁有較爲理想的測量(liàng)精度(dù)和重(zhòng)複(fú)性。
1　帶阻(zǔ)濾波方法(fǎ)
1.1　算法(fǎ)原理及推導
　　流(liú)量傳感器(qì)的輸出信(xìn)号(hào)和被測(cè)導電液(yè)體的流速之間存在一(yī)定的線性關系(xì)。在理(lǐ)想條(tiáo)件下(xià)，采用低(dī)頻(pín)矩形波勵(lì)磁(cí)方式時，從流量傳感器(qì)輸出信号，頻(pín)率(lǜ)和勵(lì)磁電流相(xiàng)同，并(bìng)且輸出信(xìn)号的(de)幅值和導電液體的(de)流速(sù)之間成比例關系。但(dàn)是，實際中(zhōng)，流量傳感器的(de)輸出信(xìn)号會受到多(duō)種噪(zào)聲的(de)幹擾(rǎo)，經(jīng)常(cháng)會(huì)摻雜着如微(wēi)分幹擾、串共模幹擾(rǎo)、同相幹(gàn)擾(rǎo)等幹(gàn)擾，使(shǐ)流量信号(hào)和噪聲不能很好分(fèn)離，可(kě)用方(fāng)程（1）表示(shì)［3］：

　　式(shì)中，bdv是(shì)模拟(nǐ)流量信号(hào)。通過(guò)對(duì)流(liú)量傳(chuán)感器(qì)輸出信号進行(háng)分析(xī)，可以發現輸出(chū)信号(hào)有着(zhe)較(jiào)寬(kuān)的頻率範(fàn)圍，所以采(cǎi)用常(cháng)規的低通濾波(bō)很難(nán)将噪(zào)聲去除(chú)。針對流(liú)量傳感器輸出信号(hào)的(de)特(tè)點，利(lì)用現有的模(mó)拟(nǐ)濾波(bō)器設(shè)計公(gōng)式，實(shí)現巴特沃(wò)斯帶(dài)阻濾波器的設(shè)計，其系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表示爲：

　　因(yīn)此，設計巴(bā)特沃斯帶(dài)阻濾(lǜ)波(bō)器的實(shí)質就是要(yào)明确帶寬，并确(què)定階(jiē)數n，在matlab中完成濾(lǜ)波器的設計，并找出系數b、a，使其滿足預(yù)設的技(jì)術要(yào)求。
1.2　濾波器(qì)實現(xiàn)
　　電(diàn)磁流量(liàng)計的頻率輸出範圍(wéi)由實際應(yīng)用場景(jǐng)決定，本文假設其(qí)範圍0～100hz。依據奈奎(kuí)斯特抽樣(yàng)定理，爲了無失(shī)真(zhēn)地恢複出(chū)采(cǎi)樣信号，取(qǔ)樣頻率(lǜ)爲采(cǎi)樣(yàng)頻率的2倍，即200hz。爲(wèi)了去除50hz工(gōng)頻幹(gàn)擾，選(xuǎn)取49hz的(de)下限(xiàn)截(jié)止頻率；選取(qǔ)51hz的上(shàng)限截止頻(pín)率；折疊頻(pín)率爲(wèi)采樣頻率的1/2，取(qǔ)Ｍ＝100；對通帶頻(pín)率作(zuò)歸一化處理，取(qǔ)Ｗｐ

　　衰減(jiǎn)取值3db，即ｐ＝3；阻帶頻率取(qǔ)值20db，即s=20；确定(dìng)階數n和截止頻(pín)率wc，［nwc］＝buttord（wp,ws,p,ｓ）；最後确(què)定巴特沃斯帶(dài)阻濾(lǜ)波(bō)器(qì)，［Ｈ］＝butter（n，wc，＇stopl＇）；通(tōng)過(guò)matlab，設計出巴(bā)特沃(wò)斯帶阻(zǔ)濾波器［6］，再繪制(zhì)巴特沃(wò)斯帶阻濾波器(qì)的幅頻響(xiǎng)應曲線和相(xiàng)頻響應(yīng)曲線(xiàn)，如(rú)圖(tú)1所示(shì)：

2　matlab仿真(zhēn)
　　爲了(le)驗證信号處理算法(fǎ)的可(kě)行(háng)性，需在matlab中模拟工(gōng)業現(xiàn)場下(xià)的傳(chuán)感器(qì)輸出(chū)信号。因爲(wèi)從流(liú)量傳感器(qì)獲取的(de)電(diàn)壓信号十(shí)分弱(ruò)，尤其(qí)在導(dǎo)電液(yè)體流(liú)速較小的情形(xíng)下，有(yǒu)用(yòng)信号可(kě)能會淹沒在各(gè)種噪聲中(zhōng)。所以(yǐ)在mat-lab仿真時，要參(cān)考實(shí)際環境下輸出信号，模拟(nǐ)的傳感器(qì)輸(shū)出信号(hào)，要(yào)摻雜着工頻幹(gàn)擾、同相(xiàng)幹擾(rǎo)、白(bái)噪聲等(děng)幹擾。在導電液體的流速小于(yú)1ｍ/ｓ情形下(xià)，流量傳(chuán)感器能(néng)獲取到(dào)的電(diàn)壓(yā)小(xiǎo)于10ｍv。本文采用取(qǔ)低頻(pín)矩形波勵(lì)磁的(de)勵磁方案，選取50hz工頻(pín)的1/8作勵磁頻率(lǜ)，即6.25hz。因此，本文模拟輸出信号：

　　式（3）中，等号右(yòu)邊的各項(xiàng)依次(cì)表示所需的流(liú)量信号、工頻幹(gàn)擾、零(líng)漂、白(bái)噪聲(shēng)。産生的信(xìn)号如(rú)圖2所示。
通過matlab，對(duì)模拟的傳(chuán)感器輸出信号進行(háng)巴特沃斯帶阻濾波，從圖3中可(kě)以看出(chū)噪聲在(zài)一定程度上被(bèi)消除(chú)，具體(tǐ)哪種噪聲(shēng)被(bèi)去除，可(kě)以通(tōng)過(guò)對(duì)信号(hào)作傅(fù)裏葉(yè)變換(huàn)，得到相應(yīng)的頻(pín)譜。使用巴(bā)特沃斯帶阻濾波器(qì)濾波前(qián)後的(de)對比結果如圖3所示。


　　分别(bié)對上一(yī)步濾波前後的信号進行(háng)ＦＦＴ變換(huàn)，得到(dào)頻譜圖，這(zhè)一步是通過matlab實(shí)現的，濾(lǜ)波前後(hòu)的頻譜對比如圖4所示。
　　通過matlab，對(duì)信号(hào)處(chù)理算法進行仿真(zhēn)，分别(bié)對濾(lǜ)波前後的波形(xíng)圖、頻譜圖(tú)進行對比(bǐ)，發現此濾波方法(fǎ)可(kě)以有(yǒu)效(xiào)濾除50hz工頻幹(gàn)擾，驗證了(le)所設(shè)計(jì)的濾波方(fāng)法的可行性(xìng)。
3　基于msp430的算(suàn)法(fǎ)實現
3.1　系(xì)統硬件介(jiè)紹
　　基(jī)于(yú)ＴＩ公(gōng)司的(de)msp430芯片，研制了電(diàn)磁流量計的變(biàn)送器(qì)，此(cǐ)芯片是(shì)16位超低功(gōng)耗混(hùn)合型微處理器(qì)［７］，并且具有(yǒu)豐富的(de)外(wài)設，方(fāng)便系(xì)統功能擴(kuò)展。硬(yìng)件原理如(rú)圖5所(suǒ)示，由前置放大(dà)調理(lǐ)電路、勵磁(cí)電路、電(diàn)流信号(hào)輸出電路、脈沖(chòng)信号輸出電路、lcd顯示、鍵(jiàn)盤、rs232模塊(kuài)、開關電源構成(chéng)。前置放大調理(lǐ)電路(lù)主要完成(chéng)對電極信(xìn)号的放大、v/f轉(zhuǎn)換(huàn)等功能，電(diàn)流輸出模(mó)塊實(shí)現4～20ｍa電流輸出，脈沖輸出模(mó)塊實現脈(mò)沖量的輸出(chū)，lcd和按鍵(jiàn)用于(yú)配置和顯(xiǎn)示流量(liàng)相關參(cān)數，rs232用(yòng)于通(tōng)訊(xùn)，開(kāi)關電(diàn)源用于給(gěi)系統(tǒng)提供直流(liú)電壓(yā)。


3.2　系統軟(ruǎn)件設(shè)計(jì)
　　本系統軟件(jiàn)設計模塊(kuài)化的，都是由(yóu)主監控(kòng)程(chéng)序(xù)調用分配。軟件部分主要(yào)包括：初始(shǐ)化模塊(kuài)、通信模塊、watchdog模(mó)塊(kuài)、信(xìn)号處(chù)理模(mó)塊、驅動模(mó)塊等。總體框架如圖6所(suǒ)示。

　　通(tōng)過msp430控制驅動(dòng)模塊産生(shēng)勵磁電流，以此激勵(lì)流量傳感(gǎn)器的勵磁線圈，從而将導(dǎo)電(diàn)液(yè)體的流量(liàng)信号轉換爲(wèi)微弱的電動(dòng)勢(shì)，再對其進行放大調理(lǐ)、整流(liú)濾(lǜ)波和偏(piān)置調整，最(zuì)後送(sòng)到ad652進行v/f采(cǎi)樣［8］。在(zài)本文(wén)設計(jì)的電(diàn)磁流量(liàng)計中，采用帶阻濾波的方法對信(xìn)号進行實時處(chù)理，得(dé)到流量信(xìn)号的(de)幅值，再結合儀(yí)表的相應(yīng)參數(shù)，将幅值轉換成(chéng)需要(yào)的流量信号，再(zài)通過modbus将流(liú)量(liàng)信(xìn)息傳(chuán)送至(zhì)上位(wèi)機(jī)。
3.3　實驗結(jié)果
　　通過(guò)水流量(liàng)标定實驗驗證(zhèng)帶阻濾(lǜ)波算法的可行性(xìng)。标定(dìng)方法(fǎ)有标準表(biǎo)标定(dìng)法和(hé)稱重(zhòng)标定法(fǎ)，采取标(biāo)準表标定法，将被(bèi)測表的測量(liàng)結果和标準表(biǎo)的測量結(jié)果進(jìn)行比較(jiào)。結合相(xiàng)關的參數(shù)，計算(suàn)出(chū)系統的(de)測量(liàng)精度和重(zhòng)複性(xìng)，實驗結果如表(biǎo)1所示。

　　從上述實(shí)驗結(jié)果可(kě)知，在(zài)頻率是6.25hz的矩形(xíng)波勵磁下(xià)，在(zài)流量範圍是20～200ｍ3/ｈ的條(tiáo)件下(xià)，得到電磁(cí)流量計的(de)測量(liàng)精度高于0.4％，達到(dào)了工(gōng)業測量要求。
4　結(jié)語(yǔ)
　　本(běn)文主(zhǔ)要針對電(diàn)磁流量計(jì)的50hz工頻幹擾，提出采用巴(bā)特沃斯帶阻濾(lǜ)波的(de)信号(hào)處理(lǐ)方法。爲了驗證(zhèng)濾波(bō)算法(fǎ)的可(kě)行性(xìng)，并(bìng)測試電(diàn)磁流(liú)量計的測量精(jīng)度，采用标準表(biǎo)标定(dìng)法進行了水流(liú)量标(biāo)定。

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