摘要:電磁流量計 是一(yī)種應(yīng)用廣泛的(de)測量導電液體體積(jī)流量的儀表(biǎo)。測(cè)量時,金屬電極(jí)與電解質會發(fā)生電化(huà)學反應(yīng),産(chǎn)生極化噪聲(shēng)。極化(huà)噪聲幅值(zhí)遠高于流(liú)量信号幅值,使電極(jí)輸出(chū)信号信噪(zào)比較低;極化噪(zào)聲存在(zài)漂(piāo)移(yí)的(de)現象,會影響電(diàn)磁流量計變送器的信号調理(lǐ)工作,限制電路的放大倍數(shù),增(zēng)加adc采樣位(wèi)數電(diàn)路成(chéng)本、功耗等。對此(cǐ),提出了一種基于前饋控(kòng)制的自(zì)适應(yīng)極(jí)化噪聲抵消方(fāng)案，設計(jì)了相應(yīng)的信(xìn)号(hào)調理電(diàn)路,通過硬(yìng)件電(diàn)路實時提取和(hé)抵消極化噪聲(shēng)極大地(dì)提(tí)高了(le)電極輸出(chū)信号信噪比。通(tōng)過試(shì)驗,驗證了(le)該方案不(bú)但能有效濾除(chú)極化噪聲(shēng),而且(qiě)能提高信(xìn)号調理(lǐ)電路的(de)放大倍數、減少(shǎo)adc的采(cǎi)樣位(wèi)數減(jiǎn)少電路(lù)的成本(běn)和功耗。
0引言
　　電(diàn)磁流量(liàng)計是一(yī)種根據法拉第(dì)電磁(cí)感應定律(lǜ)測量導電(diàn)液體(tǐ)體積(jī)流量(liàng)的儀表,廣泛應用于(yú)石油、化工(gōng)、冶金(jīn)、造紙等行(háng)業。信(xìn)号測(cè)量(liàng)時,傳感(gǎn)器電極拾取流(liú)量信号和噪聲(shēng)信号。流量信(xìn)号(hào)幅值一.般爲幾(jǐ)十到數百微伏(fú)。而噪聲信号中(zhōng)的極(jí)化噪聲存(cún)在漂移的現(xiàn)象(xiàng),幅值一(yī)般(bān)在幾(jǐ)毫伏到數百毫(háo)伏區間變化,也(yě)有可(kě)能達到數(shù)伏"。兩(liǎng)者幅值的(de)巨大差異(yì)以及極化噪聲無法(fǎ)通過(guò)良(liáng)好(hǎo)的接(jiē)地或者(zhě)改變勵磁的方式消除(chú),極大地影(yǐng)響了信噪比。
　　爲了提(tí)高電磁流量計(jì)傳感器輸出信(xìn)号的信噪比，目(mù)前，國(guó)内外(wài)主要(yào)有四種(zhǒng)解(jiě)決方案。
①極(jí)化噪聲補(bǔ)償的(de)方案。根據(jù)極化(huà)噪聲(shēng)緩慢(màn)變化(huà)的特點,采(cǎi)用不勵磁時段(duàn)極化噪聲(shēng)來補(bǔ)償勵磁(cí)時段的(de)極化噪聲。但是,由于(yú)極化噪聲(shēng)的不規(guī)律性,會導緻電(diàn)磁流量計的零(líng)點較差(chà)。
②低通(tōng)濾波反饋(kuì)的方(fāng)案(àn)[2]。根(gēn)據極(jí)化噪聲(shēng)所處的(de)頻帶略低于流(liú)量信号的特點(diǎn),采用一階低通(tōng)濾波器提取極(jí)化噪聲(shēng),并(bìng)進行反饋(kuì)補償。但是(shì),低通濾波(bō)器的(de)過渡帶很(hěn)寬,會(huì)使流(liú)量信号出(chū)現畸變的現象(xiàng)。因此，該方(fāng)案被(bèi)用(yòng)在瞬(shùn)态勵磁(cí)中,尚未應用于商用儀表。
③采用(yòng)精度高(gāo)的模數轉換(huàn)器(analogtodigitalconverter,adc)的方案。利(lì)用32位(wèi)精度高的模數轉換器(qì)直接(jiē)采集(jí)信号(hào),然後通過(guò)數字(zì)信号處理方法提取(qǔ)出流量信(xìn)号。但該方案增(zēng)加了程序的複(fú)雜性。同(tóng)時,精度高的模數轉換(huàn)器的分(fèn)辨(biàn)率與(yǔ)采樣率成反比(bǐ)。因此，.爲了保證較高的分辨率(lǜ),隻能使用很低的勵磁頻(pín)率。
④阈(yù)值控制的偏置(zhì)調節(jiē)方(fāng)法(fǎ)”。當信(xìn)号超過(guò)設定的(de)阈值時,數字信号處理器(qì)(digitalsignalprocessor,dsp)控制(zhì)數模轉換(huàn)器(digitaltoanalogconverter,dac)模(mó)塊輸出(chū)偏(piān)置調(diào)節電壓,将傳感(gǎn)器輸出信(xìn)号調整(zhěng)到(dào)0附近。但這(zhè)種調(diào)節方(fāng)法會使流(liú)量信号産(chǎn)生一個跳變，對(duì)後續的(de)梳狀帶(dài)通濾(lǜ)波造(zào)成影(yǐng)響,導(dǎo)緻輸出信(xìn)号出現(xiàn)間斷性(xìng)錯誤(wù)。
　　爲(wèi)此,極化(huà)噪聲(shēng)産生的具(jù)體原因及分布(bù)特性(xìng),提出前饋控制的(de)自(zì)适應極化噪聲抵消方案。基(jī)于該方(fāng)案(àn)，電磁流量計變送器中(zhōng)的(de)信号調理電(diàn)路;并用調理電路替(tì)換課題組研制(zhì)的電磁流(liú)量計(jì)變送器中的調理電路,形成一(yī)套完整的(de)電磁(cí)流量計變(biàn)送器(qì),進行驗證試驗(yàn)。
1噪聲分析
　　極化(huà)噪聲(shēng)主要(yào)源于(yú)電極與電解質(zhì)的電(diàn)化學反應(yīng)。金屬電極(jí)帶電(diàn)的正離子逐漸溶解(jiě)于所(suǒ)測量的電解質流體(tǐ),自身帶負電荷(hé),緻(zhì)使電解質流體中(zhōng)的正負電(diàn)荷中心發生相(xiàng)對位移(yí),形成複(fú)雜的電解雙層(céng)結構。雙電(diàn)層之(zhī)間産(chǎn)生-一個電場,從而在電解質流體和(hé)電極(jí)之間(jiān)形成(chéng)電位差。這(zhè)個電(diàn)位差(chà)就是極化電勢。若兩電極結構(gòu)完全相同,則極化電(diàn)勢會相互抵消。但由于兩(liǎng)電極表面的結構差(chà)異,極(jí)化電(diàn)勢會由共模電壓轉(zhuǎn)爲差模電(diàn)壓,并耦合(hé)在信(xìn)号.上。該極化電(diàn)勢被認(rèn)爲是直流分(fèn)量[1,460而且,電(diàn)極表面上的灰(huī)塵或放電離子(zǐ)等沉積物(wù)會随着時(shí)間的(de)推移(yí)緩慢累積。當有(yǒu)流動(dòng)的電解質(zhì)流體出現(xiàn)或電(diàn)解質流體流速(sù)發生變化時,這(zhè)些累(lèi)積的(de)沉積(jī)物會(huì)被慢慢撕開。在這一-過程(chéng)中,極化電(diàn)勢大小會(huì)發(fā)生(shēng)随機(jī)變化,形成(chéng)漂移(yí)的極(jí)化電壓”。極(jí)化電壓(yā)的(de)大小(xiǎo)在一(yī)定程度上(shàng)取決于電(diàn)極的(de)制作(zuò)材料和所(suǒ)測量的電(diàn)解質(zhì)流體(tǐ)的性質;同(tóng)時,也受溫度的影響。
　　爲了研究(jiū)極化噪聲的特性,研(yán)制了對電(diàn)極輸出(chū)信号進(jìn)行放(fàng)大和高頻(pín)濾波的信号調理電路1。配(pèi)合原(yuán)有的變(biàn)送(sòng)器,針(zhēn)對口徑爲40mm的電(diàn)磁流量傳感器(qì),采集濾除高頻(pín)且放大的(de)電極輸出信号,并進(jìn)行(háng)頻(pín)譜分析。其(qí)中,勵磁(cí)頻率爲(wèi)12.5hz,水流(liú)量爲20m'/h,采樣(yàng)頻率爲(wèi)1500hz,采樣時間爲(wèi)200s。信号(hào)調理電(diàn)路1輸出信号(hào)及頻譜如(rú)圖1所(suǒ)示。

　　觀(guān)察信(xìn)号調(diào)理電路的輸出(chū)信号(hào)可以發現:電(diàn)極輸出(chū)信号(hào)經過(guò)信号調(diào)理(lǐ)電路放大(dà)後存在嚴重的(de)漂移(yí)現象(xiàng),信号(hào)累積的漂移(yí)量達到(dào)了1.2v,遠大于(yú)70mv左右(yòu)的流量信(xìn)号(流(liú)速爲1m/s信(xìn)号幅值(zhí)約爲(wèi)100μv,流量爲20m/h時(shí)流速爲4.44m/s,信号幅值約(yuē)爲(wèi)444μv,放大(dà)170倍(bèi)後約爲75.5mv;70mv爲(wèi)觀測(cè)結果)。而(ér)該結果僅僅是将電極(jí)輸出信号(hào)放大(dà)了170倍(bèi)。當放大倍數更(gèng)大時(shí),如果任由電(diàn)極輸出信号(hào)發生漂移,那麽放大(dà)器輸(shū)出信(xìn)号(hào)很可能(néng)達到飽(bǎo)和(hé),adc的供(gòng)電電(diàn)壓(yā)會達到5v,導緻adc無(wú)法正常工作(zuò)。
　　爲(wèi)了觀察(chá)流量信(xìn)号與極化噪聲的頻段(duàn)分布,将290000點(diǎn)信号(hào)去均值後,從4096點(diǎn)開始，等距(jù)取60段(duàn),每段(duàn)4096點,分别作4096點的快速(sù)傅裏葉變換(fastfouriertransform,fft),并(bìng)求出(chū)其平(píng)均幅值譜(pǔ),如圖1(b)所(suǒ)示。由圖(tú)1(b)可以(yǐ)看出:極化(huà)噪聲(shēng)以直(zhí)流噪(zào)聲爲主,主要分布于(yú)零頻附近(jìn)的低頻(pín)區域,幾(jǐ)乎不(bú)與流(liú)量信(xìn)号頻段(duàn)重(zhòng)疊。當勵磁頻(pín)率(lǜ)爲2.5~5hz'[8]，可(kě)以用(yòng)一個(gè)過渡帶(dài)特性較(jiào)陡的(de)高階低通(tōng)濾波(bō)器來提取極化(huà)噪聲。
2極(jí)化噪聲抵消(xiāo)方案
2.1抵消(xiāo)原理
　　根(gēn)據(jù)極化(huà)噪聲的特性,同(tóng)時考(kǎo)慮到硬件(jiàn)系統處理噪聲(shēng)更具實時(shí)性與可靠(kào)性(xìng),提出一(yī)種基(jī)于前饋控(kòng)制的自(zì)适(shì)應極(jí)化噪聲抵消方(fāng)案,并(bìng)用硬件實(shí)現。噪聲抵(dǐ)消方(fāng)法原理如圖(tú)2所(suǒ)示。


　　最後(hòu),在(zài)軟件(jiàn)中通(tōng)過梳狀帶通濾(lǜ)波和幅值(zhí)解調(diào)等信号處(chù)理方(fāng)法,濾(lǜ)除(chú)工頻幹擾和(hé)微分(fèn)幹擾，就可以得(dé)到流速值。
2.2.硬件(jiàn)電路(lù)研(yán)制
　　根據(jù)前饋(kuì)控制的自(zì)适應極化(huà)噪聲(shēng)抵消(xiāo)原理,設計(jì)了信(xìn)号(hào)調理電(diàn)路(lù)2,以(yǐ)實現(xiàn)極化(huà)噪聲的(de)濾(lǜ)除。信号調(diào)理(lǐ)電路2主要包(bāo)括前(qián)置差(chà)分放(fàng)大(dà)電路、極(jí)化(huà)噪聲提取與(yǔ)抵消(xiāo)電路、低(dī)通(tōng)濾波放大(dà)電路(lù)三部分。調理電路如圖3所示。

①前(qián)置差(chà)分放大電(diàn)路。
　　前置差分(fèn)放大電(diàn)路主要實現信号(hào)的放大(dà)和共模(mó)噪聲的抑(yì)制。電路采用(yòng)具有高共模抑(yì)制比、高增益精(jīng)度、低失調漂移(yí)、低增益漂移的(de)精密儀用放大(dà)器。前置差(chà)分放大電路如圖4所(suǒ)示。.


　　前(qián)置差分放(fàng)大電路(lù)設計時(shí)要考慮後級電(diàn)路電(diàn)壓匹配(pèi)的(de)問題。下級電路芯片供電電壓(yā)爲+5v,而(ér)前置(zhì)差分放大(dà)電路輸出(chū)信号存在負電(diàn)壓。因此,需(xū)要加(jiā)入直流(liú)基(jī)準。電極輸出信号中(zhōng)流量信号(hào)及其(qí)他噪(zào)聲幅值(zhí)遠(yuǎn)小于極化噪聲(shēng)幅值。由(yóu)于(yú)檢測(cè)到的電(diàn)極輸出(chū)信号中極化噪(zào)聲幅值最(zuì)大爲+200mv，電路放大(dà)4.1倍,那(nà)麽放(fàng)大器輸出(chū)的極化噪(zào)聲幅(fú)值最大也隻有(yǒu)+820mv。而電(diàn)路直接加(jiā)入了2.5v的參(cān)考電(diàn)壓，足以将前置(zhì)差分放大電路輸出信(xìn)号由雙(shuāng)極性轉爲單極性。
②極(jí)化(huà)噪聲提(tí)取與抵(dǐ)消電路(lù)。
　　極化(huà)噪聲提取(qǔ)與抵消電(diàn)路是(shì)爲了(le)實現極化(huà)噪聲的(de)提(tí)取、抵(dǐ)消和流量信号(hào)的放大。電路分(fèn)爲(wèi)極化(huà)噪聲提(tí)取電路和(hé)噪聲抵消與放(fàng)大電(diàn)路,分(fèn)别(bié)由八階巴特(tè)沃斯(sī)低通(tōng)濾波(bō)器和精密(mì)儀用(yòng)放大器構(gòu)成。
　　極化噪聲提(tí)取電(diàn)路(lù)通過八(bā)階巴(bā)特沃斯低(dī)通濾(lǜ)波(bō)器來提(tí)取極化(huà)噪聲。此低通(tōng)濾波器過(guò)渡帶非常窄,其(qí)截止頻率f。的大小(xiǎo)可以通過外(wài)接電容在(zài)1hz~2khz之間(jiān)調節。當fiw=2f。時(shí),信号增益爲(wèi)-48db,輸(shū)出信(xìn)号衰減爲(wèi)原信(xìn)号的(de)1/251。當(dāng)fw=3f時,信号(hào)增益爲(wèi)-76db,輸出信(xìn)号衰減爲(wèi)原信(xìn)号的1/6310。如設(shè)置f。=1hz,那麽輸(shū)出信(xìn)号中(zhōng)完整保留(liú)1hz及以(yǐ)下頻段的信号,1~3hz内的(de)信(xìn)号(hào)出現不同(tóng)程度衰減(jiǎn),3hz及以上信号被完全(quán)衰(shuāi)減。由此(cǐ)就可以通過該(gāi)八階(jiē)低(dī)頻濾波(bō)器濾(lǜ)除(chú)勵(lì)磁頻(pín)率12.5hz(6.25hz.3.125hz)及(jí)以上頻段(duàn)的信号,精(jīng)确提(tí)取出極化(huà)噪聲(shēng)。
　　噪聲(shēng)抵消(xiāo)與放大電路中(zhōng),采用(yòng)前置差分(fèn)放大後的(de)電極(jí)輸出(chū)信号減去(qù)低(dī)通(tōng)濾波器(qì)提(tí)取的(de)極化(huà)噪(zào)聲,以實(shí)現極化(huà)噪聲的(de)自适應抵消。此(cǐ)時,經(jīng)過噪聲抵(dǐ)消後(hòu)的信号中隻含有流量信号和高頻噪聲(shēng),而且(qiě)高頻噪聲(shēng)幅值小于流(liú)量信号幅值,因此(cǐ)可以通(tōng)過放大(dà)器實現(xiàn)信号的(de)更高(gāo)倍(bèi)數放大(dà)。以口(kǒu)徑(jìng)爲40mm的電(diàn)磁流(liú)量傳(chuán)感器爲例(lì):當流速爲5m/s時,檢(jiǎn)測到流量(liàng)信号(hào)峰(fēng)峰值爲(wèi)1mv;以10m/s爲流速上限，則流(liú)量信(xìn)号峰峰值最(zuì)大爲2mv。由(yóu)于adc采(cǎi)用5v供(gòng)電,考慮到芯(xīn)片性能(néng)等因素,不可能(néng)将流(liú)量信(xìn)号完全放(fàng)大(dà)到芯片(piàn)供電電壓(yā)範圍(wéi)。對此(cǐ),将(jiāng)信号最(zuì)大放大(dà)到(dào)+4v,那麽信号(hào)調理電路(lù)最大(dà)放(fàng)大倍數(shù)可達(dá)4000倍。扣除前(qián)置放(fàng)大4.1倍,那麽(me)後兩(liǎng)級(jí)電(diàn)路最(zuì)大可放大975倍。
③低(dī)通濾(lǜ)波放大電(diàn)路。
　　低(dī)通濾波放大電路的(de)主要(yào)目的(de)是實(shí)現高(gāo)頻噪聲的濾除(chú)。
　　電極輸出信号(hào)經過(guò)自适(shì)應極(jí)化(huà)噪(zào)聲抵(dǐ)消後(hòu),除了12.5hz(6.25hz3.125hz)的流量信(xìn)号外，還(hái)存(cún)在高(gāo)頻噪聲(shēng)。高頻噪(zào)聲進(jìn)人adc後,可能會造(zào)成信号的(de)混疊。所以,需要(yào)采用(yòng)低(dī)通濾波器來濾(lǜ)除高頻(pín)噪聲(shēng)。
低通(tōng)濾波(bō)放(fàng)大電路(lù)如圖(tú)6所示(shì)，

　　低通濾波(bō)放大(dà)電路采用兩級二(èr)階巴特(tè)沃斯(sī)低通(tōng)濾波(bō)器(qì)級聯來構成(chéng)四階低(dī)通(tōng)濾(lǜ)波器,其放大(dà)倍數爲10.9倍(bèi)。考(kǎo)慮到能更多地保留流量信号的諧波(bō)，設置濾(lǜ)波器截(jié)止頻率爲(wèi)1.5khz。
3驗證(zhèng)試驗(yàn)
　　爲(wèi)了驗證(zhèng)基于前饋控制(zhì)的(de)自(zì)适應極化(huà)噪聲抵(dǐ)消(xiāo)方法(fǎ)的效(xiào)果,設計了(le)信号調理電路(lù)2,并替(tì)換(huàn)本課題(tí)組(zǔ)研制(zhì)的電磁(cí)流量(liàng)變送器中(zhōng)的信(xìn)号(hào)調(diào)理電(diàn)路;再(zài)匹配(pèi)電磁流量傳感(gǎn)器,組成(chéng)了(le)一個完整(zhěng)的基于數(shù)字信号處(chù)理器(qì)(digitalsignalprocessor,dsp)的電(diàn)磁流量(liàng)計(jì)[8-0,。在容(róng)積法(fǎ)水(shuǐ)流量标定裝置上進行(háng)了信号調理電(diàn)路濾(lǜ)波試驗、電(diàn)磁流(liú)量計水流(liú)量标定試驗和降adc位(wèi)數試驗。
3.1試(shì)驗裝置
　　試(shì)驗裝(zhuāng)置由水流量标(biāo)定裝置和(hé)數據采集系統組成(chéng),如圖7所(suǒ)示(shì)。

　　圖7中(zhōng):水流量标定裝(zhuāng)置的(de)不确定度(dù)爲0.2%,電磁(cí)流量傳(chuán)感器口(kǒu)徑(jìng)爲40mm,電磁流(liú)量變送器(qì)的勵磁頻率爲(wèi)12.5hz。信号調理(lǐ)電路(lù)放大(dà)倍數(shù)和adc位(wèi)數可(kě)調:在信号(hào)調理電路(lù)濾波(bō)試驗(yàn)和電磁流(liú)量計水流(liú)量标(biāo)定試驗中(zhōng)放大(dà)倍數(shù)爲340倍,adc位數(shù)爲24位(wèi);在降adc位數(shù)試驗中(zhōng)放(fàng)大倍(bèi)數爲3500倍(bèi),取(qǔ)24位adc的(de)高14位來(lái)模(mó)拟16位(wèi)adc。
3.2信号(hào)調理電路濾波試驗(yàn)
　　爲驗(yàn)證基于(yú)自适(shì)應極化(huà)噪聲(shēng)抵消(xiāo)方法的(de)信号調(diào)理電路對極化(huà)噪聲的消除效(xiào)果,在信号調理(lǐ)電路(lù)2輸人信号(hào)不斷發生(shēng)漂移(yí)的情(qíng)況下(如圖(tú)1(a)中情況),通過上位機(采樣頻率(lǜ)1500hz,采樣時長(zhǎng)200s)采集(jí)流速爲5m/s(流速越(yuè)大,極(jí)化噪聲幅值越大)的(de)信号(hào)調理電路2輸出(chū)信号,并對其進(jìn)行了頻譜分析(xī)。
信号(hào)調理電路(lù)2輸出信号及頻譜圖如圖8所示(shì)。
　　觀察信号調理(lǐ)電路(lù)2輸(shū)出信号(hào),發現(xiàn)經過自适(shì)應極(jí)化噪(zào)聲抵(dǐ)消後(hòu),信号(hào)平穩分布于(yú)零(líng)點上(shàng)下,基(jī)本不存在(zài)漂移的現象,如(rú)圖(tú)8(a)所示。
　　信(xìn)号頻(pín)譜分析(xī)方法(fǎ)與(yǔ)圖1(b)噪(zào)聲分析時(shí)的相同,即将290000點(diǎn)信号去基(jī)準後,從4096點開始，等間(jiān)距取(qǔ)60段,每(měi)段4096點,再分别作4096點fft,最(zuì)後求出(chū)其(qí)平均幅值譜(pǔ),如圖8(b)所(suǒ)示。根據(jù)頻(pín)譜圖(tú)可以(yǐ)發現(xiàn):經過自适應極(jí)化噪(zào)聲抵消(xiāo)後信号(hào)調理(lǐ)電路(lù)2輸出(chū)信号(hào)中基本不(bú)存在極化噪(zào)聲(shēng),隻存在12.5hz的流量(liàng)信号。由(yóu)此說明(míng),基于前饋控制的自适應極化(huà)噪聲(shēng)抵消電路(lù)能有效(xiào)濾(lǜ)除電極輸(shū)出(chū)信号中(zhōng)的極化(huà)噪(zào)聲。

3.3電磁(cí)流量計水流(liú)量标定(dìng)試驗
　　爲了測試(shì)基于自(zì)适應極化噪聲(shēng)抵消(xiāo)方法的信(xìn)号調理電路2的(de)實際(jì)效果,進行(háng)了容積法(fǎ)水流(liú)量标(biāo)定(dìng)試驗。标(biāo)定試(shì)驗中(zhōng),在流速爲(wèi)0.15~5m/s的(de)範圍内(nèi)，共選取了6個标定點,并通(tōng)過示(shì)值誤(wù)差(chà)拟合方(fāng)法計(jì)算儀表系(xì)數"],然後驗(yàn)證了(le)電磁流(liú)量計的精度。放(fàng)大340倍24位adc水流量标定試(shì)驗結果如表1所(suǒ)示。

　　由(yóu)表1可(kě)知:在(zài)流速爲0.5~5m/s的(de)範圍内,電(diàn)磁流(liú)量計(jì)的最(zuì)大(dà)測(cè)量誤(wù)差都(dōu)在+0.3%以(yǐ)内,重(zhòng)複性誤差(chà)均在(zài)0.1%以内,滿足0.3級(jí)電(diàn)磁流量計(jì)要求。該結果說明,采用該(gāi)信号調理電(diàn)路(lù)的基于dsp的(de)電磁流量計具有很(hěn)好(hǎo)的測量(liàng)精度。同(tóng)時,與放(fàng)大倍(bèi)數爲180倍的(de)電磁流(liú)量計相比，該設計提高(gāo)了流量信(xìn)号的(de)放大倍數,可以實現更低流量(liàng)的測(cè)量,即可以(yǐ)采用該方法來(lái)拓寬(kuān)電磁(cí)流量(liàng)計的(de)測(cè)量下限(xiàn)。
3.4降adc位(wèi)數試驗
　　當(dāng)電路放(fàng)大倍數(shù)較大時，流量(liàng)信(xìn)号幅值(zhí)相(xiàng)應較(jiào)高,對(duì)adc分辨率的(de)要求降低(dī),這樣(yàng)就可以(yǐ)采用位(wèi)數較(jiào)低的(de)adc來(lái)實現信号(hào)的(de)測量。同時，降低adc位數(shù)也将(jiāng)降低(dī)電路(lù)的成本。所(suǒ)以,通(tōng)過改(gǎi)變電路的(de)放大倍數(shù)和adc采(cǎi)樣位數，并(bìng)采用水流量标定試(shì)驗進行(háng)驗(yàn)證。
　　電(diàn)極輸出信(xìn)号經過自(zì)适應(yīng)極化(huà)噪聲抵消(xiāo)後,信(xìn)号調(diào)理電路2最(zuì)大放大(dà)倍數可(kě)達4000倍(bèi)。所(suǒ)以,可将(jiāng)信号調理(lǐ)電路2的放大倍數由(yóu)340倍提高至(zhì)3500倍。普通dn40的(de)電磁流量(liàng)傳感器流(liú)速測量下限爲0.5m/s,通過(guò)上位機采(cǎi)集了(le)放大(dà)3500倍的(de)信号,發(fā).現流(liú)速(sù)0.5m/s時信号峰峰值約爲(wèi)346.7mv,而測(cè)量(liàng)電(diàn)壓範圍爲+5v的(de)16位adc的分(fèn)辨率(lǜ)爲153μv,足以識(shí)别信号。所以,采(cǎi)用了16位adc。16位adc有效(xiào)位數(shù)-一般(bān)在14~16位(wèi)。爲了方(fāng)便(biàn)在同(tóng)等條(tiáo)件下驗證(zhèng)效(xiào)果,不(bú)再(zài)重新(xīn)設計電路,而是(shì)在标(biāo)定(dìng)時(shí)取原(yuán)有24位adc的高14位來(lái)模拟16位adc的效果。
　　在流速爲0.5~5m/s的範(fàn)圍内，共選取了(le)5個标定點,并通(tōng)過示值誤(wù)差拟(nǐ)合方(fāng)法(fǎ)計(jì)算出(chū)儀(yí)表系數(shù)。然後(hòu),驗證電磁(cí)流(liú)量(liàng)計的精度。放大(dà)3500倍、16位adc水流量标(biāo)定試驗結果如(rú)表2所(suǒ)示。

　　由表2可(kě)知:在流速爲0.5~5m/s的(de)範圍(wéi)内,電(diàn)磁流(liú)量計的最(zuì)大測(cè)量誤(wù)差都在+0.3%以内(nèi),重複性誤差(chà)均在(zài)0.1%以内,滿足(zú)0.3級電磁流量計(jì)要求。這(zhè)說明提(tí)出的基(jī)于硬件系統前(qián)饋控制(zhì)的自适應(yīng)極(jí)化噪聲抵(dǐ)消(xiāo)方法(fǎ)能有效(xiào)抵消極化噪聲(shēng),可以将(jiāng)信号(hào)放大較高(gāo)的倍數(shù),從而(ér)有(yǒu)效降低(dī)adc的(de)采樣位數(shù),并減(jiǎn)少成(chéng)本。另(lìng)外，濾(lǜ)除極(jí)化噪聲後,放大(dà)的電(diàn)極輸出(chū)信(xìn)号幅值在(zài)電路(lù)中不會超(chāo)過+5v。這樣就(jiù)可以将電(diàn)路中芯片的供(gòng)電電壓(yā)降至+5v,以(yǐ)減小(xiǎo)電路功耗。
4結論
　　極化噪聲(shēng)幅值遠高于流量(liàng)信(xìn)号(hào)幅值,會(huì)造成電極(jí)輸出(chū)信号信噪比較(jiào)低;同時，極化噪聲的(de)漂移會限(xiàn)制電路的放大倍數,增加了adc采(cǎi)樣位數、電(diàn)路成(chéng)本、功耗等。針對(duì)這些(xiē)問題,通過(guò)對(duì)電極(jí)輸出信(xìn)号采(cǎi)集與(yǔ)頻譜(pǔ)分析,研究了極化噪(zào)聲(shēng)的分布(bù)特性(xìng),發現漂移(yí)的極化(huà)噪聲主(zhǔ)要分布(bù)于(yú)零頻(pín)附近的低(dī)頻區(qū)域,基本(běn)不與信(xìn)号頻(pín)段(duàn)重疊。
　　根(gēn)據極(jí)化(huà)噪聲的(de)分布特性(xìng),提出了一(yī)種(zhǒng)基于前饋控制的(de)自适(shì)應極(jí)化噪聲抵(dǐ)消(xiāo)方(fāng)案,并用硬件系統實現。前(qián)置差分(fèn)放(fàng)大後的電極輸出信(xìn)号經過一(yī)一個八階低通濾波(bō)器,提取(qǔ)出其中(zhōng)的極化(huà)噪聲;然(rán)後以極(jí)化噪聲作爲前饋量,經(jīng)過下級放大器(qì),用差(chà)分(fèn)放(fàng)大後(hòu)的電(diàn)極輸(shū)出信号減(jiǎn)去極化噪(zào)聲,以此(cǐ)實現極(jí)化噪(zào)聲的自适(shì)應抵消。
　　爲驗證該方(fāng)案的實際(jì)效果,設計(jì)了信(xìn)号調理電路2,配合(hé)課題組(zǔ)原有(yǒu)的變送器(qì)及dn40傳(chuán)感器，在容(róng)積法(fǎ)水流量(liàng)标定裝(zhuāng)置上進行了試(shì)驗。信号調(diào)理電(diàn)路濾波試(shì)驗結(jié)果表明,該(gāi)系統(tǒng)能夠有效消除(chú)電極輸出信号(hào)中的(de)極(jí)化噪聲(shēng)。電磁(cí)流量(liàng)計水(shuǐ)流量标(biāo)定試驗(yàn)結果(guǒ)表明,當信(xìn)号調理電路放大340倍(bèi)、adc爲24位時,在(zài)流速爲0.5~5m/s的(de)範圍(wéi)内，流量計的精(jīng)度爲0.3級(jí)。這(zhè)說明采用自适應極(jí)化噪聲(shēng)抵消方(fāng)法的(de)信号調理(lǐ)電路(lù)2能夠(gòu)滿足實際(jì)測量要求，且提高信(xìn)号放大倍(bèi)數(shù)可(kě)以實(shí)現更低流量的(de)測量。降adc位數試(shì)驗結果表明,将(jiāng)信号調理(lǐ)電路(lù)放大倍數提高(gāo)至3500倍(bèi),同時用(yòng)24位adc的高14位來(lái)模拟(nǐ)16位adc,在流速爲0.5~5m/s的(de)範圍内,流(liú)量計(jì)的精(jīng)度可達0.3級(jí)。這說明(míng)基(jī)于前(qián)饋控制的(de)自适應極化噪聲抵(dǐ)消方法可(kě)以将(jiāng)信号放大(dà)較高(gāo)的倍數,從而有效降低adc的(de)采樣(yàng)位數、芯片供電(diàn)電壓，以及(jí)電路成本(běn)和功(gōng)耗。

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