電磁(cí)流量(liàng)計工作(zuò)原(yuán)理 基(jī)于法拉第(dì)電磁感應定律(lǜ),通過(guò)測量導電(diàn)流體在磁(cí)場中(zhōng)的感應電動勢(shì)來推算(suàn)流體流(liú)量。勵磁磁場、感(gǎn)應電(diàn)動勢(shì)采集電極、信(xìn)号運算(suàn)放大電(diàn)路以及(jí)模數(shù)轉換(huàn)器都(dōu)容易受(shòu)到(dào)工作(zuò)現場的電場和磁場輻射耦合(hé),因此(cǐ)電磁耦合(hé)是流量測(cè)量中(zhōng)最主要的幹擾(rǎo)方式; 其次(cì)被測(cè)液(yè)體(tǐ)的電化學(xué)反應(yīng)和泥漿(jiāng)幹(gàn)擾是流量(liàng)測量的另一噪聲來(lái)源。
1. 1 微(wēi)分(fèn)幹擾産生機理(lǐ)及(jí)對策(cè) 電磁流量計(jì)中(zhōng)噪聲的産生機理及對(duì)策
    在現行的(de) 電(diàn)磁流量(liàng)計 設計(jì)中,低頻(pín)矩形波勵磁方式結合(hé)了(le)直流(liú)勵磁和交流勵磁兩者的優點, 成爲主要勵磁(cí)方式之一。在低(dī)頻勵(lì)磁方(fāng)式下(xià), 其幹擾(rǎo)主要表(biǎo)現爲: 由(yóu)勵磁電(diàn)流突(tū)變産生的(de)微分幹(gàn)擾(rǎo)信号(hào)[ 1] 。理想(xiǎng)勵磁(cí)磁場信号(hào)爲低(dī)頻矩(jǔ)形波(bō), 實(shí)際上随(suí)着勵磁電流變(biàn)化 ( di /dt)在(zài)磁場上産(chǎn)生微分幹(gàn)擾信(xìn)号, 随着電流的(de)穩定, 幹擾(rǎo)信号随(suí)之(zhī)消(xiāo)失, 因此(cǐ)同步采樣技術(shù)可以有效抑制(zhì)微分幹擾信号(hào)。實際設計中, 模數轉化器使用(yòng) ad 公司的 24位 sigma delta模數轉化器 ad7714。 ad7714 可(kě)以分(fèn)别采用(yòng)硬(yìng)件和軟件方式進行(háng)采樣開(kāi)始時間(jiān)控制(zhì), 從而實現(xiàn)同步采樣。采用(yòng)軟件方式(shì)時, 當(dāng)控制(zhì)寄(jì)存器中(zhōng)fsync位(wèi)爲邏輯 1時, 模(mó)數轉換器處于(yú)複位狀态(tài); 向該(gāi)位寫邏(luó)輯 0時, 器件開(kāi)始(shǐ)采樣輸入信(xìn)号。在應用(yòng)中,低(dī)頻勵磁信(xìn)号由 m sp430單片機内(nèi)部定(dìng)時器産生(shēng), 同時(shí)産生采樣信(xìn)号。如(rú)圖 1所示(shì), 采樣開始時(shí)間(jiān)滞後勵磁(cí)信号(hào)14 個周(zhōu)期(qī)。
1. 2 工頻串(chuàn)模幹擾産生機(jī)理及對策
    在電(diàn)磁流(liú)量計(jì)的工(gōng)作現場存在大(dà)量工頻信(xìn)号, 疊(dié)加在勵磁(cí)回路(lù)、 電極、 前(qián)端放大(dà)器的工頻幹擾(rǎo)噪聲對流量的(de)準确測量造成(chéng)極大影響。其中(zhōng)輻(fú)射(shè)耦合到勵(lì)磁回路(lù)的工頻輻射磁場(chǎng) (包括(kuò)其諧波(bō) )造(zào)成勵磁磁(cí)場波動,影(yǐng)響流量測量。

    當流體流(liú)速較(jiào)小(xiǎo)時, 工頻幹擾信(xìn)号與有效(xiào)流量(liàng)信号(hào)在同一數(shù)量級, 嚴(yán)重(zhòng)影響(xiǎng)測量(liàng)結果。已(yǐ)知(zhī)工頻(pín)耦合噪聲(shēng)基波頻(pín)率爲 50 hz , 因(yīn)此可以采用模(mó)拟或數字濾波(bō)器使濾波器帶(dài)寬限(xiàn)制(zhì)在(zài) 50 hz以内(nèi)以抑制(zhì)噪聲。在(zài)實際應用中使用 sigma delta模數(shù)轉換器(qì) ad7714内部包(bāo)含的(de)數字濾(lǜ)波模塊, 數(shù)字濾波(bō)器(qì)相對(duì)模拟(nǐ)濾波器除(chú)具(jù)有靈(líng)活(huó)性高(gāo)、參數設置方(fāng)便(biàn)等特(tè)點(diǎn)之(zhī)外,還可以(yǐ)降低 a /d 轉換(huàn)期間引入的噪(zào)聲。ad7714數字(zì)濾波器(qì)爲 ( sinx /x )3低(dī)通(tōng)濾(lǜ)波器(qì), 其在頻域(yù)的傳(chuán)遞函(hán)數爲(wèi):

式中: fs爲采(cǎi)樣頻率; ad7714采(cǎi)樣頻(pín)率(lǜ)爲(wèi) 1912 khz ; n爲濾(lǜ)波采樣(yàng)個數(shù); f 爲數字(zì)濾波(bō)器響應頻(pín)率。通過設(shè)定濾波采(cǎi)樣個數(shù)可以改(gǎi)變數(shù)字濾波(bō)器的(de)截(jié)止頻(pín)率和一次陷波頻率。在本設計(jì)中綜合考(kǎo)慮模數(shù)轉換速(sù)度和去除噪聲(shēng)性能, 設置(zhì) n 值使濾波器截(jié)止頻(pín)率爲 50 hz, 濾波(bō)器頻域響應如(rú)圖 2所(suǒ)示, 濾(lǜ)波器對工(gōng)頻 50 hz及(jí)其偶(ǒu)次諧(xié)波有很(hěn)好(hǎo)的抑制作用。

    除(chú)使用(yòng)數字濾波(bō)器外(wài), 在 a /d輸入端設置 rc模拟低通濾波(bō)器還可以帶來(lái)其他作(zuò)用(yòng)。在實(shí)際測(cè)量觀察到(dào)的流量信号中存在尖脈沖噪(zào)聲, 可能使(shǐ)模數(shù)轉換(huàn)器飽(bǎo)和, 導(dǎo)緻數字濾(lǜ)波器(qì)失效(xiào), 使用模拟濾波器可(kě)以提前剔(tī)除這(zhè)些信(xìn)号。
1. 3 共模幹擾、 串(chuàn)擾産生機(jī)理及(jí)對策
    共模(mó)幹擾(rǎo)的産(chǎn)生主要是(shì)由于電磁(cí)屏蔽(bì)缺陷(xiàn)、接地不良(liáng)、雜散電(diàn)容等引(yǐn)起返回電流(liú)不平衡。共模(mó)幹擾(rǎo)可能導(dǎo)緻電路(lù)某些(xiē)參考電位(wèi)變化, 是造成電(diàn)磁流量計零點(diǎn)漂移(yí)的原因之一; 同時共模信号産(chǎn)生很高的(de)輻射(shè)電場(chǎng)使電(diàn)路的電磁兼容(róng)性惡(è)化。串(chuàn)擾是由于(yú)印(yìn)刷電路(lù)闆設計電磁兼(jiān)容(róng)性考慮不足(zú)造成(chéng)信号(hào)質量(liàng)下降, 特(tè)别是高(gāo)速走線(xiàn)和模拟(nǐ)電路(lù)易(yì)受到影(yǐng)響。對(duì)由共(gòng)模幹(gàn)擾信号(hào)導(dǎo)緻(zhì)的(de)參考(kǎo)電位變化(huà), 應用中流量電(diàn)壓采用(yòng)差(chà)分形式, 通(tōng)過雙絞線(xiàn)送入放大(dà)器(qì), 前端放大器選用(yòng)高共模(mó)抑制比(bǐ)、 低漂移、 高輸入(rù)阻抗的運放, 可(kě)以有效抑制共(gòng)模幹擾(rǎo)。
    此(cǐ)外, 電磁流量計電路(lù)闆設計符合電磁兼容(róng)性要求(qiú)降低串擾(rǎo)對信(xìn)号的影響(xiǎng): 使用(yòng)滿足(zú)功能要求的速(sù)率盡可能(néng)低(dī)的邏(luó)輯(jí)器件(jiàn)。選用(yòng)在(zài)邏輯狀(zhuàng)态變換過程中輸入電(diàn)流消耗(hào)更小的元(yuán)件。盡(jìn)可(kě)能選(xuǎn)擇表面(miàn)封裝的元器件(jiàn)。合理(lǐ)安排元件(jiàn)布局, 模拟與數(shù)字部(bù)分隔離,防(fáng)止數字信(xìn)号影(yǐng)響模(mó)拟信号。适(shì)當配置去耦電容, 選(xuǎn)擇合适的(de)電容(róng)容(róng)量, 去耦(ǒu)電容盡量(liàng)靠近(jìn)元器件。對于敏感信号回(huí)路, 如(rú)時鍾信号、模拟(nǐ)輸入(rù)信号(hào)嚴格控制回路(lù)面積(jī)。鋪設地平面提(tí)供低阻抗(kàng)信号(hào)回路(lù), 加強屏蔽(bì)效果。
1. 4 其他(tā)幹擾對策(cè)
    電(diàn)化學極(jí)化電動勢(shì)幹擾是被測液體中(zhōng)電解質(zhì)在感應(yīng)電場(chǎng)作用下在(zài)電極表面極化(huà)産生(shēng)的, 是電(diàn)磁流量(liàng)計(jì)零(líng)點漂(piāo)移的主(zhǔ)要原因(yīn)之一。采用交流(liú)勵(lì)磁方式可以(yǐ)有效地減(jiǎn)小極化電動勢, 此外在應(yīng)用中(zhōng)微處(chù)理器運(yùn)算時将(jiāng)兩次流量電壓(yā)采樣值相減(jiǎn), 這樣不但可以減小極化電(diàn)動勢(shì), 而且(qiě)可以(yǐ)補償由(yóu)共模幹擾帶(dài)來的(de)零點漂移。
    泥漿(jiāng)幹擾(rǎo)是在(zài)測量泥(ní)漿(jiāng)、纖維(wéi)漿等固液兩相(xiàng)特性(xìng)液體時, 固(gù)體顆粒(lì)或(huò)者(zhě)氣(qì)泡與電極(jí)發生摩擦, 在(zài)電極表(biǎo)面的電化(huà)學電(diàn)動勢突然變化(huà), 電磁流量計傳(chuán)感器(qì) 輸出(chū)信号(hào)輸出尖峰(fēng)脈沖(chòng)狀幹(gàn)擾。在低頻(pín)勵(lì)磁情況下, 泥(ní)漿幹(gàn)擾産生的(de)尖脈沖(chòng)數量級(jí)大, 極(jí)大(dà)地影響(xiǎng)流量的準(zhǔn)确測(cè)量,在實際設計(jì)中,采用多種(zhǒng)信(xìn)号處(chù)理混合方(fāng)式抑制噪聲,信(xìn)号處理原理如(rú)圖 3所示(shì)。

    流量計(jì) 正常(cháng)運行(háng)時,尖(jiān)峰脈(mò)沖(chòng)噪聲出(chū)現的(de)概率小,被(bèi)測液體流(liú)速不(bú)會在短時間内(nèi)變化,基于(yú)以上特性,對流(liú)量信(xìn)号進行限(xiàn)幅濾(lǜ)波處(chù)理(lǐ): 當(dāng)前輸(shū)入信号相對上周期輸(shū)入信号(hào)超出噪聲容限範圍, 該(gāi)信号被(bèi)認爲是噪(zào)聲信号,不(bú)再進(jìn)一步(bù)計算(suàn)。滑(huá)動(dòng)平均濾波是處理流(liú)量信号經常采用的信号處理(lǐ)辦法,可以有效(xiào)降低(dī)采(cǎi)樣誤差(chà); 滑動(dòng)平均(jun1)濾波(bō)函數的脈沖響應時間是受滑(huá)動窗口數控制(zhì)的, 如(rú)果能動(dòng)态調整窗口數目(mù),那麽響(xiǎng)應速度(dù)就會(huì)大大提高(gāo);在應用中使用(yòng)改進的(de)滑(huá)動(dòng)平(píng)均濾波函(hán)數,通(tōng)過響(xiǎng)應時間控(kòng)制器控制滑動(dòng)窗(chuāng)口數,當響應(yīng)時間超過設定值時(shí),将窗口數(shù)設置(zhì)爲(wèi)1,使(shǐ)輸出信号迅(xùn)速變化(huà),獲得較好的動(dòng)态性(xìng)能。

本文素材來源于(yú)網絡(luò),如有(yǒu)侵權請聯系删除！