摘　要(yao)：采用帶阻濾波的(de)信号處理方法，處(chù)理低頻矩形波勵(lì)磁下由傳感器輸(shū)出的信号，有效抑(yi)制工頻幹擾。結果(guǒ)表明🏃‍♀️，系統測量精(jīng)度優于0.4％，達到了工(gōng)業測量标準。
0　引言(yán)
　　電磁流量計 原理(lǐ)爲法拉第電磁感(gǎn)應定律，主要由流(liú)量常感器和變送(song)器🌐組成。電磁流量(liang)計有許多良好性(xing)能，如結構簡單、較(jiao)強的耐腐蝕性、較(jiào)高的穩定性、較高(gao)的精度等，在給供(gong)水、鋼鐵、石油、煤炭(tan)、化工、醫💯療、航海、農(nóng)業灌溉等領域有(yǒu)着廣泛應用［1］。流量(liàng)傳感器的主要作(zuò)用是當流經導管(guan)内的導🆚電液體做(zuò)切割磁感線運🤩動(dong)時，會産生電👉動勢(shì)，将導電液💃🏻體的體(tǐ)積流量轉換成需(xū)要的電信号，再傳(chuán)送給變送器作進(jin)一步處理。變送器(qi)主要由勵磁電路(lu)、濾波電路、前置放(fàng)大調整電路、采樣(yang)電路、電流信🙇🏻号輸(shū)出🔞電路及脈沖信(xin)号輸☀️出電路組成(chéng)。
　　電磁流量技術的(de)發展主要體現在(zai)勵磁方案改進和(hé)信号處理算法優(yōu)化方面。電磁流量(liang)計的勵磁方案直(zhi)接決定了🍓其抗幹(gan)擾性能和零點的(de)穩定性。信号處理(lǐ)的重點是幹擾噪(zào)聲去☀️除，其中主要(yào)的幹擾是工頻幹(gan)擾、同相幹擾、正交(jiāo)幹擾、極化現象、白(bái)噪聲幹擾和零點(dian)✂️偏移。采用直流勵(lì)磁方案，将不會産(chǎn)生🔞渦流效應，并㊙️且(qie)有着較小的正交(jiao)幹擾和同相幹擾(rǎo)；采用正弦✂️波勵磁(ci)方案，可🌐以很好地(dì)🌈控制極化現象㊙️産(chǎn)生，并有着良好的(de)✌️抗噪能力；采用低(di)頻矩形波勵磁方(fāng)案，兼顧直流勵磁(cí)和正弦波勵磁的(de)優點，因此💔應用廣(guang)泛。
　　本文采取低頻(pín)矩形波勵磁方案(an)。可導電的流體切(qiē)割磁感線，從而在(zai)電極上會有電動(dong)勢産生，但是電壓(yā)十分弱，流量傳感(gan)❄️器的輸出信号會(hui)受工頻幹擾，帶來(lái)較低的信噪比，特(te)别是在導電液體(tǐ)流速較低的情形(xing)下👌，有效的流量信(xìn)号可能完全被噪(zào)聲信号✂️覆蓋。本文(wén)在采取低頻矩形(xing)波勵磁條件下，在(zài)現有🈲信号處理方(fāng)法的基礎上，采取(qǔ)巴特沃斯帶阻濾(lǜ)波信号處理方法(fǎ)，可⛷️以有效消除50HZ的(de)工🛀🏻頻幹擾［2］，以此來(lái)提高流量傳感器(qì)輸出信号的信噪(zao)比，并在MSP430上實現，可(ke)有效處💋理水流量(liang)信号。通過标準表(biao)标定實驗，擁有較(jiào)爲理想的測量精(jing)度和重複性。
1　帶阻(zǔ)濾波方法
1.1　算法原(yuan)理及推導
　　流量傳(chuán)感器的輸出信号(hào)和被測導電液體(tǐ)的流速🔆之間存在(zai)一定的線性關系(xi)。在理想條件下，采(cai)用低頻矩形波勵(li)磁方式時，從流量(liang)傳感器輸出信号(hao)，頻率和勵磁電流(liú)相同，并且輸出信(xin)号的🌐幅值和導電(diàn)液體的流速之間(jiān)成比例關系。但是(shì)，實際中，流量傳感(gǎn)器的輸出信号會(huì)受到多種噪聲的(de)幹擾，經常會摻雜(zá)着如微分幹擾、串(chuan)共模幹擾、同相幹(gan)擾等幹擾，使流量(liàng)信❤️号和噪聲不能(neng)📐很好分離，可用方(fang)程（1）表示［3］：

　　式中，BDV是模(mo)拟流量信号。通過(guò)對流量傳感器輸(shu)出信号進行分析(xī)，可以發現輸出信(xin)号有着較寬的頻(pin)率範圍，所以采用(yong)常規的低通濾波(bō)很難将噪聲去除(chu)。針對流🐕量傳感器(qi)輸出信号的🏃‍♀️特點(diǎn)，利用現有的模拟(nǐ)濾波器⭐設計公式(shì)，實現巴特💞沃斯帶(dai)阻濾波器的設計(jì)，其系統傳遞函數(shu)可以表示爲：

　　因此(ci)，設計巴特沃斯帶(dai)阻濾波器的實質(zhì)就是要明确帶寬(kuān)，并确定階數N，在MATLAB中(zhōng)完成濾波器的設(shè)計，并找♻️出系數B、a，使(shi)⛱️其滿足預設的技(ji)術要求。
1.2　濾波器實(shi)現
　　電磁流量計的(de)頻率輸出範圍由(yóu)實際應用場景決(jué)定，本文🚶‍♀️假設其範(fan)圍0～100HZ。依據奈奎斯特(te)抽樣定理，爲了無(wú)失真地恢複出采(cai)樣信号，取樣頻率(lǜ)爲采樣頻率的2倍(bei)，即200HZ。爲了去除50HZ工頻(pin)✨幹擾，選❤️取49HZ的下限(xian)截止頻率；選取51HZ的(de)上限截止頻率；折(shé)疊頻率爲采樣頻(pin)率的1/2，取♌Ｍ＝100；對通帶頻(pin)率🌂作歸一化處理(li)，取Ｗｐ

　　衰減取值3dB，即ｐ＝3；阻(zǔ)帶頻率取值20dB，即s=20；确(què)定階數N和截止頻(pin)✂️率WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最後确定巴特(te)沃斯帶阻濾波器(qi)，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過MATLAB，設計出巴特(tè)沃斯帶阻濾波器(qi)［6］，再繪制巴特沃斯(sī)帶阻濾波器的幅(fu)頻響應曲🐅線和相(xiàng)頻響應曲線，如圖(tu)1所示：

2　MATLAB仿真
　　爲了驗(yàn)證信号處理算法(fa)的可行性，需在MATLAB中(zhōng)模拟工業現場下(xia)的🍉傳感器輸出信(xìn)号。因爲從流量傳(chuan)感器獲取的電壓(yā)信号十分弱，尤其(qí)在導電液體流速(su)較小的情形下，有(you)用信号可能會淹(yān)沒在各種噪聲中(zhōng)🔴。所以在MAT-LAB仿真時，要(yao)參🏃🏻考實際環境下(xià)輸出信号，模拟📧的(de)傳感器輸出信号(hào)，要摻雜着工頻幹(gàn)擾、同相幹擾、白噪(zao)聲等幹擾。在導電(dian)液體的流速小于(yu)1ｍ/ｓ情形下，流量傳感(gǎn)器能獲取到的電(diàn)壓小于10ｍV。本文采用(yong)取低頻矩形波勵(lì)磁的勵磁方案，選(xuan)取50HZ工頻的💔1/8作勵磁(ci)頻率，即6.25HZ。因此，本文(wén)模拟輸出信号：

　　式(shi)（3）中，等号右邊的各(ge)項依次表示所需(xū)的流量信号、工頻(pín)幹🚶擾、零漂、白噪聲(sheng)。産生的信号如圖(tú)2所示。
通過MATLAB，對模拟(ni)的傳感器輸出信(xin)号進行巴特沃斯(sī)帶阻㊙️濾波，從圖3中(zhong)可以看出噪聲在(zai)一定程度上被消(xiao)🔞除，具🔞體哪種噪聲(sheng)被去除，可以通過(guo)對信号作傅裏葉(yè)變換，得到相應的(de)頻譜。使用巴特沃(wo)😄斯帶阻濾波器濾(lü)波前後的對比結(jie)果如圖3所示。


　　分别對上一步濾(lü)波前後的信号進(jìn)行ＦＦＴ變換，得到頻譜(pǔ)圖，這一步是通過(guò)MATLAB實現的，濾波前後(hòu)的頻譜對比🐉如圖(tu)4所示👌。
　　通過MATLAB，對信号(hào)處理算法進行仿(páng)真，分别對濾波前(qián)後✉️的🏃🏻‍♂️波形👨‍❤️‍👨圖、頻譜(pu)圖進行對比，發現(xian)此濾波方法可以(yi)有效💔濾除50HZ工頻幹(gan)擾，驗證了所設計(ji)的濾波方法的可(ke)行性。
3　基于MSP430的算法(fǎ)實現
3.1　系統硬件介(jie)紹
　　基于ＴＩ公司的MSP430芯(xīn)片，研制了電磁流(liu)量計的變送器，此(cǐ)芯片💋是💯16位🥵超低功(gōng)耗混合型微處理(li)器［７］，并且具有豐富(fù)的外設，方便系統(tǒng)功能💔擴展。硬件原(yuán)理如圖5所示🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，由前(qián)置放大調理電路(lu)、勵磁電路、電流信(xin)号輸出電🍉路、脈沖(chong)信号輸出電路、LCD顯(xian)示、鍵盤、RS232模塊、開關(guān)電源構🔅成。前置放(fàng)大💋調理電路主要(yao)完成對電極信号(hao)的放🐅大、V/F轉換等功(gong)能，電流輸出模塊(kuai)實現4～20ｍA電流輸出，脈(mò)沖輸出模塊實現(xian)脈沖量的輸出，LCD和(he)按鍵用于配置和(he)顯示流量相關參(can)數，RS232用于通訊，開關(guān)電源🤞用于給系😘統(tong)提供直流電壓。


3.2　系統軟件(jian)設計
　　本系統軟件(jian)設計模塊化的，都(dou)是由主監控程序(xu)調🧑🏽‍🤝‍🧑🏻用分配。軟件♈部(bù)分主要包括：初始(shǐ)化模塊、通信模塊(kuai)、Watchdog模塊、信号處理模(mo)塊、驅動模塊等。總(zong)體框架如圖6所示(shì)。

　　通過MSP430控制(zhi)驅動模塊産生勵(li)磁電流，以此激勵(lì)流量傳感器💰的🈲勵(li)磁線圈，從而将導(dǎo)電液體的流量信(xin)号轉換爲微❗弱的(de)電動勢，再對其進(jin)行放大調理、整流(liú)濾波和偏置調整(zhěng)，最後送到AD652進行V/F采(cǎi)樣［8］。在本文設計的(de)電磁流量計中，采(cai)用帶阻濾波的方(fang)法對信号進行實(shí)時處理，得到流量(liàng)信号的幅值，再😄結(jié)合儀表的相應參(can)數，将幅值轉換成(chéng)需要的流量信号(hào)，再通過Modbus将流量信(xìn)🏃‍♀️息傳送至上位💘機(jī)。
3.3　實驗結果
　　通過水(shui)流量标定實驗驗(yan)證帶阻濾波算法(fǎ)的可行性。标定方(fang)法💜有标準表标定(dìng)法和稱重标定法(fa)，采取标準表标定(dìng)法🔱，将被測表的測(cè)量結果和标準表(biao)的測量結果進行(háng)比較。結🚶合相關的(de)參數，計算出系統(tong)的測量精度和重(zhong)複性，實驗結果如(ru)表1所示。

　　從上述實(shi)驗結果可知，在頻(pín)率是6.25HZ的矩形波勵(li)磁下，在流量範🐅圍(wéi)❓是20～200ｍ3/ｈ的條件下，得到(dao)電磁流量計的測(cè)量精度高于0.4％，達到(dào)了工業測量要求(qiú)。
4　結語
　　本文主要針(zhēn)對電磁流量計的(de)50HZ工頻幹擾，提出采(cǎi)用巴特☔沃斯帶阻(zu)濾波的信号處理(li)方法。爲了驗證濾(lǜ)波算法的可行性(xìng)，并測試電磁流量(liàng)計的測量精度，采(cai)用标準表标定法(fǎ)進行了水流量标(biao)定。

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