摘(zhai)要:電磁(cí)流量計(jì) 是一種(zhong)應用廣(guang)泛的測(ce)量導電(diàn)液體體(tǐ)積流量(liàng)的儀表(biao)。測量時(shí),金屬電(diàn)極與電(dian)解質會(hui)發生電(diàn)化學反(fǎn)應,産生(sheng)極化噪(zào)聲🐉。極化(huà)噪聲🏃🏻‍♂️幅(fu)值遠高(gāo)于流量(liàng)信号幅(fú)🌈值,使電(dian)極輸出(chū)信号信(xìn)噪比較(jiao)低;極化(hua)噪聲存(cún)在漂移(yí)的現象(xiàng),會影響(xiǎng)電磁流(liú)量計變(bian)送器的(de)信号調(diào)理工作(zuò),限制電(diàn)路的放(fang)大倍數(shù),增加ADC采(cǎi)樣㊙️位數(shù)電路成(cheng)本、功耗(hào)等。對此(ci),提出了(le)一種基(ji)于前饋(kuì)控制的(de)自适應(yīng)極化噪(zao)聲抵消(xiao)方案，設(she)計了相(xiang)應的信(xin)号調理(lǐ)電路,通(tong)過硬件(jiàn)電路實(shi)時提取(qǔ)和抵消(xiāo)極化噪(zao)聲極大(dà)👅地提高(gao)了電極(jí)輸出信(xìn)号信噪(zao)🈲比。通過(guo)試驗,驗(yàn)證了該(gai)方案不(bú)但能有(you)效濾除(chu)極化噪(zao)聲,而且(qiě)🧡能提高(gāo)信⛹🏻‍♀️号調(diào)理電路(lu)的放大(da)倍數、減(jian)少ADC的采(cai)樣位數(shu)減少電(diàn)路的成(cheng)本和功(gong)耗。
0引言(yan)
　　電磁流(liú)量計是(shì)一種根(gēn)據法拉(lā)第電磁(ci)感應定(dìng)律測量(liang)💋導電液(yè)體體積(jī)流量的(de)儀表,廣(guǎng)泛應用(yong)于石油(you)、化工、冶(yě)金、造紙(zhi)等行業(ye)。信号測(cè)量時,傳(chuan)感器電(dian)極拾取(qǔ)流量信(xin)号和噪(zào)聲信号(hào)❗。流量信(xin)号幅值(zhí)一.般爲(wèi)幾十🆚到(dào)數百微(wei)💃伏。而噪(zao)聲信号(hào)中的極(ji)化噪聲(shēng)存在漂(piāo)移的現(xian)象,幅值(zhi)一般在(zài)幾毫伏(fú)到數百(bǎi)毫伏區(qu)間變化(huà)🚩,也有可(kě)能達到(dao)數伏"。兩(liǎng)者幅值(zhi)的巨大(dà)差異以(yǐ)及極化(hua)噪聲無(wú)法通過(guo)良好的(de)接地或(huò)者改變(bian)勵磁的(de)方式消(xiao)除,極大(dà)地影響(xiǎng)了信噪(zao)比。
　　爲了(le)提高電(diàn)磁流量(liàng)計傳感(gan)器輸出(chū)信号的(de)信噪比(bǐ)💃🏻，目前，國(guó)内👈外🌂主(zhǔ)要有四(si)種解決(jué)方案。
①極(jí)化噪聲(shēng)補償的(de)方案。根(gen)據極化(huà)噪聲緩(huǎn)慢變化(hua)的特點(diǎn),采用不(bu)勵磁時(shí)段極化(hua)噪聲來(lai)補償勵(lì)磁時段(duàn)🤞的極化(huà)噪聲。但(dàn)是,由于(yu)極♍化噪(zao)聲的不(bu)規律性(xing),會導緻(zhi)電磁流(liu)量計的(de)零點較(jiào)差。
②低通(tong)濾波反(fan)饋的方(fang)案[2]。根據(jù)極化噪(zao)聲所處(chù)的頻帶(dai)🧡略低于(yu)☔流量信(xin)号的特(tè)點,采用(yong)一階低(dī)通濾波(bō)器提取(qu)極化噪(zào)聲,并進(jìn)行反饋(kuì)補償。但(dàn)是,低通(tōng)濾波器(qì)的過渡(dù)帶很寬(kuān),會使流(liú)量信号(hao)出現畸(jī)變的現(xian)象。因此(cǐ)，該方案(an)被用在(zai)瞬态勵(li)磁中,尚(shàng)未應用(yong)于商用(yòng)儀表。
③采(cai)用精度(du)高的模(mo)數轉換(huan)器(analogtodigitalconverter,ADC)的方(fāng)案。利用(yong)32位精度(dù)高的模(mó)數轉換(huàn)器直接(jie)采集信(xin)号,然後(hou)通過數(shù)字信号(hao)處理方(fāng)法提取(qǔ)出流量(liàng)信号。但(dan)該方案(an)增加了(le)程序的(de)複雜性(xing)。同時,精(jing)度高的(de)模數轉(zhuǎn)換器的(de)分辨率(lǜ)與🛀采樣(yàng)率成反(fǎn)比。因此(cǐ)，.爲了保(bao)證較高(gāo)的分👌辨(biàn)率,隻能(neng)使用很(hen)低的勵(lì)磁頻率(lǜ)。
④阈值控(kòng)制的偏(pian)置調節(jie)方法”。當(dang)信号超(chao)過設定(dìng)的阈值(zhí)時,數🌈字(zi)信号處(chù)理器(digitalsignalprocessor,DSP)控(kong)制數模(mó)轉換器(qì)(digitaltoanalogconverter,DAC)模塊輸(shū)出🈚偏置(zhì)調節電(diàn)壓,将傳(chuán)👌感器輸(shū)出信号(hao)調整到(dao)0附近。但(dàn)這種調(diào)節方法(fǎ)會使流(liu)量信号(hao)産生一(yī)個跳變(bian)，對後續(xu)的梳狀(zhuang)帶通濾(lǜ)波造成(chéng)影響,導(dao)緻輸出(chū)信号出(chū)現間斷(duan)性錯誤(wù)。
　　爲此,極(ji)化噪聲(shēng)産生的(de)具體原(yuán)因及分(fen)布特性(xing),提出前(qián)饋控㊙️制(zhi)的自适(shì)應極化(hua)噪聲抵(di)消方案(àn)。基于該(gai)方案，電(diàn)磁流量(liang)計變送(sòng)器中的(de)信号調(diao)理電路(lu);并用調(diào)理電路(lù)替換課(kè)題組研(yan)制的電(diàn)♉磁流量(liang)計變送(song)器中的(de)調理電(dian)🔴路,形成(chéng)一套完(wan)整的電(dian)磁流量(liang)計變送(song)器🌍,進行(hang)驗證試(shi)驗。
1噪聲(shēng)分析
　　極(ji)化噪聲(shēng)主要源(yuan)于電極(jí)與電解(jie)質的電(diàn)化學反(fan)應。金屬(shǔ)🔞電極帶(dài)電的正(zheng)離子逐(zhú)漸溶解(jiě)于所測(cè)量的電(diàn)💜解質流(liu)體,自身(shēn)帶負電(diàn)荷,緻使(shǐ)電解質(zhi)流體中(zhong)的正負(fù)電荷中(zhōng)心發生(sheng)相對位(wèi)移,形成(cheng)複雜的(de)電解雙(shuang)層結構(gòu)。雙電層(céng)之間産(chan)生-一個(gè)電場,從(cóng)而在電(diàn)解質流(liu)體和電(diàn)極之間(jian)形成電(diàn)位差。這(zhè)個電位(wèi)差就是(shì)極化電(diàn)勢。若兩(liang)電極結(jié)構完全(quán)相同,則(zé)極化電(diàn)勢會相(xiàng)互抵消(xiao)。但由于(yú)兩電極(ji)表面的(de)結構差(cha)異,極化(hua)電勢會(huì)由🔞共模(mo)電壓轉(zhuan)爲差☁️模(mó)電壓,并(bing)耦合在(zài)🈲信号.上(shàng)。該極化(hua)電勢被(bèi)認爲是(shi)直流🌍分(fèn)量[1,460而且(qiě),電極表(biao)面上的(de)灰塵或(huo)放電離(li)子等沉(chén)積物會(hui)随着時(shí)間的💚推(tuī)移緩慢(man)累積。當(dāng)有流🔞動(dong)的電解(jie)質流體(tǐ)出現或(huò)電解質(zhi)流體流(liú)速發生(shēng)變化時(shi),這些累(lei)積的👣沉(chén)積物會(huì)被慢慢(màn)撕開。在(zài)這一♻️-過(guo)程中,極(jí)化電勢(shì)大小🆚會(hui)發生随(sui)機變化(hua),形成漂(piao)移的極(ji)化電壓(yā)”。極化電(dian)壓的大(dà)小在一(yi)定⛱️程度(dù)上取決(jué)于電極(jí)的制作(zuò)材料和(he)所測量(liang)的電解(jiě)質流體(ti)的性質(zhì)💛;同時,也(ye)受溫度(du)的影響(xiǎng)。
　　爲了研(yán)究極化(hua)噪聲的(de)特性,研(yán)制了對(dui)電極輸(shu)出信号(hao)進行放(fang)大和高(gao)頻濾波(bō)的信号(hao)調理電(dian)路1。配合(he)原有的(de)變送器(qì),針對口(kǒu)徑爲40mm的(de)電磁流(liu)量傳感(gan)器,采集(ji)濾除高(gāo)頻且放(fàng)大的電(diàn)極輸出(chu)信号,并(bìng)⚽進行頻(pin)譜分析(xī)。其中,勵(li)磁頻率(lü)爲12.5Hz,水流(liú)量爲👈20m'/h,采(cǎi)樣頻率(lü)爲1500Hz,采樣(yang)時間爲(wei)200s。信号調(diao)理電路(lù)1輸出🈲信(xìn)号及頻(pín)譜如圖(tú)1所示。

　　觀(guān)察信号(hao)調理電(diàn)路的輸(shū)出信号(hào)可以發(fa)現:電極(jí)輸🚶‍♀️出信(xìn)号經過(guo)信号調(diào)理電路(lu)放大後(hou)存在嚴(yán)重的漂(piāo)移現象(xiàng),信号累(lèi)⛷️積的漂(piāo)移量達(da)到了1.2V,遠(yuan)大于70mV左(zuo)右的流(liu)量信号(hao)(流速爲(wei)1m/s信号幅(fú)值約爲(wèi)100μV,流量爲(wei)20m/h時流速(sù)爲4.44m/s,信号(hao)幅值約(yuē)爲444μV,放大(da)170倍後約(yue)爲75.5mV;70mV爲觀(guan)測結果(guo))。而該結(jie)☔果僅僅(jin)是将電(dian)極輸出(chū)信号放(fàng)大了170倍(bèi)。當放大(da)倍數更(geng)大時,如(rú)果🔱任由(yóu)電極輸(shū)出信🌍号(hào)發生漂(piao)移,那麽(me)放大器(qì)輸出信(xìn)号很可(kě)能達到(dao)飽和,ADC的(de)供電電(diàn)壓會達(da)到5V,導緻(zhì)ADC無法正(zheng)常工🚩作(zuò)。
　　爲了觀(guān)察流量(liàng)信号與(yǔ)極化噪(zào)聲的頻(pin)段分布(bù),将290000點信(xìn)号去均(jun1)🛀🏻值後,從(cong)4096點開始(shǐ)，等距取(qu)60段,每段(duan)4096點,分别(bié)作4096點的(de)快速傅(fù)裏葉變(bian)換(fastFouriertransform,FFT),并求(qiu)出其平(ping)均幅值(zhi)譜,如圖(tú)1(b)所示。由(you)圖1(b)可以(yi)看出:極(jí)化噪聲(shēng)以直流(liú)噪聲爲(wei)主,主要(yao)分布于(yu)零頻附(fù)近的低(di)頻區域(yù),幾乎不(bú)與流量(liàng)信号頻(pin)段重疊(dié)。當勵磁(ci)頻率✔️爲(wèi)2.5~5Hz'[8]，可以用(yong)一個過(guo)渡帶特(tè)☁️性較陡(dǒu)的高🙇‍♀️階(jiē)低通濾(lǜ)波器來(lái)提取極(jí)化噪聲(sheng)。
2極化噪(zao)聲抵消(xiao)方案
2.1抵(di)消原理(lǐ)
　　根據極(jí)化噪聲(sheng)的特性(xìng),同時考(kao)慮到硬(ying)件系統(tong)處理噪(zào)聲更具(ju)實時性(xìng)與可靠(kao)性,提出(chu)一種基(jī)于前饋(kui)控制的(de)自适應(yīng)極化噪(zào)聲抵消(xiāo)方案,并(bìng)用硬件(jian)實現。噪(zào)聲抵消(xiāo)方法原(yuán)理如圖(tu)🔴2所示。


　　最(zuì)後,在軟(ruǎn)件中通(tong)過梳狀(zhuang)帶通濾(lǜ)波和幅(fú)值解調(diao)等信号(hào)處理方(fāng)法,濾除(chu)工頻幹(gàn)擾和微(wei)分幹擾(rao)，就可以(yi)得到♊流(liú)速值。
2.2.硬(yìng)件電路(lù)研制
　　根(gen)據前饋(kuì)控制的(de)自适應(ying)極化噪(zao)聲抵消(xiāo)原理,設(shè)計⭐了🎯信(xin)号㊙️調理(lǐ)💔電路2,以(yǐ)實現極(ji)化噪聲(shēng)的濾除(chu)。信号調(diào)理電路(lù)2主要包(bao)括前置(zhì)差分放(fàng)大電路(lu)、極化噪(zao)聲提取(qǔ)與抵🐆消(xiāo)電路、低(dī)通濾波(bō)放大㊙️電(dian)路三部(bù)分。調理(lǐ)電🌏路如(ru)圖3所示(shì)。

①前置差(chà)分放大(dà)電路。
　　前(qián)置差分(fen)放大電(diàn)路主要(yào)實現信(xìn)号的放(fang)大和共(gong)模噪聲(sheng)的抑制(zhi)⚽。電路采(cai)用具有(you)高共模(mo)抑制比(bi)、高增益(yì)精度、低(dī)失調漂(piao)移、低增(zeng)益漂移(yi)的精密(mi)儀用放(fàng)大器。前(qián)置差分(fen)放大電(diàn)路如圖(tú)4所示。.


　　前(qian)置差分(fèn)放大電(diàn)路設計(ji)時要考(kǎo)慮後級(ji)電路電(dian)壓✊匹配(pei)的✏️問題(ti)。下級電(dian)路芯片(pian)供電電(diàn)壓爲+5V,而(er)前置差(chà)分放大(dà)電路輸(shū)出信号(hào)存在負(fù)電壓。因(yin)此,需要(yào)加入直(zhi)流基準(zhun)。電極輸(shū)出信号(hào)中流量(liàng)信号及(jí)其他噪(zào)聲幅值(zhi)遠小☁️于(yú)極化噪(zao)聲幅值(zhi)。由于檢(jiǎn)測到的(de)電極輸(shu)❤️出信号(hào)中極🌐化(huà)噪聲幅(fú)值💞最大(dà)爲+200mV，電路(lu)放大4.1倍(bei),那麽放(fàng)大器輸(shū)出的🔞極(ji)化噪聲(sheng)幅值♍最(zuì)大也隻(zhī)有+820mV。而電(dian)路直接(jiē)加入了(le)2.5V的參考(kǎo)電壓，足(zu)以将前(qián)置差分(fèn)放大電(diàn)路輸出(chu)信号由(you)雙極性(xing)轉爲單(dan)極性。
②極(ji)化噪聲(sheng)提取與(yǔ)抵消電(dian)路。
　　極化(huà)噪聲提(tí)取與抵(dǐ)消電路(lù)是爲了(le)實現極(jí)化噪聲(shēng)的提取(qu)、抵消和(he)流量信(xìn)号的放(fàng)大。電路(lù)分爲極(jí)化噪🚶‍♀️聲(shēng)提取電(dian)路和噪(zào)聲抵消(xiāo)與放大(dà)電路,分(fèn)别由八(bā)階巴特(te)沃斯低(dī)通濾波(bo)器和精(jīng)密儀用(yòng)放大器(qì)構成。
　　極(ji)化噪聲(shēng)提取電(dian)路通過(guo)八階巴(ba)特沃斯(si)低通濾(lǜ)波器來(lai)提取㊙️極(jí)化噪聲(sheng)。此低通(tōng)濾波器(qì)過渡帶(dai)非常窄(zhǎi),其截止(zhi)頻❓率f。的(de)大小可(ke)以通過(guo)外接電(diàn)容在1Hz~2kHz之(zhi)間調節(jiē)。當fiw=2f。時,信(xìn)号增益(yi)爲-48dB,輸出(chu)信号🏃🏻衰(shuai)減爲原(yuan)信号的(de)1/251。當fw=3f時,信(xìn)号增益(yì)爲-76dB,輸出(chū)✍️信号衰(shuāi)減‼️爲原(yuan)信号的(de)1/6310。如設置(zhì)f。=1Hz,那麽輸(shu)出信号(hào)中完整(zheng)保留1Hz及(ji)以下頻(pín)段的信(xin)号,1~3Hz内的(de)信号出(chu)現不同(tóng)程度衰(shuai)減,3Hz及以(yi)上信号(hao)被完💔全(quan)衰減。由(yóu)此就✍️可(ke)以通過(guo)該八階(jiē)低頻濾(lǜ)波器濾(lǜ)除勵磁(ci)頻率12.5Hz(6.25Hz.3.125Hz)及(jí)以上頻(pin)段的信(xin)号,精确(que)提取出(chu)極化噪(zao)聲。
　　噪聲(sheng)抵消與(yǔ)放大電(diàn)路中,采(cǎi)用前置(zhì)差分放(fàng)大後的(de)電極輸(shū)出信号(hao)減去低(di)通濾波(bo)器提取(qǔ)的極化(huà)噪聲,以(yǐ)實🏃現極(ji)化噪聲(sheng)的自适(shì)應抵消(xiao)。此時,經(jīng)過噪聲(sheng)抵消後(hou)的信号(hao)中隻含(han)有🌏流量(liang)信号和(he)高頻噪(zao)聲,而且(qiě)高頻噪(zao)聲🌈幅值(zhí)小于流(liú)量信号(hao)幅值,因(yin)此💃🏻可以(yi)通過放(fàng)大器實(shí)現信号(hao)的更高(gao)倍數放(fàng)大。以口(kou)徑爲40mm的(de)電磁流(liu)量傳感(gan)器爲例(li):當流速(sù)爲5m/s時,檢(jian)測到流(liú)量信号(hào)峰峰值(zhí)爲1mV;以10m/s爲(wei)流🥵速上(shàng)限，則流(liu)量信号(hào)峰峰值(zhi)最大爲(wei)2mV。由于ADC采(cai)用5V供電(diàn),考慮到(dào)芯片性(xing)能等因(yin)素,不可(ke)能将流(liu)量信㊙️号(hào)完全放(fàng)大到芯(xin)片供電(dian)電壓範(fàn)圍。對此(ci)👣,将信号(hao)最大放(fàng)大到+4V,那(nà)麽信号(hào)調理電(diàn)路最大(da)放大倍(bei)數可達(dá)4000倍。扣除(chú)前置放(fàng)大㊙️4.1倍,那(nà)麽後兩(liang)級電路(lu)最☎️大可(ke)👣放大975倍(bei)。
③低通濾(lü)波放大(da)電路。
　　低(di)通濾波(bō)放大電(diàn)路的主(zhǔ)要目的(de)是實現(xiàn)高頻噪(zao)聲的濾(lǜ)除。
　　電極(jí)輸出信(xin)号經過(guò)自适應(ying)極化噪(zào)聲抵消(xiāo)後,除了(le)12.5Hz(6.25Hz3.125Hz)的流量(liàng)信号外(wai)，還存在(zai)高頻噪(zao)聲。高頻(pin)噪聲進(jìn)人ADC後,可(kě)能會造(zào)成信号(hao)的混疊(dié)。所以,需(xū)要采用(yòng)低通濾(lü)波器來(lái)濾除高(gao)頻👌噪聲(sheng)。
低通濾(lü)波放大(da)電路如(ru)圖6所示(shì)，

　　低通濾(lǜ)波放大(da)電路采(cǎi)用兩級(jí)二階巴(ba)特沃斯(si)低通濾(lü)波🔞器級(ji)聯來構(gòu)成四階(jie)低通濾(lü)波器,其(qí)放大倍(bèi)數爲10.9倍(bei)。考慮🥰到(dào)能⭕更多(duō)地保留(liu)流量信(xìn)号的諧(xie)波，設置(zhi)濾波器(qi)截止頻(pín)率爲1.5kHz。
3驗(yan)證試驗(yan)
　　爲了驗(yan)證基于(yu)前饋控(kong)制的自(zì)适應極(ji)化噪聲(shēng)抵消方(fang)法的效(xiào)果,設計(jì)了信号(hào)調理電(diàn)路2,并替(ti)換本課(kè)題組研(yan)制的電(diàn)磁流量(liang)變送器(qì)中的信(xìn)号調理(lǐ)電路;再(zai)匹配電(diàn)磁流量(liàng)傳感器(qì),組成了(le)一個完(wan)整的基(ji)于數字(zì)信号處(chù)理器(digitalsignalprocessor,DSP)的(de)電磁流(liu)量計[8-0,。在(zài)容積法(fǎ)水流量(liang)标定裝(zhuang)置上進(jin)行了信(xìn)号調理(lǐ)電路濾(lǜ)波試驗(yan)、電磁流(liú)量計水(shuǐ)流量标(biao)定試驗(yàn)和降ADC位(wèi)數試驗(yan)。
3.1試驗裝(zhuāng)置
　　試驗(yan)裝置由(you)水流量(liàng)标定裝(zhuang)置和數(shù)據采集(jí)系統組(zu)成,如圖(tú)7所示。

　　圖(tú)7中:水流(liú)量标定(ding)裝置的(de)不确定(dìng)度爲0.2%,電(dian)磁流量(liang)傳感器(qi)口徑爲(wèi)40mm,電磁流(liú)量變送(sòng)器的勵(li)磁頻率(lü)爲12.5Hz。信号(hao)調理電(diàn)路放大(da)倍數和(hé)ADC位數可(kě)調:在信(xin)号調理(lǐ)電路🙇🏻濾(lü)波試驗(yàn)和電磁(ci)流量計(ji)水流量(liang)标定試(shi)驗中放(fang)大倍數(shù)爲340倍,ADC位(wei)數爲24位(wei);在降ADC位(wei)數📱試驗(yàn)中放大(da)倍數爲(wei)3500倍,取24位(wei)ADC的高❄️14位(wei)來模拟(nǐ)16位ADC。
3.2信号(hào)調理電(dian)路濾波(bō)試驗
　　爲(wèi)驗證基(ji)于自适(shì)應極化(huà)噪聲抵(dǐ)消方法(fa)的信号(hào)調❗理電(diàn)路對極(ji)♻️化噪聲(shēng)的消除(chu)效果,在(zai)信号調(diào)理電路(lù)2輸人信(xin)号不斷(duan)發生漂(piāo)移的情(qíng)況下(如(rú)圖1(a)中情(qing)況),通過(guo)上位機(ji)(采樣頻(pin)率1500Hz,采樣(yàng)時長200s)采(cǎi)集流速(su)爲5m/s(流速(su)越大,極(ji)化噪聲(sheng)幅值越(yuè)大)的信(xìn)号❌調理(lǐ)電路2輸(shū)出信号(hào),并對其(qi)進行🎯了(le)頻譜分(fen)析。
信号(hào)調理電(diàn)路2輸出(chu)信号及(jí)頻譜圖(tú)如圖8所(suǒ)示。
　　觀察(cha)信号調(diao)理電路(lu)2輸出信(xìn)号,發現(xiàn)經過自(zi)适應極(ji)化噪聲(sheng)抵消後(hòu),信号平(píng)穩分布(bù)于零點(dian)上下,基(jī)本不存(cún)在漂移(yi)的現象(xiàng),如圖8(a)所(suǒ)示。
　　信号(hao)頻譜分(fen)析方法(fa)與圖1(b)噪(zao)聲分析(xi)時的相(xiang)同,即将(jiang)290000點信号(hao)去🌐基準(zhǔn)後,從4096點(diǎn)開始，等(deng)間距取(qǔ)60段,每段(duan)4096點,再分(fèn)别作4096點(diǎn)FFT,最後求(qiú)出其平(píng)📱均幅值(zhí)譜,如圖(tú)8(b)所示。根(gen)據💜頻譜(pu)圖可以(yǐ)發現:經(jīng)過自适(shi)應極化(hua)噪聲抵(dǐ)消後信(xin)号調理(lǐ)電路2輸(shu)出信号(hào)中基本(běn)不存在(zai)極化噪(zao)聲,隻存(cun)在12.5Hz的流(liú)量⭐信号(hào)。由此說(shuō)明,基于(yu)前饋控(kòng)制的自(zì)适應極(ji)化噪聲(shēng)抵消電(diàn)路能有(yǒu)效濾除(chú)電極輸(shū)出信号(hào)☀️中的極(ji)化噪聲(shēng)。

3.3電磁流(liú)量計水(shui)流量标(biao)定試驗(yan)
　　爲了測(ce)試基于(yú)自适應(ying)極化噪(zào)聲抵消(xiao)方法的(de)信号調(diao)理電🥰路(lù)2的實際(ji)效果,進(jin)行了容(róng)積法水(shuǐ)流量标(biāo)定🔅試驗(yàn)。标定㊙️試(shi)驗中,在(zai)流速爲(wèi)0.15~5m/s的範圍(wei)内，共選(xuan)取了6個(ge)🔞标定點(diǎn),并通過(guò)示值誤(wù)差拟合(hé)方法計(ji)算儀表(biao)系數☀️"],然(rán)後驗證(zhèng)了電磁(cí)流量計(ji)的精度(du)。放大340倍(bèi)24位ADC水流(liú)量标定(dìng)試驗結(jie)果如表(biao)1所示。

　　由(you)表1可知(zhī):在流速(su)爲0.5~5m/s的範(fan)圍内,電(dian)磁流量(liang)計的最(zuì)大測量(liàng)誤📱差🈲都(dōu)🔞在+0.3%以内(nei),重複性(xing)誤差均(jun)在0.1%以内(nèi),滿足0.3級(jí)電磁流(liu)量計要(yao)求。該結(jié)果🤩說明(míng),采用該(gāi)信号調(diào)理電路(lù)的基于(yu)DSP的電磁(cí)流量計(ji)具有很(hen)好的測(cè)量精度(dù)。同時,與(yu)放大倍(bèi)數爲180倍(bèi)的電磁(cí)流量計(ji)相比❓，該(gai)設計提(ti)高了流(liu)量信号(hao)的放大(dà)倍♌數,可(ke)以實現(xiàn)更低流(liú)量的✍️測(ce)量,即可(ke)以采用(yòng)該方法(fa)來拓寬(kuān)電磁流(liu)量計的(de)測量下(xia)限。
3.4降ADC位(wei)數試驗(yan)
　　當電路(lù)放大倍(bèi)數較大(da)時，流量(liàng)信号幅(fú)值相應(ying)較高,對(duì)❓ADC分🌍辨率(lǜ)的要求(qiú)降低,這(zhe)樣就可(ke)以采用(yong)位數較(jiao)低的ADC來(lai)🥰實現信(xin)号的測(cè)量。同🏒時(shí)，降低ADC位(wèi)數也将(jiāng)降低電(diàn)路的成(cheng)本。所以(yi),通過改(gai)變電路(lu)的放大(dà)倍數和(he)ADC采樣位(wei)數，并采(cǎi)用水流(liu)量标定(dìng)試驗🏃🏻進(jin)行驗證(zheng)🍉。
　　電極輸(shū)出信号(hao)經過自(zi)适應極(ji)化噪聲(sheng)抵消後(hou),信号調(diào)理電路(lu)2最大放(fang)大倍數(shu)可達4000倍(bei)。所以,可(ke)将信号(hào)調理電(diàn)🈲路2的放(fàng)大⭐倍數(shu)由340倍提(ti)高至3500倍(bèi)。普通DN40的(de)電磁流(liú)量傳感(gǎn)器流速(sù)測量下(xià)💚限爲0.5m/s,通(tōng)過上位(wèi)機采集(ji)了放🐅大(da)3500倍的信(xin)号,發.現(xian)流速0.5m/s時(shí)信号峰(feng)峰值約(yuē)爲346.7mV,而測(ce)量🙇‍♀️電壓(ya)範圍爲(wei)🌍+5V的16位ADC的(de)分辨⛹🏻‍♀️率(lǜ)爲153μV,足以(yi)識别信(xin)号。所以(yi),采用了(le)16位ADC。16位ADC有(you)👈效位數(shu)-一般在(zai)14~16位。爲了(le)方便在(zài)同等條(tiao)件下驗(yàn)證效果(guǒ)☔,不再重(zhòng)新設計(jì)電路,而(ér)是在标(biāo)定時取(qu)原有24位(wei)ADC的高14位(wei)來模拟(ni)16位ADC的效(xiào)果。
　　在流(liú)速爲0.5~5m/s的(de)範圍内(nei)，共選取(qu)了5個标(biāo)定點,并(bìng)通過示(shì)值誤差(chà)拟合方(fang)法計算(suàn)出儀表(biǎo)系數。然(ran)後,驗證(zheng)電磁流(liú)量計的(de)精度。放(fàng)大3500倍、16位(wei)ADC水流量(liàng)标定試(shi)驗結果(guǒ)如表2所(suǒ)示。

　　由表(biǎo)2可知:在(zài)流速爲(wei)0.5~5m/s的範圍(wei)内,電磁(ci)流量計(jì)的最大(dà)✔️測量誤(wù)差都在(zài)+0.3%以内,重(zhong)複性誤(wù)差均在(zai)0.1%以内,滿(man)足0.3級電(dian)磁流量(liang)♋計要求(qiú)。這⁉️說明(ming)提出的(de)基于硬(yìng)件系統(tǒng)前饋控(kong)制的自(zì)适應極(jí)化噪聲(sheng)抵♻️消方(fang)法能有(yǒu)效抵消(xiao)極化噪(zao)聲,可以(yi)将信号(hao)放大較(jiao)💚高的倍(bei)數,從而(er)有效降(jiang)低ADC的采(cai)樣位數(shù),并減少(shao)成本。另(lìng)外，濾除(chú)極化噪(zào)聲🈲後,放(fang)大的電(diàn)🐇極輸出(chū)信号幅(fu)值在電(diàn)路中不(bú)會超過(guò)+5V。這樣就(jiù)可以将(jiang)電路中(zhōng)芯片的(de)供電🌍電(diàn)壓降至(zhi)+5V,以減小(xiǎo)電路功(gōng)耗。
4結論(lùn)
　　極化噪(zao)聲幅值(zhi)遠高于(yu)流量信(xìn)号幅值(zhí),會造成(cheng)電極💰輸(shū)出♊信号(hao)🌈信噪比(bǐ)較低;同(tóng)時，極化(huà)噪聲的(de)漂移會(hui)限制電(diàn)🐕路的放(fang)大倍數(shù),增加了(le)ADC采樣位(wèi)數、電路(lu)成本、功(gong)耗等。針(zhen)對這些(xiē)問題,通(tong)過對電(dian)極輸出(chū)信号采(cai)集與頻(pín)譜分析(xi),研究了(le)極化噪(zao)聲的分(fèn)布特性(xing),發現漂(piāo)移🔅的極(ji)化噪聲(shēng)主要分(fen)布于♋零(ling)頻附近(jin)的低頻(pín)區域,基(jī)本不與(yu)信号頻(pín)♋段重疊(die)。
　　根據極(ji)化噪聲(shēng)的分布(bu)特性,提(tí)出了一(yī)種基于(yu)前饋控(kòng)制的❤️自(zi)适👈應極(ji)化噪聲(shēng)抵消方(fāng)案,并用(yòng)硬件系(xì)統實現(xian)。前置差(cha)分放大(da)後的電(dian)極輸出(chū)信号經(jīng)過一一(yi)個八階(jiē)低通濾(lǜ)波器,提(tí)取出其(qí)中的極(ji)化噪聲(shēng);然後以(yi)極化噪(zào)聲作爲(wei)前饋量(liàng),經過下(xià)級放大(da)器,用差(cha)分🔴放大(da)後的電(dian)極輸出(chū)信号減(jiǎn)去極化(hua)噪♻️聲,以(yi)此實現(xian)極化噪(zao)聲的自(zi)适應抵(dǐ)消。
　　爲驗(yan)證該方(fang)案的實(shí)際效果(guo),設計了(le)信号調(diao)理電路(lu)🐪2,配⁉️合課(ke)題組原(yuan)有的變(bian)送器及(ji)DN40傳感器(qì)，在容積(ji)法水流(liú)量标定(ding)裝置上(shàng)進行了(le)試驗。信(xin)号調理(li)電路濾(lǜ)波試驗(yan)結果表(biao)明,該系(xi)統🌈能夠(gou)有效消(xiāo)除電極(ji)輸出信(xìn)号中的(de)極化噪(zào)聲。電磁(cí)流量計(jì)⭐水流量(liang)标定試(shì)驗結❌果(guo)表明,當(dāng)信🈲号調(diào)理電路(lu)放大340倍(bèi)、ADC爲24位時(shí),在流速(su)爲0.5~5m/s的範(fan)圍内，流(liú)量計的(de)精度爲(wei)0.3級。這說(shuo)明采用(yòng)自适應(yīng)極化噪(zao)聲抵消(xiāo)方💞法的(de)信号調(diào)理電路(lu)2能夠滿(mǎn)足實際(jì)測量要(yao)求，且提(tí)高信号(hào)放大倍(bèi)數可以(yi)實現更(gèng)低流量(liang)的測量(liàng)。降ADC位數(shu)試驗結(jie)果表明(míng),将信号(hào)調理電(diàn)路放大(da)倍數提(ti)高至3500倍(bei),同時用(yong)24位ADC的高(gāo)14位來模(mo)拟16位ADC,在(zai)流速爲(wei)0.5~5m/s的範圍(wéi)内,流量(liàng)計🤞的精(jing)度可達(da)0.3級。這說(shuō)明⚽基于(yu)前饋控(kòng)制的自(zì)适應極(jí)化噪聲(shēng)抵消方(fang)法可以(yǐ)将信号(hao)放🌂大較(jiao)高的倍(bèi)數,從而(er)有效降(jiàng)低ADC的采(cǎi)樣位數(shu)、芯片供(gòng)電電壓(yā)，以及電(diàn)路成本(ben)和功耗(hao)。

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