摘要(yao):針對電磁流量計(jì) 測量信号複雜而(ér)微弱,導緻失真和(he)幹擾信号被放🥵大(da)的問🈚題。依據低頻(pin)矩形波勵磁方式(shi)下電磁流量計的(de)工作原理和流量(liang)與信号的基本關(guān)系,提出了👄一種基(jī)波平均值信号預(yù)處理方法,經💃過分(fèn)析和試驗證明可(ke)以提高抗幹擾能(neng)力和動态響應，在(zài)量程🈲範圍内，測量(liang)精度達到0.25%.
工業計(jì)量過程中常用電(diàn)磁流量計來計量(liang)管道液體流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量,測(ce)量🚶‍♀️原理是基于法(fǎ)拉第電磁感應定(dìng)律，随着電磁流❓量(liang)計的發展，勵磁方(fang)式也得到不斷的(de)改🔴進,現行💘的電磁(cí)流量計中,低頻矩(jǔ)形波勵磁方式是(shì)設計人員主要采(cai)用的方法.這🐇種勵(lì)磁周🌈期爲工頻的(de)整數倍，正負矩形(xíng)波勵磁技術,明顯(xiǎn)提高了電磁流量(liàng)計的抗幹擾能力(lì)和測量精度.但是(shì)對信号處理方法(fǎ)的不同，将使電磁(ci)流量計的靜動态(tai)流量測量性能有(yǒu)所差異.理想的信(xìn)号處理方法應保(bao)持基本原理上的(de)純線性和㊙️快速響(xiang)應特性"
1.一般電磁(cí)流量計的信号處(chu)理方式
電磁流量(liàng)計的基本原理如(ru)圖1所示,理想測量(liang)方程🏃爲叫
 
式中:C爲(wèi)儀表常數;B爲感應(ying)磁場強度;D爲傳感(gǎn)器管逍直徑;V爲🤟流(liu)體流速;
 
式(1)表示電磁流量(liang)計産生的感應電(diàn)動勢eab與流體流速(su)V呈線性關🏃‍♀️系，但在(zai)實際的電磁流量(liàng)計工作過程中發(fā)現，感應的電勢信(xìn)号上總是疊加了(le)一系列的幹擾信(xin)号.這些幹擾信🏃‍♀️号(hào)的來源主要🍓有工(gōng)頻幹擾:包括串模(mó)和共模幹擾，數字(zi)電路産生的高頻(pin)幹擾;微分噪聲,同(tong)相噪聲,低頻有色(sè)噪聲幹擾.電磁流(liu).量📧計信号處理㊙️方(fāng)式的發展就是圍(wei)繞克服以上幹擾(rǎo)噪聲,有效地放大(dà)感應信号而發展(zhan).
現在很多電磁流(liu)量計的信号處理(li)方法采用了電容(rong)隔離法,電容隔離(li)法是将零點漂移(yi)近似作爲直流.處(chu)理的一種方法,即(jí)通過電容耦合來(lái)隔離零點漂移幹(gàn)擾，實現對感應🔞電(diàn)勢信号的提取.放(fang)大處理✨.基本電路(lu)如圖2.
 
信号通過輸(shū)人端差動放大器(qi)A1,A2抑制共模幹擾,經(jing)過電容🐇C1,C2耦合後由(you)A3放大K倍,于圖3中的(de)T/2時刻前采樣保持(chi),經A6放大後🈲,實現輸(shū)出uo=2Kneab,Ka爲整機放大倍(bèi)數.這種方法結構(gou)簡單,在電路原理(lǐ)上容易實現,對高(gāo)👄頻幹擾可以起到(dao)有效的抑制作用(yong),但是抗幹擾能力(li)特别差,信号放大(da)後,輸出非常不穩(wěn)定.主要原因是由(you)于共模幹擾的影(ying).響和隔離電容無(wú)法隔離零點漂移(yí)等并非真正直流(liú)的低🐉頻分量的影(yǐng)響.因此爲了穩定(dìng)信号值,隻有提高(gāo)采樣保持電容C3,C4.參(can)數,對信号處理的(de)㊙️輸出級加大濾波(bo)的時間常數.表面(mian)上看儀表的輸出(chu)穩定了,但卻加大(da)了信号對于流體(tǐ)流速變化的響應(ying)時間.所👨‍❤️‍👨以,這種方(fāng)法一📧般隻适用于(yu)勵磁周期🌏在8倍以(yǐ)上工頻周期.的情(qing)況.
 
在電容隔離法(fǎ)基礎上,應用零點(diǎn)漂移法.基線控制(zhì)法"等信号處理方(fang)法都能在一定程(chéng)度上克服電容🧑🏾‍🤝‍🧑🏼隔(ge)離法的不足,抑制(zhi)幹擾,提高動态響(xiang)應速度和線💛性度(dù).
2基波平均值轉換(huàn)的信号處理方法(fǎ)
如上所述,電容隔(gé)離法或補償電路(lù)不能很好解決感(gan)✔️應信🔞号失🌈真和幹(gàn)擾信号被放大等(děng)問題.經過大量實(shi)驗和對國外電磁(cí)流量計的研究,本(ben)文提出一種基波(bō)平均值轉換的信(xin)号處🆚理方法，基于(yu)e(t)與峰值、平均值、有(yǒu)效值成正🐪比關系(xì)，對信号進行🧑🏾‍🤝‍🧑🏼濾波(bō)并采用基波平均(jun1)💞值處理轉換🔅的方(fāng)法，可以有效提高(gāo)電.磁流量計抗幹(gan)擾的能力.結構框(kuang)圖如圖4.
 
傳感器輸(shu)出流量信号十分(fèn)微弱,爲幾十微伏(fú)的交流信号🔞,并疊(dié)加了多種頻率的(de)噪聲幹擾，表示爲(wei)
 
式中,前兩項爲信(xin)号基波和諧波,後(hou)四項爲幹擾噪聲(shēng)(包🐆括👄零均值噪聲(sheng)、共模噪聲、微分噪(zào)聲、同相幹擾).
信号(hao)是對稱方波脈沖(chòng)形式,幅值爲幾十(shí)微伏,脈沖寬度50ms,周(zhōu)期200ms,脈沖占空比爲(wei)0.5,整機放大倍數2200倍(bèi).信号預處理電路(lu)♋爲帶通濾波器,主(zhǔ)要消除諧波和零(líng)均值噪聲.式(2)中微(wēi)分噪聲在一定的(de)流體介質下,産生(sheng)的誤差爲系統誤(wù)🈲
差,可以由信号調(diào)理電路末級的微(wēi)分噪聲補償電路(lù)校準😍去☂️除。可以忽(hu)略。共模幹擾雖然(ran)可以通過提高電(dian)路的共模💘抑制比(bi)來消除，但實際上(shang)由于元器件的溫(wen)度系數分散性較(jiào)大㊙️,因此不可能使(shi)共模放大倍數Kc等(děng)于零,如采用圖2的(de)方法,初級爲雙⚽端(duan)輸人單端輸出,則(ze)共模電壓e在中間(jian)級主放大器A3處會(hui)被放大K3倍,這樣會(hui)影響後級的信号(hào)處理，采用新的方(fāng)法提高CMRR,根據差動(dong)放大電路的特點(diǎn),在第一、第二級采(cai)用四運放,差動信(xin)号爲雙端輸出,不(bú)👨‍❤️‍👨經合并直接進人(ren)下一級.将第三級(jí)設計爲增益是1的(de)低通濾波電路,此(ci)信号處理方法可(ke)以使ec不被放大,從(cong)而避免影響整機(ji)信🈲号.按CMRR爲100dB計算,由(yóu)于❤️采用了🧑🏾‍🤝‍🧑🏼新的處(chù)理方式，差動流速(sù)👅信号放大系數爲(wèi)Kd=1,所以計算得Ke=10-5,即整(zheng)機信号調理電路(lù)可以将共模幹擾(rǎo)信号衰減105倍.對于(yu)由電極對地形成(cheng)的幹💘擾有如下關(guan)系”，
 
式中:Rj爲勵磁線(xiàn)圈對電極的絕緣(yuan)電阻;Rs爲傳感器感(gǎn)應信号内阻;r爲傳(chuán)感器接地電阻;E勵(lì)磁電壓;當E=24V時,共🛀模(mo)幹擾電壓ec=5mV,經衰減(jiǎn)105倍後隻有0.05μV,此幹擾(rǎo)電壓對輸出不會(hui)有影響.通過實驗(yan)證明,CMRR做得很高時(shi),應用此方♌法抗幹(gan)擾能力的确很強(qiáng)。
該電磁流量計已(yi)經得到應用,并依(yī)據JJG198-94《速度式流量🔱計(ji)檢定規程》,利用質(zhì)量法水标準裝置(zhì),對采用基波平均(jun)🐉值信号預處理電(diàn)路的電磁流量計(ji)進行檢定,重複性(xing)誤差爲0.1%,基本誤差(chà)爲0.25%,線性度0.3%,檢測結(jie)果如表👉1.
 
3結語
本文(wén)主要探讨了電磁(ci)流量計在低頻矩(jǔ)形波勵磁下的信(xìn)号處理方法,并介(jie)紹了在信号預處(chù)理過程中,基波平(ping)均值法可🌐以滿足(zu)小信号放大調理(lǐ)的苛刻要求.電磁(cí)流量計還有其他(tā)信号處理方式，但(dan)都無法脫離濾波(bo)、噪聲抑制等技術(shu)問題，同時産品化(huà)過程中還必須考(kao)慮電路屏蔽措施(shi)、熱電勢、接點處理(li)方法和接地🐉、裝配(pei)工藝等對信号處(chù)理電路🌏的影響,這(zhe)樣才能從根本上(shàng)提高動态響應和(he)儀表精度.

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