帶(dài)阻濾波電磁流(liú)量計信号處理(lǐ) 發布時間:2025-12-17
摘 要(yao):采用帶阻濾波(bō)的信号處理方(fang)法,處理低頻矩(ju)形波勵磁✌️下由(you)傳感器輸出的(de)信号,有效抑制(zhi)工頻幹擾。結果(guǒ)表明,系統測量(liang)精度優于0.4%,達到(dao)了工業測量标(biāo)準。 0 引言 電磁流(liú)量計 原理爲法(fa)拉第電磁感應(ying)定律,主要由流(liú)量常感器和變(biàn)送器組成。電磁(ci)流量計有許多(duō)良好性能,如結(jie)🌈構簡單、較強的(de)耐腐蝕性🔞、較高(gao)的穩定性、較高(gāo)的精度等,在給(gei)供水、鋼鐵、石油(yóu)、煤炭、化工、醫療(liáo)、航海、農業灌溉(gài)等領🏒域有着廣(guang)泛應用[1]。流量傳(chuan)感器🚶的主要作(zuo)用是當流經導(dao)管内的導電液(yè)體做切割磁感(gǎn)線運動時,會産(chǎn)生電動勢,将導(dǎo)電液🈲體的體積(jī)流量轉換成需(xu)要的電信号,再(zài)傳送給變送器(qì)🈚作進一步處理(li)⛷️。變送器主要由(you)勵磁電路、濾波(bō)電路、前置放大(dà)調整電路、采樣(yang)電路、電流信号(hao)輸出電路及脈(mo)沖信号輸❄️出電(diàn)路組成。 電磁流(liú)量技術的發展(zhǎn)主要體現在勵(li)磁方案改進和(hé)信🤩号處理算法(fǎ)優化方面。電磁(cí)流量計的勵磁(cí)方案直接決定(dìng)了🌈其抗幹擾性(xing)能和零點的穩(wěn)定性。信号處理(li)的重點是幹擾(rao)🛀噪聲去除,其中(zhong)主要的幹擾是(shì)工頻幹擾、同相(xiàng)幹擾、正交幹擾(rao)、極化現👅象、白噪(zào)聲幹擾和零點(diǎn)偏移。采用直流(liu)勵磁方案💃,将不(bú)會産生渦流效(xiào)應,并且有着較(jiao)小的正交幹擾(rǎo)和同相幹擾;采(cai)用正弦波勵磁(cí)方案,可🌈以很好(hǎo)地控制極化現(xiàn)象産生,并有着(zhe)良好的抗噪能(néng)力;采用低頻矩(jǔ)形波勵磁方案(an),兼顧直流勵磁(ci)🧑🏾🤝🧑🏼和正弦♉波勵磁(cí)的優點,因此應(ying)用廣泛。 本文采(cǎi)取低頻矩形波(bō)勵磁方案。可導(dao)電的流體切割(gē)🙇🏻磁感線😍,從而在(zài)電極上會有電(diàn)動勢産生,但是(shì)電壓十分弱,流(liu)量傳感器的輸(shū)出信号會受工(gōng)頻幹擾👈,帶來較(jiao)低的信噪比,特(tè)别是在導電液(yè)體流速較低的(de)情形下,有效的(de)流✍️量信号可能(neng)完全被噪聲信(xìn)号覆蓋。本文在(zài)🎯采取低頻矩形(xing)波勵磁條件下(xià),在現有信号處(chu)理方法的基礎(chu)上,采取巴特沃(wo)斯帶阻濾波信(xìn)号處理方法,可(ke)🤩以有效消除50HZ的(de)工頻幹擾[2],以此(ci)來提高流量傳(chuan)感器輸出信号(hào)的信噪比,并🌈在(zài)MSP430上實現🈲,可有效(xiào)處理水流量信(xìn)号。通過❄️标準表(biǎo)标定實驗,擁☁️有(yǒu)較爲理想的測(cè)量精度和重複(fú)性。 1 帶阻濾波方(fāng)法 1.1 算法原理及(jí)推導 流量傳感(gǎn)器的輸出信号(hao)和被測導電液(yè)體的流速❌之間(jian)存在一定的線(xiàn)性關系。在理想(xiǎng)條件下,采用低(dī)頻矩形波勵磁(cí)方式時,從流量(liàng)傳感器輸出信(xìn)号,頻😘率和勵磁(cí)電流相同,并🍓且(qiě)輸出信号的幅(fú)值和導電液體(ti)的流速之間成(cheng)比例關系。但是(shì),實際中,流量傳(chuán)🈲感器的輸出信(xin)号會受到多種(zhǒng)噪聲的幹擾,經(jīng)常會摻雜着如(ru)微分幹擾、串共(gong)模幹擾、同相幹(gan)擾等🐉幹擾,使流(liú)量信号和噪聲(sheng)不能很好分離(li),可用方程(1)表示(shì)[3]: 式中,BDV是模拟流(liu)量信号。通過對(dui)流量傳感器輸(shū)出信📧号進行分(fèn)析,可以發現輸(shu)出信号有着較(jiao)寬的頻率範圍(wéi),所以采用常規(guī)的低通濾波很(hen)難将噪聲去除(chu)♌。針對流🧑🏾🤝🧑🏼量傳感(gan)器輸出信号的(de)特點,利用現有(you)的模拟濾波器(qi)設計公式,實現(xian)巴特沃斯帶阻(zǔ)濾波器的🏃♀️設計(ji),其系統傳遞函(han)數可以表示爲(wei): 因此,設計巴特(tè)沃斯帶阻濾波(bō)器的實質就是(shi)要明确帶寬,并(bìng)确定階數N,在MATLAB中(zhōng)完成濾波器的(de)設計,并找出系(xì)數B、a,使❄️其滿🥰足預(yù)設的技術要求(qiú)。 1.2 濾波器實現 電(dian)磁流量計的頻(pín)率輸出範圍由(you)實際應用場景(jing)決定,本文🏃♂️假設(shè)其範圍0~100HZ。依據奈(nài)奎斯特抽樣定(dìng)理,爲了🔴無失真(zhēn)地恢複出采樣(yang)信🏃♂️号,取樣頻率(lǜ)爲采樣頻率的(de)2倍,即200HZ。爲了去除(chú)50HZ工頻幹擾,選🌈取(qǔ)49HZ的下限截止頻(pín)率;選取51HZ的上限(xian)截止頻率;折疊(die)頻率爲采樣頻(pin)率的1/2,取💃🏻M=100;對通帶(dai)頻率作歸一化(hua)處理,取Wp 衰減取(qǔ)值3dB,即p=3;阻帶頻率(lǜ)取值20dB,即s=20;确定階(jie)數N和截止頻率(lǜ)WC,[NWC]=buttord(WP,WS,P,s);最後确定巴特(te)沃斯帶阻濾波(bo)器,[H]=butter(N,WC,'stopl');通過MATLAB,設計出(chū)巴🔞特沃🚩斯帶阻(zǔ)濾波器[6],再繪制(zhì)巴特沃斯帶阻(zu)濾波器的幅頻(pín)響應曲👉線和相(xiàng)頻響應曲線,如(rú)圖1所示: 2 MATLAB仿真 爲(wei)了驗證信号處(chu)理算法的可行(hang)性,需在MATLAB中模拟(ni)工業💁現場下的(de)傳感器輸出信(xìn)号。因爲從流量(liàng)傳感器獲取🔴的(de)電壓信号十分(fen)弱,尤其在導電(dian)液體流速較小(xiǎo)的情形下,有用(yong)信号可能會淹(yan)沒在🚶各種噪聲(sheng)中。所以在MAT-LAB仿真(zhen)時,要參考實際(jì)環境下輸出☔信(xin)号,模拟✏️的傳感(gǎn)器輸🐪出信号,要(yào)摻雜着工頻幹(gàn)擾、同相幹擾💋、白(bái)噪聲等幹擾。在(zai)導電液體的流(liu)速小于1m/s情形下(xià),流量傳感器能(neng)獲取♌到的電壓(yā)小于10mV。本文采用(yong)取低頻🥰矩🐅形波(bo)勵磁的勵磁方(fāng)案,選取50HZ工頻的(de)1/8作勵磁頻率,即(ji)6.25HZ。因此,本文模拟(nǐ)輸出信号: 式(3)中(zhong),等号右邊的各(ge)項依次表示所(suǒ)需的流量信号(hao)、工頻幹擾、零漂(piao)、白噪聲。産生的(de)信号如圖2所示(shì)。 通過MATLAB,對模拟的(de)傳感器輸出信(xin)号進行巴特沃(wò)斯帶阻濾🔅波,從(cong)圖3中可以看出(chu)噪聲在一定程(cheng)度上被消🐅除,具(jù)體哪🔅種噪聲被(bei)去除,可以通過(guo)對信号作傅裏(li)葉變換,得到相(xiàng)應的頻譜。使用(yong)巴特沃斯帶阻(zǔ)濾波器濾波前(qián)㊙️後的對比結果(guǒ)如圖3所示。 分别(bie)對上一步濾波(bō)前後的信号進(jìn)行FFT變換,得到頻(pin)譜圖,這🔴一步是(shì)通過MATLAB實現的,濾(lǜ)波前後的頻譜(pu)對比如圖4所示(shì)。 通過MATLAB,對信号處(chu)理算法進行仿(pang)真,分别對濾波(bo)前後的波形圖(tú)、頻譜圖進行對(dui)比,發現此濾波(bō)方法可以❌有效(xiao)濾除50HZ工頻🌍幹擾(rǎo),驗證♍了所設計(ji)的濾波方法的(de)可行性。 3 基于MSP430的(de)算法實現 3.1 系統(tǒng)硬件介紹 基于(yu)TI公司的MSP430芯片,研(yan)制了電磁流量(liang)計的變送器,此(cǐ)🔱芯⚽片💞是16位超低(di)功耗混合型微(wēi)處理器[7],并且具(jù)有豐㊙️富的外設(she)🔴,方便系統功能(néng)擴展。硬件原理(lǐ)如圖5所示,由前(qian)置放大調理電(diàn)路、勵磁電路、電(diàn)流🔞信号輸出電(diàn)路、脈沖信号輸(shū)出電路、LCD顯示、鍵(jiàn)盤、RS232模塊、開關電(dian)源構😄成。前置放(fàng)大調理電路主(zhu)要完成對電極(ji)信号的放🏃大、V/F轉(zhuǎn)換等功能,電流(liú)輸出模塊實現(xiàn)4~20mA電流輸出🍓,脈沖(chong)輸出模塊實現(xian)脈‼️沖量的⚽輸出(chū),LCD和按鍵用于配(pèi)置和顯示流量(liang)相關參數❤️,RS232用于(yu)通訊,開關電源(yuan)用于給系統提(ti)供直流電壓。 3.2 系統軟件設計(jì) 本系統軟件設(shè)計模塊化的,都(dōu)是由主監控程(chéng)序調用‼️分🛀配。軟(ruan)件🆚部分主要包(bāo)括:初始化模塊(kuai)、通信模塊🏒、Watchdog模塊(kuai)、信号處理模塊(kuai)💁、驅動模塊等。總(zǒng)體框架如圖6所(suo)示。 通(tong)過MSP430控制驅動模(mo)塊産生勵磁電(dian)流,以此激勵流(liu)量傳🐪感器的勵(lì)♍磁線圈,從而将(jiāng)導電液體的流(liu)量信号轉換爲(wei)微弱的電動勢(shi),再對其進行放(fàng)大調理、整流濾(lǜ)波和偏置調❗整(zheng),最後送到AD652進行(hang)V/F采樣[8]。在本文設(shè)計的電磁流量(liang)計中,采用帶阻(zu)濾♍波的方法對(duì)信号進行實時(shi)處理,得到流量(liang)信号的幅值,再(zài)結合儀表的相(xiàng)應參數,将幅值(zhi)轉換成需要的(de)流量信号,再通(tong)過Modbus将流量信🐆息(xī)傳送至上位機(ji)。 3.3 實驗結果 通過(guo)水流量标定實(shi)驗驗證帶阻濾(lü)波算法的可行(háng)性💯。标定方法有(yǒu)标準表标定法(fǎ)和稱重标定法(fa),采取标準表标(biao)定法💃🏻,将被測表(biao)的測量結果和(he)标準表的測量(liàng)結果進行比較(jiào)。結合相關的參(can)數,計算出系統(tǒng)的測量精度和(he)重複性,實驗結(jie)果如表1所示。 從(cóng)上述實驗結果(guo)可知,在頻率是(shi)6.25HZ的矩形波勵磁(cí)下,在🈲流量範圍(wéi)是20~200m3/h的條件下,得(dé)到電磁流量計(ji)的測量精度👄高(gāo)于0.4%,達到了工⭕業(ye)測量要求。 4 結語(yǔ) 本文主要針對(duì)電磁流量計的(de)50HZ工頻幹擾,提出(chu)采用巴特沃斯(sī)帶阻濾波的信(xìn)号處理方法。爲(wei)了驗證濾🈲波算(suàn)法的可行性,并(bing)測試電磁流量(liàng)計的測量精度(dù),采用标準表标(biāo)♍定法進行了水(shuǐ)流量标定。
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