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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