摘要(yao):針對電磁(ci)流量計 測(ce)量信号複(fu)雜而微弱(ruo),導緻失真(zhen)和幹擾信(xin)号被放💚大(da)的問題。依(yi)據低頻矩(ju)形波勵磁(ci)方式下電(dian)磁流量計(ji)的工作原(yuan)理👈和流量(liang)與🔞信号的(de)基本關系(xi),提出了🚶‍♀️一(yi)種基波平(ping)均值信号(hao)預處理✊方(fang)法,經過分(fen)析和試驗(yan)證明可以(yi)提高抗幹(gan)擾能力和(he)動态響應(ying)，在量程範(fan)圍内，測量(liang)精度達到(dao)0.25%.
工業計量(liang)過程中常(chang)用電磁流(liu)量計來計(ji)量管道液(ye)體流量,測(ce)量原理是(shi)基于法拉(la)第電磁感(gan)應定律，随(sui)着電磁流(liu)量計的發(fa)展，勵磁方(fang)式也得到(dao)不斷的改(gai)進,現行的(de)電磁💰流量(liang)計💁中,低頻(pin)☂️矩形波勵(li)磁方式是(shi)設計人員(yuan)主要采用(yong)♉的方法.這(zhe)種勵磁周(zhou)期爲工頻(pin)⛱️的整數倍(bei)，正負矩形(xing)波勵磁技(ji)術,明顯提(ti)高了電磁(ci)😄流量計的(de)抗幹擾能(neng)力和測量(liang)🐅精度.但是(shi)對信☂️号處(chu)理方法的(de)不同，将㊙️使(shi)電磁🌂流量(liang)計的🈲靜動(dong)态流量測(ce)量性能有(you)所差異.理(li)想的信号(hao)處理方法(fa)應保持基(ji)本原理上(shang)🤟的純線性(xing)和快速響(xiang)應特性"
1.一(yi)般電磁流(liu)量計的信(xin)号處理方(fang)式
電磁流(liu)量計的基(ji)本原理如(ru)圖1所示,理(li)想測量方(fang)程爲叫
 
式(shi)中:C爲儀表(biao)常數;B爲感(gan)應磁場強(qiang)度;D爲傳感(gan)器管逍直(zhi)徑;V爲流體(ti)流速;
 
式(1)表示(shi)電磁流量(liang)計産生的(de)感應電動(dong)勢eab與流體(ti)流速V呈線(xian)性關🐇系，但(dan)在實際的(de)電磁流量(liang)計工作過(guo)程🌈中發現(xian)，感應的電(dian)勢信号上(shang)總是疊加(jia)了一系列(lie)的幹擾信(xin)号.這些‼️幹(gan)擾信号的(de)來源主要(yao)有工頻幹(gan)擾:包括串(chuan)模和共模(mo)幹擾，數字(zi)電路産生(sheng)的高頻幹(gan)擾;微分噪(zao)聲,同相噪(zao)聲,低頻有(you)色噪聲幹(gan)擾.電磁流(liu).量計信号(hao)處理方式(shi)的發展就(jiu)是🥰圍繞克(ke)服以上幹(gan)擾噪聲,有(you)效地放大(da)感應信☎️号(hao)而發展.
現(xian)在很多電(dian)磁流量計(ji)的信号處(chu)理方法采(cai)用了電容(rong)隔離法,電(dian)容隔離法(fa)是将零點(dian)漂移近似(si)作爲直流(liu).處理的一(yi)種方法☀️,即(ji)通過電容(rong)耦合來隔(ge)離零點漂(piao)移幹擾，實(shi)現對感應(ying)電勢信号(hao)的提取.放(fang)大處理.基(ji)本電路如(ru)圖2.
 
信号通(tong)過輸人端(duan)差動放大(da)器A1,A2抑制共(gong)模幹擾,經(jing)過電容C1,C2耦(ou)合後由A3放(fang)大K倍,于圖(tu)3中的T/2時刻(ke)前采樣保(bao)持,經A6放💋大(da)後,實現輸(shu)出uo=2Kneab,Ka爲整機(ji)放大倍數(shu).這種方法(fa)結構簡單(dan),在電路原(yuan)理上容易(yi)實✊現,對高(gao)頻幹擾可(ke)以起到有(you)效的抑制(zhi)作用,但是(shi)抗幹擾能(neng)力特别差(cha),信㊙️号放大(da)後,輸出非(fei)常不穩🌂定(ding).主要原因(yin)是由于共(gong)模幹擾的(de)影.響和隔(ge)離電容無(wu)法隔離零(ling)點漂移等(deng)并非真正(zheng)直流的低(di)頻分量🛀的(de)影響.因此(ci)爲了穩定(ding)信号值,隻(zhi)有提高采(cai)樣保持電(dian)容C3,C4.參數,對(dui)信号處理(li)的輸出級(ji)加大濾波(bo)的時間常(chang)數.表面上(shang)看儀表🏃‍♀️的(de)輸出穩定(ding)了,但卻加(jia)大了信号(hao)對于流體(ti)流速變化(hua)的㊙️響應時(shi)間.所以,這(zhe)種方法一(yi)般隻适用(yong)于勵磁周(zhou)期在8倍以(yi)上工頻周(zhou)期.的情況(kuang).
 
在電(dian)容隔離法(fa)基礎上,應(ying)用零點漂(piao)移法.基線(xian)控制💛法🐪"等(deng)信号處📐理(li)方法都能(neng)在一定程(cheng)度上克服(fu)電容隔離(li)法的不足(zu),抑制幹擾(rao),提高動态(tai)響應速度(du)和線性度(du).
2基波平均(jun)值轉換的(de)信号處理(li)方法
如上(shang)所述,電容(rong)隔離法或(huo)補償電路(lu)不能很好(hao)解決感✔️應(ying)😄信号失真(zhen)和幹擾信(xin)号被放大(da)等問題.經(jing)過大量實(shi)驗和對國(guo)外電磁流(liu)量計的研(yan)究,本文提(ti)出一🧡種基(ji)波平均值(zhi)轉換的信(xin)号處理方(fang)法，基于e(t)與(yu)峰值🔱、平均(jun)值、有🚩效值(zhi)成正比關(guan)系，對信号(hao)進行濾波(bo)并采用基(ji)波平均值(zhi)處理轉換(huan)的方法，可(ke)以🈲有效提(ti)高電🐉.磁流(liu)量計抗幹(gan)擾的能力(li).結構框圖(tu)如圖4.
 
傳感(gan)器輸出流(liu)量信号十(shi)分微弱,爲(wei)幾十微伏(fu)的交流信(xin)号🚶,并疊加(jia)了多種頻(pin)率的噪聲(sheng)幹擾，表示(shi)爲
 
式中,前(qian)兩項爲信(xin)号基波和(he)諧波,後四(si)項爲幹擾(rao)噪聲🐇(包括(kuo)零均值噪(zao)聲、共模噪(zao)聲、微分噪(zao)聲、同相幹(gan)擾🌈).
信号是(shi)對稱方波(bo)脈沖形式(shi),幅值爲幾(ji)十微伏,脈(mo)沖寬度50ms,周(zhou)期200ms,脈沖占(zhan)空比爲0.5,整(zheng)機放大倍(bei)數2200倍.信号(hao)預處理電(dian)路爲帶通(tong)濾⛹🏻‍♀️波器,主(zhu)要消除諧(xie)波和零均(jun)值🐅噪聲.式(shi)(2)中微分噪(zao)聲在一定(ding)的流體介(jie)質下,産生(sheng)的誤差爲(wei)系❤️統誤
差(cha),可以由信(xin)号調理電(dian)路末級的(de)微分噪聲(sheng)補償電路(lu)校準去💋除(chu)。可以忽略(lue)。共模幹擾(rao)雖然可以(yi)通過提高(gao)電路的共(gong)模抑制💚比(bi)來消除，但(dan)實際上由(you)于元器件(jian)的溫度系(xi)👣數分散性(xing)較大,因此(ci)不可能使(shi)共模放大(da)倍數Kc等于(yu)零,如采用(yong)圖2的方法(fa),初級爲雙(shuang)端輸人單(dan)端輸出,則(ze)🔆共模電壓(ya)e在中間級(ji)主放大器(qi)A3處會被放(fang)大K3倍,這樣(yang)⭐會影響後(hou)級的信号(hao)處理，采用(yong)新的方法(fa)提高CMRR,根據(ju)差動放大(da)電路的特(te)點,在第一(yi)🔴、第二級采(cai)用四運放(fang),差動信号(hao)📞爲雙端輸(shu)出,不經合(he)并直接進(jin)人下一級(ji).将第三級(ji)設計爲增(zeng)益是1的低(di)通濾波電(dian)路,此信号(hao)處理方法(fa)可以使ec不(bu)被放大,從(cong)而避免影(ying)響整機信(xin)号.按CMRR爲100dB計(ji)算,由于采(cai)用了新的(de)處理方式(shi)，差動流速(su)信号放大(da)系數爲Kd=1,所(suo)以計算得(de)Ke=10-5,即整機信(xin)号調理電(dian)路可以将(jiang)共模幹擾(rao)信号衰減(jian)105倍🔴.對于由(you)電極對地(di)形成的幹(gan)♍擾有如下(xia)關系”，
 
式中(zhong):Rj爲勵磁線(xian)圈對電極(ji)的絕緣電(dian)阻;Rs爲傳感(gan)器感應信(xin)号内阻;r爲(wei)傳感器接(jie)地電阻;E勵(li)磁電壓;當(dang)E=24V時,共模幹(gan)擾電壓ec=5mV,經(jing)🐇衰減105倍後(hou)隻有0.05μV,此幹(gan)擾電壓對(dui)輸出不會(hui)有影響.通(tong)過實驗證(zheng)明,CMRR做得很(hen)高時,應用(yong)此方法抗(kang)幹擾能力(li)的确🐇很強(qiang)。
該電磁流(liu)量計已經(jing)得到應用(yong),并依據JJG198-94《速(su)度式流量(liang)計檢定‼️規(gui)程🌈》,利用質(zhi)量法水标(biao)準裝置,對(dui)采用基波(bo)⚽平均值信(xin)号預處理(li)電路的電(dian)磁流量計(ji)進行檢定(ding),重複性💰誤(wu)差爲0.1%,基本(ben)誤差爲0.25%,線(xian)性度0.3%,檢測(ce)結果如表(biao)1.
 
3結語
本文(wen)主要探讨(tao)了電磁流(liu)量計在低(di)頻矩形波(bo)勵磁下的(de)信号處理(li)方法,并介(jie)紹了在信(xin)号預處理(li)過程🐅中,基(ji)波平均值(zhi)法可以滿(man)足小信号(hao)放大調理(li)的苛刻要(yao)求.電磁流(liu)量計還有(you)其他信号(hao)處理方式(shi)，但都無法(fa)脫離🚶‍♀️濾波(bo)、噪聲抑制(zhi)等技術問(wen)題，同時産(chan)品化🤞過程(cheng)中還必須(xu)考慮電路(lu)屏蔽措施(shi)、熱電勢、接(jie)點處理方(fang)法和接地(di)、裝配工藝(yi)等對信号(hao)處理電路(lu)的影響,這(zhe)樣才能從(cong)根本上提(ti)高動态響(xiang)應和儀表(biao)精度.

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