摘(zhai)　要：采(cai)用帶(dai)阻濾(lü)波的(de)信号(hao)處理(li)方法(fa)，處理(li)低頻(pin)矩形(xing)🌈波👣勵(li)磁下(xia)由傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)的信(xin)号，有(you)效抑(yi)制工(gong)頻幹(gan)擾。結(jie)果表(biao)明，系(xi)統測(ce)量精(jing)度優(you)于0.4％，達(da)到了(le)工業(ye)測㊙️量(liang)标準(zhun)。
0　引言(yan)
　　電磁(ci)流量(liang)計 原(yuan)理爲(wei)法拉(la)第電(dian)磁感(gan)應定(ding)律，主(zhu)要由(you)流量(liang)常感(gan)器和(he)變⛹🏻‍♀️送(song)器組(zu)成。電(dian)磁流(liu)量計(ji)有許(xu)多良(liang)好性(xing)能，如(ru)結構(gou)簡單(dan)、較強(qiang)的耐(nai)腐蝕(shi)性、較(jiao)高的(de)穩定(ding)性、較(jiao)高的(de)精度(du)等，在(zai)🈲給供(gong)水🙇‍♀️、鋼(gang)鐵、石(shi)油、煤(mei)炭、化(hua)工、醫(yi)療、航(hang)海、農(nong)業灌(guan)溉等(deng)領域(yu)有着(zhe)廣泛(fan)應用(yong)［1］。流☎️量(liang)傳感(gan)器👨‍❤️‍👨的(de)主要(yao)作🈲用(yong)是當(dang)流經(jing)導管(guan)内的(de)導電(dian)液體(ti)做切(qie)割磁(ci)感線(xian)運✔️動(dong)時，會(hui)産生(sheng)電動(dong)勢，将(jiang)導電(dian)液👌體(ti)的體(ti)積流(liu)量轉(zhuan)換成(cheng)需要(yao)的電(dian)信号(hao)，再傳(chuan)送給(gei)變送(song)器作(zuo)進一(yi)步處(chu)理⛱️。變(bian)送器(qi)主要(yao)由勵(li)磁‼️電(dian)路、濾(lü)波電(dian)路、前(qian)置放(fang)大調(diao)整電(dian)路、采(cai)樣電(dian)路、電(dian)流信(xin)号輸(shu)出電(dian)路及(ji)脈沖(chong)信号(hao)輸🤩出(chu)電路(lu)組成(cheng)。
　　電磁(ci)流量(liang)技術(shu)的發(fa)展主(zhu)要體(ti)現在(zai)勵磁(ci)方案(an)改進(jin)和信(xin)号處(chu)理算(suan)法優(you)化方(fang)面。電(dian)磁流(liu)量計(ji)的勵(li)磁方(fang)案直(zhi)接決(jue)定了(le)其抗(kang)幹擾(rao)性能(neng)和零(ling)點的(de)穩定(ding)性。信(xin)号處(chu)理的(de)重點(dian)是幹(gan)擾♉噪(zao)聲去(qu)除，其(qi)中主(zhu)要的(de)幹擾(rao)是工(gong)頻幹(gan)擾、同(tong)相幹(gan)🈲擾、正(zheng)交幹(gan)擾、極(ji)化現(xian)象、白(bai)噪聲(sheng)幹擾(rao)和零(ling)點✌️偏(pian)移。采(cai)用直(zhi)流勵(li)磁方(fang)案，将(jiang)不會(hui)産生(sheng)渦流(liu)效應(ying)，并且(qie)有着(zhe)較小(xiao)的正(zheng)交幹(gan)擾和(he)同相(xiang)幹擾(rao)；采用(yong)正弦(xian)📐波勵(li)磁方(fang)案，可(ke)以很(hen)好地(di)控制(zhi)極化(hua)現象(xiang)産生(sheng)，并有(you)着良(liang)好的(de)抗噪(zao)能力(li)；采用(yong)低😘頻(pin)矩形(xing)波勵(li)磁方(fang)案，兼(jian)❌顧直(zhi)流勵(li)磁和(he)正弦(xian)波勵(li)磁的(de)優點(dian)，因此(ci)🤞應用(yong)廣泛(fan)。
　　本文(wen)采取(qu)低頻(pin)矩形(xing)波勵(li)磁方(fang)案。可(ke)導電(dian)的流(liu)體切(qie)割磁(ci)感線(xian)，從而(er)在電(dian)極上(shang)會有(you)電動(dong)勢産(chan)生，但(dan)是電(dian)壓十(shi)❤️分弱(ruo)，流量(liang)傳感(gan)💃器的(de)輸出(chu)信号(hao)會受(shou)工頻(pin)幹擾(rao)，帶來(lai)較☔低(di)的信(xin)噪比(bi)，特别(bie)是在(zai)導電(dian)液體(ti)流速(su)較低(di)的情(qing)形下(xia)，有效(xiao)的流(liu)🐉量信(xin)号可(ke)能完(wan)全被(bei)💜噪聲(sheng)信号(hao)覆蓋(gai)。本文(wen)在采(cai)取低(di)頻矩(ju)形波(bo)勵磁(ci)條件(jian)下，在(zai)現有(you)信号(hao)處理(li)方法(fa)的基(ji)礎上(shang)，采取(qu)巴特(te)沃斯(si)帶阻(zu)濾波(bo)☔信号(hao)處理(li)方法(fa)，可以(yi)有效(xiao)消除(chu)50HZ的工(gong)💛頻幹(gan)擾［2］，以(yi)此來(lai)提高(gao)流量(liang)傳感(gan)器輸(shu)出信(xin)号的(de)信噪(zao)比，并(bing)在MSP430上(shang)實現(xian)，可有(you)效處(chu)理水(shui)流量(liang)信号(hao)。通過(guo)标準(zhun)表标(biao)定實(shi)驗，擁(yong)有較(jiao)爲理(li)想的(de)測量(liang)精度(du)和重(zhong)複性(xing)。
1　帶阻(zu)濾波(bo)方法(fa)
1.1　算法(fa)原理(li)及推(tui)導
　　流(liu)量傳(chuan)感器(qi)的輸(shu)出信(xin)号和(he)被測(ce)導電(dian)液體(ti)的流(liu)速之(zhi)間存(cun)在🏃🏻‍♂️一(yi)定的(de)線性(xing)關系(xi)。在理(li)想條(tiao)件下(xia)，采用(yong)低頻(pin)矩形(xing)波勵(li)磁方(fang)式時(shi)，從流(liu)量傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)，頻率(lü)和勵(li)磁電(dian)流♉相(xiang)同，并(bing)且輸(shu)出信(xin)号的(de)幅值(zhi)和導(dao)電液(ye)體的(de)流速(su)之間(jian)成比(bi)例關(guan)系。但(dan)是，實(shi)際中(zhong)，流量(liang)傳🔆感(gan)器的(de)輸出(chu)信号(hao)會受(shou)到多(duo)種噪(zao)聲的(de)幹擾(rao)，經常(chang)會摻(chan)雜着(zhe)如微(wei)分幹(gan)擾、串(chuan)共模(mo)幹✌️擾(rao)、同相(xiang)幹擾(rao)等幹(gan)擾，使(shi)流量(liang)信号(hao)和噪(zao)☀️聲不(bu)能很(hen)好分(fen)離，可(ke)用方(fang)程（1）表(biao)示［3］：

　　式(shi)中，BDV是(shi)模拟(ni)流量(liang)信号(hao)。通過(guo)對流(liu)量傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)進行(hang)🈲分析(xi)，可以(yi)發現(xian)輸出(chu)信号(hao)有着(zhe)較寬(kuan)的頻(pin)率範(fan)圍，所(suo)以采(cai)用常(chang)規的(de)低✉️通(tong)濾波(bo)很難(nan)将噪(zao)聲去(qu)除。針(zhen)對流(liu)量傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)的特(te)點，利(li)用現(xian)有的(de)模拟(ni)濾波(bo)器設(she)計公(gong)式，實(shi)現巴(ba)特沃(wo)斯帶(dai)阻🌈濾(lü)波器(qi)的👌設(she)計，其(qi)系統(tong)傳遞(di)函數(shu)可以(yi)表示(shi)爲：

　　因(yin)此，設(she)計巴(ba)特沃(wo)斯帶(dai)阻濾(lü)波器(qi)的實(shi)質就(jiu)是要(yao)明确(que)帶寬(kuan)，并确(que)定階(jie)數N，在(zai)MATLAB中完(wan)成濾(lü)波器(qi)的設(she)計，并(bing)找出(chu)系數(shu)B、a，使其(qi)滿足(zu)預設(she)的技(ji)術要(yao)求。
1.2　濾(lü)波器(qi)實現(xian)
　　電磁(ci)流量(liang)計的(de)頻率(lü)輸出(chu)範圍(wei)由實(shi)際應(ying)用場(chang)景決(jue)✊定，本(ben)💁文假(jia)設其(qi)範圍(wei)0～100HZ。依據(ju)奈奎(kui)斯特(te)抽樣(yang)定理(li)，爲了(le)無失(shi)真地(di)☂️恢複(fu)出采(cai)樣信(xin)👣号，取(qu)樣頻(pin)率爲(wei)采樣(yang)頻率(lü)✉️的2倍(bei)，即200HZ。爲(wei)了去(qu)除50HZ工(gong)頻幹(gan)擾，選(xuan)✉️取49HZ的(de)下🔴限(xian)截止(zhi)頻率(lü)；選取(qu)51HZ的上(shang)🏃‍♂️限截(jie)止頻(pin)率；折(she)疊頻(pin)率爲(wei)采樣(yang)頻率(lü)的1/2，取(qu)Ｍ＝100；對通(tong)帶頻(pin)率作(zuo)歸一(yi)化處(chu)📱理，取(qu)Ｗｐ

　　衰減(jian)取值(zhi)3dB，即ｐ＝3；阻(zu)帶頻(pin)率取(qu)值20dB，即(ji)s=20；确定(ding)階數(shu)N和截(jie)止頻(pin)率WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最(zui)後确(que)定巴(ba)特沃(wo)斯帶(dai)阻濾(lü)波器(qi)，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過(guo)MATLAB，設計(ji)出巴(ba)🌈特沃(wo)斯帶(dai)阻濾(lü)🔞波器(qi)［6］，再繪(hui)制巴(ba)特沃(wo)斯帶(dai)阻濾(lü)波器(qi)的幅(fu)頻響(xiang)應曲(qu)📧線和(he)相頻(pin)響應(ying)曲線(xian)，如圖(tu)1所示(shi)：

2　MATLAB仿真(zhen)
　　爲了(le)驗證(zheng)信号(hao)處理(li)算法(fa)的可(ke)行性(xing)，需在(zai)MATLAB中模(mo)拟工(gong)業現(xian)場下(xia)的傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)。因爲(wei)從流(liu)量傳(chuan)感器(qi)獲取(qu)🏃🏻的電(dian)壓信(xin)号十(shi)分弱(ruo)，尤其(qi)在導(dao)電液(ye)體流(liu)速較(jiao)🏃‍♂️小的(de)情形(xing)下，有(you)用信(xin)号可(ke)能會(hui)淹沒(mei)在各(ge)種噪(zao)聲中(zhong)。所以(yi)在MAT-LAB仿(pang)👅真時(shi)，要參(can)考實(shi)際環(huan)境下(xia)輸出(chu)信号(hao)，模拟(ni)的傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)，要摻(chan)雜着(zhe)工頻(pin)幹擾(rao)、同相(xiang)幹擾(rao)💔、白噪(zao)聲等(deng)幹擾(rao)。在導(dao)電液(ye)體的(de)流速(su)小于(yu)1ｍ/ｓ情形(xing)下，流(liu)量傳(chuan)感器(qi)🔴能獲(huo)取到(dao)的電(dian)壓小(xiao)于10ｍV。本(ben)文采(cai)用取(qu)低頻(pin)👅矩形(xing)波勵(li)磁的(de)勵磁(ci)🚶‍♀️方案(an)，選取(qu)50HZ工頻(pin)的🤩1/8作(zuo)勵磁(ci)頻率(lü)，即6.25HZ。因(yin)此，本(ben)🈚文模(mo)拟輸(shu)出信(xin)号：

　　式(shi)（3）中，等(deng)号右(you)邊的(de)各項(xiang)依次(ci)表示(shi)所需(xu)的流(liu)量信(xin)号、工(gong)頻幹(gan)擾💋、零(ling)🌏漂、白(bai)噪聲(sheng)。産生(sheng)的信(xin)号如(ru)圖2所(suo)示。
通(tong)過MATLAB，對(dui)模拟(ni)的傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)進行(hang)巴特(te)沃斯(si)帶阻(zu)🐉濾波(bo)♻️，從圖(tu)3中可(ke)以看(kan)出噪(zao)聲在(zai)一定(ding)程度(du)上被(bei)消除(chu)，具體(ti)哪🈚種(zhong)噪聲(sheng)被去(qu)除，可(ke)以通(tong)過對(dui)信号(hao)作傅(fu)裏葉(ye)變換(huan)，得到(dao)相應(ying)的頻(pin)🈲譜。使(shi)用㊙️巴(ba)特沃(wo)斯帶(dai)阻濾(lü)波器(qi)濾波(bo)前後(hou)的對(dui)比結(jie)果如(ru)圖3所(suo)示。


　　分(fen)别對(dui)上一(yi)步濾(lü)波前(qian)後的(de)信号(hao)進行(hang)ＦＦＴ變換(huan)，得到(dao)頻譜(pu)圖，這(zhe)一步(bu)是通(tong)過MATLAB實(shi)現的(de)，濾波(bo)前後(hou)的頻(pin)譜對(dui)比如(ru)圖4所(suo)示。
　　通(tong)過MATLAB，對(dui)信号(hao)處理(li)算法(fa)進行(hang)仿真(zhen)，分别(bie)對濾(lü)波前(qian)後的(de)♈波形(xing)🔴圖⚽、頻(pin)譜圖(tu)進行(hang)對比(bi)，發現(xian)此濾(lü)波方(fang)法可(ke)以有(you)效㊙️濾(lü)除50HZ工(gong)頻幹(gan)擾，驗(yan)證✔️了(le)所設(she)計的(de)濾波(bo)方法(fa)的可(ke)行性(xing)。
3　基于(yu)MSP430的算(suan)法實(shi)現
3.1　系(xi)統硬(ying)件介(jie)紹
　　基(ji)于ＴＩ公(gong)司的(de)MSP430芯片(pian)，研制(zhi)了電(dian)磁流(liu)量計(ji)的變(bian)送器(qi)，此芯(xin)片🚶是(shi)💔16位超(chao)低功(gong)耗混(hun)合型(xing)微處(chu)理器(qi)［７］，并且(qie)具有(you)豐富(fu)的外(wai)設，方(fang)便系(xi)統功(gong)能擴(kuo)展。硬(ying)件原(yuan)理如(ru)圖5所(suo)示，由(you)前置(zhi)放大(da)調理(li)電路(lu)、勵磁(ci)電👣路(lu)、電流(liu)信号(hao)輸出(chu)電💜路(lu)、脈沖(chong)信号(hao)輸出(chu)電路(lu)、LCD顯示(shi)、鍵盤(pan)、RS232模塊(kuai)、開關(guan)電源(yuan)構成(cheng)。前置(zhi)放大(da)調理(li)電路(lu)主要(yao)完成(cheng)對電(dian)極信(xin)号的(de)放大(da)、V/F轉換(huan)等功(gong)能，電(dian)流輸(shu)出模(mo)塊實(shi)現4～20ｍA電(dian)流輸(shu)出，脈(mo)沖輸(shu)出模(mo)塊實(shi)現脈(mo)沖量(liang)的輸(shu)出，LCD和(he)按🥵鍵(jian)用于(yu)配置(zhi)和顯(xian)示流(liu)量相(xiang)關參(can)數🈚，RS232用(yong)于通(tong)訊，開(kai)關電(dian)源用(yong)于給(gei)系統(tong)提供(gong)直流(liu)電壓(ya)。


3.2　系(xi)統軟(ruan)件設(she)計
　　本(ben)系統(tong)軟件(jian)設計(ji)模塊(kuai)化的(de)，都是(shi)由主(zhu)監控(kong)程序(xu)調用(yong)🔴分配(pei)。軟件(jian)部分(fen)主要(yao)包括(kuo)：初始(shi)化模(mo)塊、通(tong)信模(mo)塊、Watchdog模(mo)塊、信(xin)号處(chu)理模(mo)塊、驅(qu)動🐇模(mo)塊等(deng)。總體(ti)框架(jia)如圖(tu)6所示(shi)。

　　通過(guo)MSP430控制(zhi)驅動(dong)模塊(kuai)産生(sheng)勵磁(ci)電流(liu)，以此(ci)激勵(li)流量(liang)傳感(gan)器的(de)勵磁(ci)線圈(quan)，從而(er)将導(dao)電液(ye)體的(de)流量(liang)信号(hao)🌍轉換(huan)爲微(wei)弱的(de)電動(dong)勢，再(zai)對其(qi)進行(hang)放大(da)調理(li)、整流(liu)濾波(bo)和偏(pian)置調(diao)整，最(zui)後送(song)到AD652進(jin)行V/F采(cai)樣［8］。在(zai)本文(wen)設計(ji)的電(dian)磁流(liu)量計(ji)中，采(cai)用帶(dai)阻濾(lü)波的(de)方法(fa)對信(xin)号進(jin)❌行實(shi)時處(chu)理，得(de)到流(liu)量信(xin)号的(de)幅值(zhi)，再結(jie)合儀(yi)表的(de)相應(ying)參數(shu)，将幅(fu)值轉(zhuan)換成(cheng)需要(yao)☂️的流(liu)量信(xin)号，再(zai)通過(guo)Modbus将流(liu)量信(xin)息傳(chuan)送😘至(zhi)上位(wei)機。
3.3　實(shi)驗結(jie)果
　　通(tong)過水(shui)流量(liang)标定(ding)實驗(yan)驗證(zheng)帶阻(zu)濾波(bo)算法(fa)的可(ke)行性(xing)。标💘定(ding)方法(fa)有标(biao)準表(biao)标定(ding)法和(he)稱重(zhong)标定(ding)法，采(cai)取🔴标(biao)準表(biao)标定(ding)法，将(jiang)被測(ce)表的(de)測量(liang)結果(guo)和标(biao)準表(biao)的測(ce)量結(jie)果進(jin)行比(bi)較。結(jie)合相(xiang)關的(de)參數(shu)，計算(suan)出系(xi)統的(de)測量(liang)精度(du)和重(zhong)複性(xing)，實驗(yan)結果(guo)如表(biao)1所示(shi)。

　　從上(shang)述實(shi)驗結(jie)果可(ke)知，在(zai)頻率(lü)是6.25HZ的(de)矩形(xing)波勵(li)磁下(xia)，在流(liu)量範(fan)圍是(shi)20～200ｍ3/ｈ的條(tiao)件下(xia)，得到(dao)電磁(ci)流量(liang)計的(de)測量(liang)精度(du)高于(yu)0.4％，達到(dao)了工(gong)業測(ce)量要(yao)求。
4　結(jie)語
　　本(ben)文主(zhu)要針(zhen)對電(dian)磁流(liu)量計(ji)的50HZ工(gong)頻幹(gan)擾，提(ti)出采(cai)用巴(ba)特沃(wo)斯帶(dai)阻濾(lü)波的(de)信号(hao)處理(li)方法(fa)。爲了(le)驗證(zheng)濾波(bo)算法(fa)的㊙️可(ke)行性(xing)，并測(ce)試🐉電(dian)磁流(liu)量計(ji)的測(ce)量精(jing)度，采(cai)用标(biao)準表(biao)标定(ding)法進(jin)行了(le)水流(liu)量标(biao)定。

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