摘要:針對電磁流量計測量信號復(fù)雜而微弱,導(dǎo)致失真和干擾信號被放大的問題。依據(jù)低頻矩形波勵磁方式下電磁流量計的工作原理和流量與信號的基本關(guān)系,提出了一種基波平均值信號預(yù)處理方法,經(jīng)過分析和試驗證明可以提高抗干擾能力和動態(tài)響應(yīng)，在量程范圍內(nèi)，測量精度達到0.25%.
工業(yè)計量過程中常用電磁流量計來計量管道液體流量,測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，隨著電磁流量計的發(fā)展，勵磁方式也得到不斷的改進,現(xiàn)行的電磁流量計中,低頻矩形波勵磁方式是設(shè)計人員主要采用的方法.這種勵磁周期為工頻的整數(shù)倍，正負矩形波勵磁技術(shù),明顯提高了電磁流量計的抗干擾能力和測量精度.但是對信號處理方法的不同，將使電磁流量計的靜動態(tài)流量測量性能有所差異.理想的信號處理方法應(yīng)保持基本原理上的純線性和快速響應(yīng)特性"
1.一般電磁流量計的信號處理方式
電磁流量計的基本原理如圖1所示,理想測量方程為叫
式中:C為儀表常數(shù);B為感應(yīng)磁場強度;D為傳感器管逍直徑;V為流體流速;
式(1)表示電磁流量計產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢eab與流體流速V呈線性關(guān)系，但在實際的電磁流量計工作過程中發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)的電勢信號上總是疊加了一系列的干擾信號.這些干擾信號的來源主要有工頻干擾:包括串模和共模干擾，數(shù)字電路產(chǎn)生的高頻干擾;微分噪聲,同相噪聲,低頻有色噪聲干擾.電磁流.量計信號處理方式的發(fā)展就是圍繞克服以上干擾噪聲,有效地放大感應(yīng)信號而發(fā)展.
現(xiàn)在很多電磁流量計的信號處理方法采用了電容隔離法,電容隔離法是將零點漂移近似作為直流.處理的一種方法,即通過電容耦合來隔離零點漂移干擾，實現(xiàn)對感應(yīng)電勢信號的提取.放大處理.基本電路如圖2.
信號通過輸人端差動放大器A1,A2抑制共模干擾,經(jīng)過電容C1,C2耦合后由A3放大K倍,于圖3中的T/2時刻前采樣保持,經(jīng)A6放大后,實現(xiàn)輸出uo=2Kneab,Ka為整機放大倍數(shù).這種方法結(jié)構(gòu)簡單,在電路原理上容易實現(xiàn),對高頻干擾可以起到有效的抑制作用,但是抗干擾能力特別差,信號放大后,輸出非常不穩(wěn)定.主要原因是由于共模干擾的影.響和隔離電容無法隔離零點漂移等并非真正直流的低頻分量的影響.因此為了穩(wěn)定信號值,只有提高采樣保持電容C3,C4.參數(shù),對信號處理的輸出級加大濾波的時間常數(shù).表面上看儀表的輸出穩(wěn)定了,但卻加大了信號對于流體流速變化的響應(yīng)時間.所以,這種方法一般只適用于勵磁周期在8倍以上工頻周期.的情況.
在電容隔離法基礎(chǔ)上,應(yīng)用零點漂移法.基線控制法"等信號處理方法都能在一定程度上克服電容隔離法的不足,抑制干擾,提高動態(tài)響應(yīng)速度和線性度.
2基波平均值轉(zhuǎn)換的信號處理方法
如上所述,電容隔離法或補償電路不能很好解決感應(yīng)信號失真和干擾信號被放大等問題.經(jīng)過大量實驗和對國外電磁流量計的研究,本文提出一種基波平均值轉(zhuǎn)換的信號處理方法，基于e(t)與峰值、平均值、有效值成正比關(guān)系，對信號進行濾波并采用基波平均值處理轉(zhuǎn)換的方法，可以有效提高電.磁流量計抗干擾的能力.結(jié)構(gòu)框圖如圖4.
傳感器輸出流量信號十分微弱,為幾十微伏的交流信號,并疊加了多種頻率的噪聲干擾，表示為
式中,前兩項為信號基波和諧波,后四項為干擾噪聲(包括零均值噪聲、共模噪聲、微分噪聲、同相干擾).
信號是對稱方波脈沖形式,幅值為幾十微伏,脈沖寬度50ms,周期200ms,脈沖占空比為0.5,整機放大倍數(shù)2200倍.信號預(yù)處理電路為帶通濾波器,主要消除諧波和零均值噪聲.式(2)中
微分噪聲在一定的流體介質(zhì)下,產(chǎn)生的誤差為系統(tǒng)誤
差,可以由信號調(diào)理電路末級的微分噪聲補償電路校準去除。
可以忽略。共模干擾雖然可以通過提高電路的共模抑制比來消除，但實際上由于元器件的溫度系數(shù)分散性較大,因此不可能使共模放大倍數(shù)Kc等于零,如采用圖2的方法,初級為雙端輸人單端輸出,則共模電壓e在中間級主放大器A3處會被放大K3倍,這樣會影響后級的信號處理，采用新的方法提高CMRR,根據(jù)差動放大電路的特點,在第一、第二級采用四運放,差動信號為雙端輸出,不經(jīng)合并直接進人下一級.將第三級設(shè)計為增益是1的低通濾波電路,此信號處理方法可以使ec不被放大,從而避免影響整機信號.按CMRR為100dB計算,由于采用了新的處理方式，差動流速信號放大系數(shù)為Kd=1,所以計算得Ke=10-5,即整機信號調(diào)理電路可以將共模干擾信號衰減105倍.對于由電極對地形成的干擾有如下關(guān)系”，
式中:Rj為勵磁線圈對電極的絕緣電阻;Rs為傳感器感應(yīng)信號內(nèi)阻;r為傳感器接地電阻;E勵磁電壓;當(dāng)E=24V時,共模干擾電壓ec=5mV,經(jīng)衰減105倍后只有0.05μV,此干擾電壓對輸出不會有影響.通過實驗證明,CMRR做得很高時,應(yīng)用此方法抗干擾能力的確很強。
該電磁流量計已經(jīng)得到應(yīng)用,并依據(jù)JJG198-94《速度式流量計檢定規(guī)程》,利用質(zhì)量法水標準裝置,對采用基波平均值信號預(yù)處理電路的電磁流量計進行檢定,重復(fù)性誤差為0.1%,基本誤差為0.25%,線性度0.3%,檢測結(jié)果如表1.
3結(jié)語
本文主要探討了電磁流量計在低頻矩形波勵磁下的信號處理方法,并介紹了在信號預(yù)處理過程中,基波平均值法可以滿足小信號放大調(diào)理的苛刻要求.電磁流量計還有其他信號處理方式，但都無法脫離濾波、噪聲抑制等技術(shù)問題，同時產(chǎn)品化過程中還必須考慮電路屏蔽措施、熱電勢、接點處理方法和接地、裝配工藝等對信號處理電路的影響,這樣才能從根本上提高動態(tài)響應(yīng)和儀表精度.
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