摘要:電磁(ci)流量計
是(shi)一種應用(yong)廣泛的測(ce)量導電液(ye)體體積流(liu)量的儀表(biao)。測量時🙇♀️,金(jin)屬電極與(yu)電解質會(hui)發生電化(hua)學反應,産(chan)生極化✍️噪(zao)聲。極化噪(zao)聲幅值遠(yuan)高于流量(liang)信号幅值(zhi),使電🎯極輸(shu)出信号信(xin)噪比較低(di);極化噪聲(sheng)存在漂移(yi)的現象,會(hui)影響電磁(ci)流量計變(bian)送器的㊙️信(xin)号調理工(gong)作,限制電(dian)路的放大(da)倍數,增加(jia)ADC采樣位數(shu)電路成本(ben)、功耗等。對(dui)此,提出了(le)一種基于(yu)前饋控制(zhi)的自适👌應(ying)極化噪聲(sheng)抵消方案(an)，設計了相(xiang)應的信号(hao)調理電路(lu)🎯,通過硬件(jian)電路實時(shi)提取和抵(di)消極化噪(zao)聲極大地(di)提高了電(dian)極輸出信(xin)号信噪💃🏻比(bi)。通過試驗(yan),驗證了🐉該(gai)方案不但(dan)能有效濾(lü)除💞極化噪(zao)聲,而且能(neng)提高信号(hao)調理電路(lu)的放大倍(bei)數、減少ADC的(de)采樣位數(shu)減少電路(lu)的💯成本和(he)功耗。
0引言(yan)
電磁流量(liang)計是一種(zhong)根據法拉(la)第電磁感(gan)應定律測(ce)量導電液(ye)體🥵體積流(liu)量的儀表(biao),廣泛應用(yong)于石油、化(hua)工、冶金、造(zao)紙等行業(ye)⁉️。信号測量(liang)時,傳感器(qi)電極拾取(qu)流量信号(hao)和噪聲信(xin)号㊙️。流量信(xin)号幅值一(yi).般爲幾十(shi)到數百微(wei)伏。而噪聲(sheng)信号中的(de)極化噪聲(sheng)存在漂移(yi)🤟的現象,幅(fu)值一般在(zai)幾毫伏到(dao)數百毫伏(fu)區間變化(hua),也有可能(neng)達到🔞數伏(fu)"。兩者幅值(zhi)的巨大差(cha)異以及極(ji)化噪聲無(wu)法通過良(liang)好的🈲接地(di)或者🥰改變(bian)勵磁的方(fang)式消除,極(ji)大地影響(xiang)了信噪比(bi)。
爲了提高(gao)電磁流量(liang)計傳感器(qi)輸出信号(hao)的信噪比(bi)，目前👣，國内(nei)外主要有(you)四種解決(jue)方案。
①極化(hua)噪聲補償(chang)的方案。根(gen)據極化噪(zao)聲緩慢變(bian)化的🔞特🙇🏻點(dian),采用不勵(li)磁時段極(ji)化噪聲來(lai)補償勵磁(ci)時段的極(ji)化噪聲。但(dan)🤞是,由于極(ji)😍化噪聲的(de)不規律性(xing),會導緻電(dian)磁流量計(ji)的零點較(jiao)差。
②低通濾(lü)波反饋的(de)方案[2]。根據(ju)極化噪聲(sheng)所處的頻(pin)帶略低于(yu)流量信号(hao)的特點,采(cai)用一階低(di)通濾波器(qi)提取極化(hua)噪聲,并進(jin)行反饋🍉補(bu)償。但是,低(di)通濾波器(qi)的過渡帶(dai)很寬,會使(shi)流量信号(hao)出現畸變(bian)的現象。因(yin)此，該方案(an)被用在瞬(shun)态勵磁中(zhong),尚未應用(yong)于商用儀(yi)表。
③采用精(jing)度高的模(mo)數轉換器(qi)(analogtodigitalconverter,ADC)的方案。利(li)用32位精度(du)高的模數(shu)轉換器直(zhi)接采集信(xin)号,然後通(tong)過數字信(xin)号處理方(fang)法提取出(chu)流量信号(hao)。但該方案(an)增加了程(cheng)序的複雜(za)性。同時,精(jing)度高的模(mo)數轉換器(qi)的分辨率(lü)與采樣率(lü)成反比。因(yin)此，.爲了保(bao)證較高的(de)分❤️辨率,隻(zhi)能使用很(hen)低的勵磁(ci)頻率。
④阈值(zhi)控制的偏(pian)置調節方(fang)法”。當信号(hao)超過設定(ding)的阈值🏃♀️時(shi),數字信号(hao)處理器(digitalsignalprocessor,DSP)控(kong)制數模轉(zhuan)換器(digitaltoanalogconverter,DAC)模塊(kuai)輸出偏置(zhi)調節🔞電壓(ya)🔞,将傳感器(qi)輸出信号(hao)調整到0附(fu)近。但這種(zhong)調節方法(fa)會使流量(liang)信号💔産生(sheng)一個跳變(bian)，對後🍉續的(de)梳狀帶通(tong)濾波造成(cheng)影響💘,導緻(zhi)輸出信号(hao)出現間斷(duan)性錯誤。
爲(wei)此,極化噪(zao)聲産生的(de)具體原因(yin)及分布特(te)性,提出🏃🏻前(qian)饋控制的(de)自适應極(ji)化噪聲抵(di)消方案。基(ji)于該方👄案(an)，電磁流‼️量(liang)計變送器(qi)中的信号(hao)調理電路(lu);并用調理(li)電路替換(huan)課題組研(yan)制的電磁(ci)流量計變(bian)送器中的(de)調理電路(lu),形成一套(tao)完整的電(dian)磁流量計(ji)變送器🏃🏻♂️,進(jin)行驗證試(shi)驗。
1噪聲分(fen)析
極化噪(zao)聲主要源(yuan)于電極與(yu)電解質的(de)電化學反(fan)應。金屬🔴電(dian)極帶電的(de)正離子逐(zhu)漸溶解于(yu)所測量的(de)電解質流(liu)體,自身帶(dai)負電荷,緻(zhi)使電解質(zhi)流體中的(de)正負電荷(he)中心發🌏生(sheng)相對位移(yi),形成複雜(za)的電解雙(shuang)層結構。雙(shuang)電層之間(jian)産生-一個(ge)電場,從而(er)在電解質(zhi)流體和電(dian)極之間形(xing)成電位差(cha)。這個電位(wei)💃🏻差就是極(ji)化電勢。若(ruo)兩電極🌂結(jie)構完全相(xiang)同,則極化(hua)電勢會相(xiang)互抵消。但(dan)由于兩電(dian)極表面的(de)結構差異(yi),極化電勢(shi)會由共模(mo)電壓轉爲(wei)差模電壓(ya),并耦合在(zai)📧信号.上。該(gai)極✏️化電勢(shi)被認爲是(shi)直流分量(liang)[1,460而且,電極(ji)表面上✌️的(de)灰塵或放(fang)電離子等(deng)沉積物📱會(hui)随着時間(jian)的推移緩(huan)慢累積。當(dang)有流動的(de)電解質流(liu)體出現或(huo)電解質流(liu)體🏃♂️流速⛱️發(fa)生變化時(shi),這些累積(ji)的沉積物(wu)會被慢慢(man)撕開。在這(zhe)一✌️-過程中(zhong),極化電勢(shi)大小會發(fa)生🌂随機變(bian)化,形成漂(piao)移的極化(hua)電壓”。極化(hua)電壓的大(da)小在一定(ding)⛷️程度上取(qu)決于電極(ji)的制作材(cai)料🥰和所測(ce)量的電解(jie)質流體的(de)性質;同時(shi),也受溫度(du)的影響。
爲(wei)了研究極(ji)化噪聲的(de)特性,研制(zhi)了對電極(ji)輸出信号(hao)進行放大(da)和高頻濾(lü)波的信号(hao)調理電路(lu)1。配合原有(you)的❓變送⁉️器(qi),針🙇🏻對口徑(jing)爲40mm的電磁(ci)流量傳感(gan)器,采集濾(lü)除高🌏頻且(qie)放大的電(dian)🚶極輸出信(xin)号,并進行(hang)頻譜分析(xi)。其中,勵磁(ci)頻率爲12.5Hz,水(shui)流量爲20m'/h,采(cai)樣頻率爲(wei)1500Hz,采樣時間(jian)爲200s。信号調(diao)理電路1輸(shu)出信号及(ji)頻譜如圖(tu)1所示。
觀察(cha)信号調理(li)電路的輸(shu)出信号可(ke)以發現:電(dian)極輸㊙️出👨❤️👨信(xin)号🧡經過信(xin)号調理電(dian)路放大後(hou)存在嚴重(zhong)的漂移現(xian)象,信号累(lei)積的漂移(yi)量達到了(le)1.2V,遠大于70mV左(zuo)右的流量(liang)信👌号(流速(su)爲1m/s信号幅(fu)值約爲100μV,流(liu)量爲20m/h時流(liu)速爲4.44m/s,信号(hao)幅值約爲(wei)444μV,放大170倍後(hou)約爲🔴75.5mV;70mV爲觀(guan)測結果)。而(er)該結📧果僅(jin)僅是将電(dian)極輸出信(xin)☀️号放大了(le)170倍。當放大(da)倍數✔️更大(da)時,如果任(ren)由電極輸(shu)出信✨号發(fa)生漂移,那(na)麽放大器(qi)輸出信号(hao)很可能達(da)到飽和,ADC的(de)供電電壓(ya)會達到5V,導(dao)緻ADC無法正(zheng)常工作。
爲(wei)了觀察流(liu)量信号與(yu)極化噪聲(sheng)的頻段分(fen)布,将290000點信(xin)号去均值(zhi)後,從4096點開(kai)始，等距取(qu)60段,每段4096點(dian),分别作4096點(dian)的快速傅(fu)裏葉變換(huan)(fastFouriertransform,FFT),并求出其(qi)平均幅值(zhi)譜,如圖1(b)所(suo)示。由圖1(b)可(ke)以看出:極(ji)🏃♂️化噪聲以(yi)直流噪聲(sheng)爲主,主要(yao)分布于零(ling)頻附近的(de)低頻區域(yu),幾乎不與(yu)流量信号(hao)頻段重疊(die)。當勵磁頻(pin)率爲2.5~5Hz'[8]，可以(yi)用一個過(guo)渡帶特性(xing)較陡的高(gao)階低通濾(lü)波器來提(ti)取極化噪(zao)聲。
2極化噪(zao)聲抵消方(fang)案
2.1抵消原(yuan)理
根據極(ji)化噪聲的(de)特性,同時(shi)考慮到硬(ying)件系統處(chu)理噪聲更(geng)具實時性(xing)與可靠性(xing),提出一種(zhong)基于前饋(kui)控制的自(zi)适應極化(hua)噪聲抵❤️消(xiao)方案,并用(yong)硬件實現(xian)。噪🔱聲抵消(xiao)方法原📱理(li)如圖⁉️2所示(shi)。
最後,在軟(ruan)件中通過(guo)梳狀帶通(tong)濾波和幅(fu)值解調等(deng)信号處理(li)方法,濾除(chu)工頻幹擾(rao)和微分幹(gan)擾，就可以(yi)得到🌈流速(su)值。
2.2.硬件電(dian)路研制
根(gen)據前饋控(kong)制的自适(shi)應極化噪(zao)聲抵消原(yuan)理,設計了(le)信号調理(li)🍓電路2,以實(shi)現極化噪(zao)聲的濾除(chu)。信号調理(li)電路2主要(yao)包⭐括前置(zhi)差分放大(da)電路、極化(hua)噪聲提取(qu)與抵消電(dian)路、低通濾(lü)波放大電(dian)路三部分(fen)。調理電路(lu)如圖3所示(shi)。
①前置差分(fen)放大電路(lu)。
前置差分(fen)放大電路(lu)主要實現(xian)信号的放(fang)大和共模(mo)🍓噪聲的抑(yi)制💛。電路采(cai)用具有高(gao)共模抑制(zhi)比、高增益(yi)精度、低失(shi)調漂移、低(di)增益漂移(yi)的精密儀(yi)用放大器(qi)。前置差分(fen)放大‼️電路(lu)如⛷️圖4所示(shi)。.
前置差分(fen)放大電路(lu)設計時要(yao)考慮後級(ji)電路電壓(ya)匹配🐉的問(wen)題。下級電(dian)路芯片供(gong)電電壓爲(wei)+5V,而前置差(cha)分放大電(dian)路輸出信(xin)号存🔞在負(fu)電壓。因此(ci),需要加入(ru)🤟直流基🔞準(zhun)。電極輸出(chu)信号中流(liu)量信号及(ji)其他噪聲(sheng)幅值遠小(xiao)于極化噪(zao)聲幅值。由(you)于檢測到(dao)的電極輸(shu)出信号中(zhong)極化噪聲(sheng)幅值最大(da)爲+200mV，電路放(fang)大4.1倍,那麽(me)放大器輸(shu)出的極化(hua)噪聲幅值(zhi)最大也隻(zhi)有+820mV。而電路(lu)直接加入(ru)了2.5V的參考(kao)電壓，足以(yi)将前置差(cha)分放大電(dian)路🙇♀️輸出信(xin)号由雙極(ji)性轉爲單(dan)極性。
②極化(hua)噪聲提取(qu)與抵消電(dian)路。
極化噪(zao)聲提取與(yu)抵消電路(lu)是爲了實(shi)現極化噪(zao)聲的提取(qu)、抵消和流(liu)量信号的(de)放大。電路(lu)分爲極化(hua)噪聲提取(qu)電路和噪(zao)聲✊抵消與(yu)放大電路(lu),分别由八(ba)階巴特沃(wo)斯低通濾(lü)波器和精(jing)密儀用放(fang)大器構成(cheng)。
極化噪聲(sheng)提取電路(lu)通過八階(jie)巴特沃斯(si)低通濾波(bo)器來提取(qu)極化噪聲(sheng)。此低通濾(lü)波器過渡(du)帶非常窄(zhai),其截🔱止頻(pin)率f。的大小(xiao)可以通過(guo)外接電容(rong)在1Hz~2kHz之間調(diao)節。當fiw=2f。時,信(xin)号增益爲(wei)-48dB,輸出信号(hao)衰減爲原(yuan)信号的1/251。當(dang)fw=3f時,信号增(zeng)益爲-76dB,輸出(chu)信号衰減(jian)🙇🏻爲原信号(hao)的1/6310。如設置(zhi)f。=1Hz,那麽輸出(chu)信号中完(wan)整保🤩留1Hz及(ji)以下頻段(duan)的信号,1~3Hz内(nei)的信号出(chu)現不✔️同程(cheng)度衰減,3Hz及(ji)以上信号(hao)被完全衰(shuai)減。由此就(jiu)可以通🔞過(guo)該八⛱️階低(di)頻濾波器(qi)濾除勵磁(ci)頻⚽率12.5Hz(6.25Hz.3.125Hz)及以(yi)上頻段的(de)信号,精确(que)提取出極(ji)化噪聲。
噪(zao)聲抵消與(yu)放大電路(lu)中,采用前(qian)置差分放(fang)大後的電(dian)極輸出信(xin)号減去低(di)通濾波器(qi)提取的極(ji)化噪聲,以(yi)實現極化(hua)噪聲的自(zi)适應抵消(xiao)。此時,經過(guo)噪聲抵消(xiao)後的信号(hao)中隻含有(you)🔴流量信号(hao)和高頻噪(zao)聲,而且高(gao)頻噪聲幅(fu)值小于🌈流(liu)量信号幅(fu)值,因此可(ke)以通過放(fang)大器實現(xian)信号的更(geng)高倍數放(fang)大。以口徑(jing)爲40mm的電磁(ci)流量傳感(gan)器爲例:當(dang)流速爲5m/s時(shi),檢測到流(liu)量信号峰(feng)峰值爲1mV;以(yi)10m/s爲流速上(shang)限📐，則流量(liang)信📧号峰峰(feng)值最大🔆爲(wei)2mV。由于ADC采用(yong)5V供電,考慮(lü)到芯片性(xing)能等因素(su),不可能♈将(jiang)流量信号(hao)完全放大(da)到芯片供(gong)電電壓範(fan)圍✊。對此,将(jiang)信号最大(da)放大到+4V,那(na)麽信号調(diao)理電路最(zui)大放大倍(bei)數可達4000倍(bei)。扣除前置(zhi)放大4.1倍,那(na)麽後兩級(ji)電路最大(da)可放大975倍(bei)。
③低通濾波(bo)放大電路(lu)。
低通濾波(bo)放大電路(lu)的主要目(mu)的是實現(xian)高頻噪聲(sheng)的濾除。
電(dian)極輸出信(xin)号經過自(zi)适應極化(hua)噪聲抵消(xiao)後,除了12.5Hz(6.25Hz3.125Hz)的(de)流🔞量信号(hao)外，還存在(zai)高頻噪聲(sheng)。高頻噪聲(sheng)進人ADC後,可(ke)能會造成(cheng)信号的🈲混(hun)疊。所以,需(xu)要采用低(di)通濾波器(qi)來濾除高(gao)頻噪聲。
低(di)通濾波放(fang)大電路如(ru)圖6所示，
低(di)通濾波放(fang)大電路采(cai)用兩級二(er)階巴特沃(wo)斯低通⭐濾(lü)波器級聯(lian)來構成四(si)階低通濾(lü)波器,其放(fang)大倍數爲(wei)10.9倍。考慮到(dao)能🔞更多地(di)保留流量(liang)信号的諧(xie)波，設置濾(lü)波器截止(zhi)頻率爲1.5kHz。
3驗(yan)證試驗
爲(wei)了驗證基(ji)于前饋控(kong)制的自适(shi)應極化噪(zao)聲抵消方(fang)法的效果(guo),設計了信(xin)号調理電(dian)路2,并替換(huan)本課題組(zu)研💔制的🈚電(dian)磁✨流量變(bian)送器中的(de)信号調理(li)電路;再匹(pi)配電磁流(liu)量傳感器(qi),組成了一(yi)個完整的(de)基于數字(zi)信号處理(li)器(digitalsignalprocessor,DSP)的電磁(ci)流量計🔴[8-0,。在(zai)容積法水(shui)流量标定(ding)裝置上進(jin)行了信号(hao)調理電路(lu)濾波🏃♀️試驗(yan)、電磁流量(liang)計水流量(liang)标定試驗(yan)和降ADC位數(shu)試驗。
3.1試驗(yan)裝置
試驗(yan)裝置由水(shui)流量标定(ding)裝置和數(shu)據采集系(xi)統組成,如(ru)圖7所示✂️。
圖(tu)7中:水流量(liang)标定裝置(zhi)的不确定(ding)度爲0.2%,電磁(ci)流量傳感(gan)器🤟口徑爲(wei)40mm,電磁流量(liang)變送器的(de)勵磁頻率(lü)爲12.5Hz。信号調(diao)理電路放(fang)大倍數🏃🏻♂️和(he)ADC位數可調(diao):在信号調(diao)理電路📐濾(lü)波試驗和(he)電😘磁流量(liang)計水流量(liang)标定試驗(yan)中放大👉倍(bei)數爲340倍✂️,ADC位(wei)數爲24位;在(zai)降ADC位數試(shi)驗中放大(da)倍數爲3500倍(bei),取24位ADC的高(gao)14位來模拟(ni)16位ADC。
3.2信号調(diao)理電路濾(lü)波試驗
爲(wei)驗證基于(yu)自适應極(ji)化噪聲抵(di)消方法的(de)信号調✊理(li)💔電路對極(ji)化噪聲的(de)消除效果(guo),在信号調(diao)理電路2輸(shu)人信号不(bu)斷✏️發生漂(piao)移的情況(kuang)下(如圖1(a)中(zhong)情況),通過(guo)上位機(采(cai)樣頻率1500Hz,采(cai)樣時長✨200s)采(cai)集流速爲(wei)5m/s(流速越大(da),極化噪聲(sheng)幅值越大(da))的信号調(diao)理電路👉2輸(shu)出信号🧡,并(bing)對其進行(hang)㊙️了頻譜分(fen)析。
信号調(diao)理電路2輸(shu)出信号及(ji)頻譜圖如(ru)圖8所示。
觀(guan)察信号調(diao)理電路2輸(shu)出信号,發(fa)現經過自(zi)适應極🔞化(hua)噪聲抵消(xiao)後,信号平(ping)穩分布于(yu)零點上下(xia),基本不存(cun)在漂移的(de)現❓象,如圖(tu)8(a)所示。
信号(hao)頻譜分析(xi)方法與圖(tu)1(b)噪聲分析(xi)時的相同(tong),即将290000點🙇♀️信(xin)号去👄基準(zhun)後,從4096點開(kai)始，等間距(ju)取60段,每段(duan)4096點,再🈲分别(bie)作4096點FFT,最後(hou)求出其平(ping)均幅值譜(pu),如圖8(b)所示(shi)。根據頻譜(pu)圖可以發(fa)⭐現:經過自(zi)适應極化(hua)噪聲抵消(xiao)後信号調(diao)理電🌈路2輸(shu)出信号中(zhong)基本不存(cun)在極✨化噪(zao)聲,隻🐕存在(zai)12.5Hz的流量📐信(xin)号。由此說(shuo)明,基于前(qian)饋控制的(de)自适應極(ji)化噪聲抵(di)消電路能(neng)有效濾除(chu)電極輸出(chu)信号中的(de)極化噪聲(sheng)。
3.3電磁流量(liang)計水流量(liang)标定試驗(yan)
爲了測試(shi)基于自适(shi)應極化噪(zao)聲抵消方(fang)法的信号(hao)調理電路(lu)2的實際效(xiao)果,進行了(le)容積法水(shui)流量标定(ding)試驗。标定(ding)試驗中,在(zai)流速🐕爲0.15~5m/s的(de)範圍内，共(gong)選取了6個(ge)标定點,并(bing)通過示值(zhi)誤差拟合(he)♊方法計算(suan)儀表系數(shu)"],然後驗證(zheng)了電磁流(liu)量計的精(jing)度。放大340倍(bei)24位ADC水流量(liang)标定試驗(yan)結果如表(biao)1所示。
由表(biao)1可知:在流(liu)速爲0.5~5m/s的範(fan)圍内,電磁(ci)流量計的(de)最大測量(liang)誤差都在(zai)+0.3%以内,重複(fu)性誤差均(jun)在0.1%以内,滿(man)足0.3級電磁(ci)流量計要(yao)求。該結果(guo)說明,采用(yong)該信号調(diao)理電路的(de)基于DSP的電(dian)磁流量🤩計(ji)具有很好(hao)的測量精(jing)度。同時,與(yu)放大倍數(shu)爲180倍的電(dian)磁流量計(ji)相比🤟，該設(she)計提高了(le)流量信号(hao)的放大倍(bei)數,可以實(shi)現更低流(liu)量的測量(liang),即可以🍓采(cai)用該方法(fa)來拓寬電(dian)磁流量計(ji)✂️的測量下(xia)限。
3.4降ADC位數(shu)試驗
當電(dian)路放大倍(bei)數較大時(shi)，流量信号(hao)幅值相應(ying)較高,對ADC分(fen)辨率的要(yao)求降低,這(zhe)樣就可以(yi)采用位數(shu)較低的ADC來(lai)實現🆚信号(hao)👈的測量。同(tong)時，降低ADC位(wei)數也将降(jiang)低電路的(de)成本。所以(yi)🌈,通過改變(bian)電路的放(fang)大倍數和(he)ADC采樣位數(shu)，并采用水(shui)流量标定(ding)試驗㊙️進行(hang)驗證。
電極(ji)輸出信号(hao)經過自适(shi)應極化噪(zao)聲抵消後(hou),信号調💁理(li)電路2最大(da)放大倍數(shu)可達4000倍。所(suo)以,可将信(xin)号調理電(dian)‼️路2的🈲放大(da)倍數由340倍(bei)提高至3500倍(bei)。普通DN40的電(dian)磁流量傳(chuan)感器流速(su)測量下限(xian)爲0.5m/s,通過上(shang)位機采集(ji)了放大3500倍(bei)的信号,發(fa).現流速0.5m/s時(shi)信号🛀🏻峰峰(feng)值約爲346.7mV,而(er)測量電壓(ya)範圍爲+5V的(de)16位ADC的分辨(bian)率爲153μV,足以(yi)識别信号(hao)。所以,采用(yong)了16位ADC。16位ADC有(you)效位數-一(yi)般在14~16位。爲(wei)了方便在(zai)同等條件(jian)下驗證效(xiao)果,不再重(zhong)新設計電(dian)👈路,而是在(zai)标定時取(qu)原有24位ADC的(de)高14位來模(mo)拟16位ADC的效(xiao)果👉。
在流速(su)爲0.5~5m/s的範圍(wei)内，共選取(qu)了5個标定(ding)點,并通過(guo)示🔞值誤差(cha)拟合方法(fa)計算出儀(yi)表系數。然(ran)後,驗證電(dian)磁♊流量☎️計(ji)的精度。放(fang)大3500倍、16位ADC水(shui)流量标定(ding)試驗結果(guo)如表2所示(shi)✔️。
由表2可知(zhi):在流速爲(wei)0.5~5m/s的範圍内(nei),電磁流量(liang)計的最大(da)測量誤差(cha)都在+0.3%以内(nei),重複性誤(wu)差均在0.1%以(yi)内,滿足0.3級(ji)電磁流量(liang)計要求。這(zhe)說明提出(chu)的基于硬(ying)件系統前(qian)饋控制的(de)自适應極(ji)化噪聲抵(di)✂️消方法能(neng)有效抵消(xiao)極化噪聲(sheng)🚶,可以将信(xin)号放大較(jiao)高的倍數(shu),從而有效(xiao)降低ADC的采(cai)樣位數,并(bing)減少成本(ben)。另外，濾除(chu)極化噪聲(sheng)後,放大的(de)電極輸出(chu)信号幅值(zhi)在電路中(zhong)不會超過(guo)+5V。這樣就可(ke)以将電路(lu)中芯✊片的(de)供電電壓(ya)降至+5V,以減(jian)小🐆電路功(gong)耗。
4結論
極(ji)化噪聲幅(fu)值遠高于(yu)流量信号(hao)幅值,會造(zao)成電極輸(shu)出信🚶号信(xin)♉噪比較低(di);同時，極化(hua)噪聲的漂(piao)移會限制(zhi)電路的放(fang)大倍數,增(zeng)加了ADC采樣(yang)位數、電路(lu)成本、功耗(hao)等。針對這(zhe)些🤞問題,通(tong)💜過對電極(ji)輸出信号(hao)采集與頻(pin)譜分析,研(yan)究了極🐪化(hua)噪聲的分(fen)布特性,發(fa)現漂移的(de)極化噪聲(sheng)🔱主要分布(bu)于零頻附(fu)近的低頻(pin)區域,基本(ben)不與信号(hao)頻段重疊(die)。
根據極化(hua)噪聲的分(fen)布特性,提(ti)出了一種(zhong)基于前饋(kui)控👨❤️👨制🐉的自(zi)适應極化(hua)噪聲抵消(xiao)方案,并用(yong)硬件系統(tong)實現。前置(zhi)差分放大(da)後的電極(ji)輸出信号(hao)經過一一(yi)個八階🔞低(di)通濾波器(qi),提取出其(qi)中的極化(hua)噪聲;然後(hou)以極化噪(zao)聲作爲前(qian)饋量,經過(guo)下級放大(da)器,用差分(fen)放大後的(de)電極輸出(chu)信号減去(qu)極化噪聲(sheng),以此實現(xian)❤️極化噪聲(sheng)的自适應(ying)抵消。
爲驗(yan)證該方案(an)的實際效(xiao)果,設計了(le)信号調理(li)電路2,配合(he)❄️課題組原(yuan)有的變送(song)器及DN40傳感(gan)器，在容積(ji)法水流量(liang)标定裝置(zhi)上進行了(le)試驗。信号(hao)調理電路(lu)濾波試驗(yan)結果表明(ming),該系統能(neng)夠有效消(xiao)除電極輸(shu)出信号中(zhong)的極💯化噪(zao)聲。電磁流(liu)量計水流(liu)量标定試(shi)驗結果表(biao)明,當信💛号(hao)調理電路(lu)放大340倍、ADC爲(wei)24位時,在流(liu)速爲0.5~5m/s的範(fan)圍内，流🔞量(liang)計的精度(du)爲0.3級。這說(shuo)明采用自(zi)适應極化(hua)噪聲抵消(xiao)方法的信(xin)号調理電(dian)路2能夠滿(man)足實際👉測(ce)量要求，且(qie)提高信号(hao)放大倍數(shu)可以實現(xian)更低流量(liang)的測量。降(jiang)ADC位數試驗(yan)結果表明(ming),将信号調(diao)理電路放(fang)大倍數提(ti)高至3500倍,同(tong)時用24位ADC的(de)高14位來模(mo)拟16位ADC,在流(liu)速爲0.5~5m/s的範(fan)圍内,流量(liang)🈲計的精度(du)可達0.3級。這(zhe)說明⭐基于(yu)前饋控制(zhi)的自适應(ying)極化噪聲(sheng)抵消方法(fa)可以🈲将信(xin)号放大較(jiao)高的倍數(shu),從而有效(xiao)降低ADC的采(cai)樣位數、芯(xin)片供電電(dian)🈲壓，以及電(dian)路成本和(he)功耗。
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