電磁(ci)流量計工(gong)作原理 基(ji)于法拉第(di)電磁感應(ying)定律,通過(guo)測量導電(dian)流體在磁(ci)場中的感(gan)應電動勢(shi)來推算流(liu)體流量。勵(li)磁磁場、感(gan)應電動勢(shi)采集電極(ji)、信号運算(suan)放大電路(lu)以及模數(shu)轉換器都(dou)容易受到(dao)工作現場(chang)的電場和(he)磁場輻射(she)耦合,因此(ci)電磁耦合(he)是流量測(ce)量中最主(zhu)要的幹擾(rao)方式; 其次(ci)被測液體(ti)的電化學(xue)反應和泥(ni)漿幹擾是(shi)流量測量(liang)的另一噪(zao)聲來源。
1. 1 微(wei)分幹擾産(chan)生機理及(ji)對策 電磁(ci)流量計中(zhong)噪聲的産(chan)生機理及(ji)對策
    在現(xian)行的 電磁(ci)流量計 設(she)計中,低頻(pin)矩形波勵(li)磁方式結(jie)合了直流(liu)勵磁和💔交(jiao)流勵磁兩(liang)者的優點(dian), 成爲主要(yao)勵磁方式(shi)之一。在低(di)頻勵磁🛀🏻方(fang)式下, 其幹(gan)擾主要表(biao)現爲: 由勵(li)磁電流突(tu)變産生的(de)微分幹擾(rao)信号[ 1] 。理想(xiang)勵磁磁場(chang)信号爲🐇低(di)頻矩形波(bo), 實際上随(sui)着勵磁電(dian)流變化 ( dI /dt)在(zai)磁場上産(chan)生微分幹(gan)🈲擾信号, 随(sui)着電流的(de)穩定, 幹擾(rao)信号随🌂之(zhi)消失, 因此(ci)同步采樣(yang)技術可以(yi)有效抑制(zhi)微分幹擾(rao)信号。實♻️際(ji)設計中, 模(mo)數轉化器(qi)使用 AD 公司(si)的 24位 Sigma Delta模🈲數(shu)轉化器 AD7714。 AD7714 可(ke)以分别🌈采(cai)用硬件和(he)軟件方式(shi)進行采樣(yang)開始時間(jian)控制, 從而(er)實現同👣步(bu)采樣。采用(yong)軟件方💁式(shi)時, 當控制(zhi)寄存器中(zhong)FSYNC位爲邏輯(ji) 1時, 模數轉(zhuan)換器處于(yu)複位狀态(tai); 向該位寫(xie)邏輯 0時, 器(qi)件開始采(cai)樣輸入📐信(xin)号。在應用(yong)中,低頻勵(li)磁信号由(you) M SP430單片機内(nei)部定時🎯器(qi)産生, 同時(shi)産生采樣(yang)信号。如圖(tu) 1所示, 采樣(yang)開始時間(jian)滞後勵磁(ci)信号14 個💰周(zhou)期。
1. 2 工頻串(chuan)模幹擾産(chan)生機理及(ji)對策
    在電(dian)磁流量計(ji)的工作現(xian)場存在大(da)量工頻信(xin)号, 疊加在(zai)勵磁回路(lu)、 電極、 前端(duan)放大器的(de)工頻幹擾(rao)噪聲對流(liu)量的準确(que)測量造成(cheng)極大影響(xiang)。其中輻射(she)耦合到勵(li)磁回路的(de)工頻輻✨射(she)磁場 (包括(kuo)其諧波 )造(zao)成勵磁磁(ci)場波動,影(ying)響流量測(ce)量。

    當流體(ti)流速較小(xiao)時, 工頻幹(gan)擾信号與(yu)有效流量(liang)信号🎯在同(tong)一數♻️量級(ji), 嚴重影響(xiang)測量結果(guo)。已知工頻(pin)耦合噪聲(sheng)基波頻率(lü)爲 50 Hz , 因此可(ke)以采用模(mo)拟或數字(zi)濾波器使(shi)濾波器帶(dai)寬限制在(zai) 50 Hz以内以抑(yi)制噪聲。在(zai)實際應用(yong)中🔞使用 Sigma Delta模(mo)數轉換器(qi) AD7714内㊙️部包含(han)的數字濾(lü)波❤️模塊, 數(shu)字濾波器(qi)相對模👨‍❤️‍👨拟(ni)濾波器除(chu)💁具有靈活(huo)性高、參數(shu)設置方便(bian)等特點之(zhi)外,還可以(yi)降低 A /D 轉換(huan)期間引入(ru)的噪聲。AD7714數(shu)📱字濾波器(qi)爲 ( sinx /x )3低通濾(lü)波器, 其在(zai)頻域的傳(chuan)遞函數爲(wei):

式中: fs爲采(cai)樣頻率; AD7714采(cai)樣頻率爲(wei) 1912 kHz ; N爲濾波采(cai)樣個數; f 爲(wei)數字濾波(bo)器響應頻(pin)率。通過設(she)定濾波采(cai)樣個數可(ke)以改變數(shu)字濾波器(qi)💔的截止頻(pin)率和一次(ci)陷波頻率(lü)。在本設計(ji)中綜合考(kao)慮模數轉(zhuan)換速度和(he)去除噪聲(sheng)性能, 設置(zhi) N 值使濾波(bo)器截止頻(pin)率爲 50 Hz, 濾波(bo)器頻域響(xiang)😍應如圖 2所(suo)示, 濾波器(qi)對工📱頻 50 Hz及(ji)其偶次諧(xie)波有很好(hao)的抑制作(zuo)用。

    除使用(yong)數字濾波(bo)器外, 在 A /D輸(shu)入端設置(zhi) RC模拟低通(tong)濾波器💃🏻還(hai)可以💰帶來(lai)其他作用(yong)。在實際測(ce)量觀察到(dao)的☀️流量❓信(xin)号🥰中存在(zai)尖脈沖噪(zao)聲, 可能使(shi)模數轉換(huan)器飽和, 導(dao)緻數字濾(lü)波器失效(xiao), 使用模拟(ni)濾波器可(ke)以提前剔(ti)除這些信(xin)号💘。
1. 3 共模幹(gan)擾、 串擾産(chan)生機理及(ji)對策
    共模(mo)幹擾的産(chan)生主要是(shi)由于電磁(ci)屏蔽缺陷(xian)、接地不良(liang)、雜散電容(rong)等引起返(fan)回電流不(bu)平衡。共模(mo)幹擾可能(neng)導緻電路(lu)某些參考(kao)電位變化(hua), 是造成電(dian)磁流💚量計(ji)零點漂移(yi)的原因🚩之(zhi)一; 同時共(gong)模信号産(chan)生很高的(de)輻射電場(chang)使電路的(de)電磁兼容(rong)性惡化。串(chuan)擾是💘由于(yu)印刷電路(lu)闆設計電(dian)磁兼容性(xing)考慮不足(zu)造成✉️信号(hao)質量下降(jiang), 特别是高(gao)速走線和(he)模拟電路(lu)易受到影(ying)響。對👄由共(gong)模幹擾信(xin)号導緻的(de)參考電位(wei)變化, 應❌用(yong)中流量電(dian)壓采🙇🏻用差(cha)分形式, 通(tong)過雙絞線(xian)送入🏃‍♂️放大(da)器, 前端放(fang)大器選用(yong)高共💚模抑(yi)制比、 低漂(piao)移、 高㊙️輸入(ru)阻抗的運(yun)放, 可以有(you)效抑制共(gong)模幹擾。
    此(ci)外, 電磁流(liu)量計電路(lu)闆設計符(fu)合電磁兼(jian)容性要求(qiu)降低串擾(rao)對信号的(de)影響: 使用(yong)滿足功能(neng)要求的速(su)率盡可👄能(neng)低⛹🏻‍♀️的邏輯(ji)器件。選用(yong)在邏輯狀(zhuang)态變換過(guo)程中輸入(ru)電💛流消耗(hao)更小的元(yuan)件。盡可能(neng)選擇表面(mian)封裝的♊元(yuan)器件。合理(li)安排元件(jian)布局, 模拟(ni)與數字部(bu)分隔離,防(fang)🐪止數字信(xin)号影響模(mo)拟信👄号。适(shi)當配置去(qu)耦電容, 選(xuan)擇合适的(de)電容容量(liang), 去耦電容(rong)盡量靠♉近(jin)元器件。對(dui)于敏感信(xin)号回路, 如(ru)時鍾信号(hao)、模拟輸入(ru)信号嚴格(ge)控制回路(lu)面積。鋪設(she)地平面提(ti)供低阻抗(kang)信号回路(lu), 加強屏蔽(bi)效果。
1. 4 其他(ta)幹擾對策(ce)
    電化學極(ji)化電動勢(shi)幹擾是被(bei)測液體中(zhong)電解質在(zai)感✏️應電場(chang)作用下在(zai)電極表面(mian)極化産生(sheng)的, 是電磁(ci)流量計零(ling)點漂移的(de)主要原因(yin)之一。采用(yong)交流勵磁(ci)方式可以(yi)有效地減(jian)小極化電(dian)❗動勢, 此🔞外(wai)在應用中(zhong)微處理器(qi)運算時将(jiang)兩次流量(liang)電壓采樣(yang)值相減, 這(zhe)🔅樣不但可(ke)以減小極(ji)化電動勢(shi), 而且可以(yi)補償由共(gong)模幹擾帶(dai)來的零點(dian)漂移。
    泥漿(jiang)幹擾是在(zai)測量泥漿(jiang)、纖維漿等(deng)固液兩相(xiang)特性液體(ti)時, 固體顆(ke)粒或者氣(qi)泡與電極(ji)發生摩擦(ca), 在電極表(biao)面的電化(hua)學電♊動勢(shi)突然變化(hua), 電磁流量(liang)計傳感器(qi) 輸出信号(hao)輸出尖峰(feng)脈沖狀幹(gan)擾。在低頻(pin)勵磁情況(kuang)下, 泥漿幹(gan)擾産生的(de)尖脈沖數(shu)量級大, 極(ji)大地影響(xiang)流量的準(zhun)确測量,在(zai)⛹🏻‍♀️實際📐設計(ji)中,采用多(duo)種信号處(chu)理混合方(fang)式抑制噪(zao)聲,信号處(chu)理原理如(ru)圖 3所示。

    流(liu)量計 正常(chang)運行時,尖(jian)峰脈沖噪(zao)聲出現的(de)概率小,被(bei)測液體流(liu)🌈速不會在(zai)短時間内(nei)變化,基于(yu)以上特性(xing),對流量信(xin)号進行限(xian)😄幅濾波處(chu)理: 當前輸(shu)入信号相(xiang)對上周期(qi)輸🌈入信号(hao)超出噪聲(sheng)容限範圍(wei), 該信号被(bei)認爲🌏是噪(zao)聲信号,不(bu)再進一步(bu)計算。滑動(dong)平均濾波(bo)是處理流(liu)量信号經(jing)常采用的(de)信号處理(li)辦法,可以(yi)有效降低(di)采樣誤差(cha); 滑動平均(jun)濾波💋函數(shu)的脈沖響(xiang)應時間是(shi)受滑動窗(chuang)口🔞數控制(zhi)的, 如果能(neng)動态調整(zheng)窗口數目(mu),那麽響應(ying)速度就會(hui)大大提高(gao);在應用中(zhong)使用改進(jin)的滑🌈動平(ping)均濾波函(han)數,通🚶‍♀️過響(xiang)應時間控(kong)制器控制(zhi)滑動窗口(kou)數,當響應(ying)時間超過(guo)設定值時(shi),将窗口數(shu)設置爲1,使(shi)輸出信号(hao)迅速變化(hua),獲得較好(hao)的動态性(xing)💘能。

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