摘　要：采(cai)用帶阻濾波(bō)的信号處理(li)方法，處理低(dī)頻矩形波勵(li)磁下由傳感(gǎn)器輸出的信(xin)号，有效抑制(zhì)工頻幹擾。結(jié)果表明，系統(tǒng)測量精度優(yōu)于0.4％，達到了工(gōng)業測量标準(zhun)。
0　引言
　　電磁流(liú)量計 原理爲(wèi)法拉第電磁(cí)感應定律，主(zhu)要由流量常(chang)感器和變送(sòng)器🧑🏽‍🤝‍🧑🏻組成。電磁(ci)流量計有許(xǔ)多良好性能(neng)，如結構簡單(dan)、較強的耐腐(fu)蝕性、較高的(de)穩定性、較高(gāo)的精度等，在(zài)給供水、鋼鐵(tie)、石油、煤炭、化(hua)工、醫療、航海(hai)、農業灌溉等(deng)領域有着廣(guǎng)泛應用［1］。流🆚量(liàng)傳感器的主(zhu)要作🔴用是當(dāng)流經導管内(nèi)的導電液體(ti)做切割磁感(gǎn)線運動時，會(huì)産生電🐉動勢(shì)，将導電液✊體(tǐ)的體積流量(liang)轉換成需要(yao)的🔆電信号，再(zài)傳送給變送(song)器作進一步(bù)處理。變送器(qi)主要由勵磁(ci)電路、濾波電(dian)路、前置放大(dà)調整電路、采(cai)樣電路、電流(liú)信号輸出電(diàn)路及脈沖信(xìn)号輸出電路(lù)組成。
　　電磁流(liu)量技術的發(fā)展主要體現(xiàn)在勵磁方案(an)改進和信号(hao)處理算法優(you)化方面。電磁(cí)流量計的勵(lì)磁方💘案直接(jiē)決定了其抗(kàng)🥵幹擾🔴性能和(hé)零點的穩定(ding)性。信号處理(lǐ)的重點🤩是幹(gan)擾噪聲去除(chú)，其中主要的(de)幹擾是工頻(pín)幹🆚擾、同相幹(gan)擾、正交幹擾(rao)、極化現❗象、白(bai)噪聲幹擾和(hé)零點偏移。采(cǎi)用直流勵磁(cí)方案，将不會(huì)産生🤩渦流效(xiào)應，并且有着(zhe)較小的正交(jiao)幹擾和同相(xiàng)💘幹擾🧡；采用正(zhèng)弦波勵磁方(fāng)案，可以很好(hao)地控制極化(huà)現象💁産生，并(bing)有着良好的(de)🌏抗噪能力；采(cǎi)用低頻矩形(xíng)波勵♌磁方案(an)，兼顧直流勵(li)磁♉和正弦波(bō)勵磁的優點(dian)，因此應用廣(guang)泛。
　　本文采取(qu)低頻矩形波(bo)勵磁方案。可(ke)導電的流體(ti)切割磁🔱感線(xiàn)，從而在電極(ji)上會有電動(dòng)勢産生，但是(shì)電壓十♍分弱(ruò)⁉️，流量傳感器(qi)的輸出信号(hào)會受工頻幹(gàn)擾，帶來較低(dī)的信噪比，特(te)别是在導電(dian)液體流速較(jiao)低的情形下(xia)，有效的流量(liàng)信号可能完(wán)全被噪聲信(xìn)号👅覆蓋。本文(wen)在采取低頻(pín)矩形波勵磁(ci)條件下，在現(xiàn)有✔️信号處理(lǐ)方💃法🤩的基礎(chǔ)上，采取巴特(te)沃斯帶阻✏️濾(lü)波信号處理(li)方法，可以有(you)效消除50HZ的工(gōng)㊙️頻幹擾［2］，以此(ci)來提高流量(liàng)傳感器輸👉出(chu)信号的信噪(zào)比，并在MSP430上實(shi)現，可有效處(chu)理水流量信(xin)号。通過标準(zhun)表标定實驗(yàn)，擁🏃有較爲理(li)想的測量精(jing)度和重複性(xìng)。
1　帶阻濾波方(fang)法
1.1　算法原理(lǐ)及推導
　　流量(liàng)傳感器的輸(shū)出信号和被(bei)測導電液體(ti)的流速之間(jiān)✍️存在一定的(de)線性關系。在(zài)理想條件下(xià)，采用低頻矩(ju)形波勵磁方(fang)式時，從流量(liang)傳感器輸出(chu)信号，頻👌率和(he)勵磁電流相(xiàng)同，并且輸出(chū)信号的幅值(zhí)和導電液體(ti)的流速之間(jiān)成比例關系(xi)。但是，實際中(zhong)，流量傳感器(qì)的輸出信号(hào)會受到多種(zhǒng)噪聲的幹擾(rao)，經常會摻雜(za)着如微⭕分幹(gàn)擾、串共模幹(gàn)擾、同相幹擾(rǎo)等🌐幹擾，使流(liú)量信号和噪(zào)聲不能很好(hao)分離，可用方(fāng)程（1）表示㊙️［3］：

　　式中(zhōng)，BDV是模拟流量(liang)信号。通過對(dui)流量傳感器(qi)輸出信号進(jìn)行分析，可以(yǐ)發現輸出信(xìn)号有着較寬(kuan)的頻率範圍(wei)⛱️，所以💯采用📐常(chang)規的低通濾(lǜ)波很難将噪(zào)聲去除。針對(duì)流量傳感器(qi)輸出信号的(de)特點，利✌️用現(xian)有的模📱拟濾(lü)波器設計公(gōng)式，實現巴特(tè)📐沃斯帶阻濾(lü)波器的設計(jì)，其系統傳遞(di)函數可以表(biao)示爲：

　　因此，設(she)計巴特沃斯(si)帶阻濾波器(qi)的實質就是(shi)要明确帶寬(kuān)，并确定階數(shu)N，在MATLAB中完成濾(lǜ)波器的設計(jì)，并找出系數(shù)B、a，使👅其滿足預(yu)設的🏃‍♀️技術要(yào)求。
1.2　濾波器實(shi)現
　　電磁流量(liàng)計的頻率輸(shū)出範圍由實(shi)際應用場景(jǐng)決定✊，本文假(jiǎ)設✊其範圍0～100HZ。依(yi)據奈奎斯特(tè)抽樣定理，爲(wèi)了無失真地(di)恢複出采🏃🏻‍♂️樣(yang)信号，取樣頻(pin)率爲采樣頻(pin)率的2倍，即👉200HZ。爲(wèi)了去除50HZ工頻(pín)幹擾，選♊取49HZ的(de)下限截止頻(pín)率；選取51HZ的上(shang)限截止頻率(lǜ)；折疊頻率爲(wei)采樣頻率的(de)1/2，取🐅Ｍ＝100；對通帶頻(pin)率作歸一化(huà)處理，取Ｗｐ

　　衰減(jian)取值3dB，即ｐ＝3；阻帶(dài)頻率取值20dB，即(jí)s=20；确定階數N和(he)截止頻率WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最(zui)後📞确定巴特(te)沃斯帶阻濾(lü)波器，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過MATLAB，設(she)計出巴特沃(wo)斯帶🔞阻濾波(bo)器［6］，再繪制巴(ba)特沃斯帶阻(zǔ)濾波器的幅(fú)頻響應曲線(xian)和相頻響應(yīng)曲線，如圖1所(suo)示：

2　MATLAB仿真
　　爲了(le)驗證信号處(chù)理算法的可(kě)行性，需在MATLAB中(zhōng)模拟工業現(xiàn)場下的傳感(gan)器輸出信号(hao)。因爲從流量(liàng)傳感器獲取(qu)😍的電壓信号(hao)十分弱，尤其(qi)在導電液體(ti)流速較🌏小的(de)情形下，有♻️用(yòng)信号可能會(huì)淹沒在🥵各種(zhong)噪聲中。所以(yi)在MAT-LAB仿真時，要(yào)參考實際環(huán)境下輸出信(xin)号，模拟♻️的傳(chuán)感器輸出信(xin)号，要摻雜着(zhe)工頻幹🈲擾、同(tóng)相幹擾、白噪(zao)聲等幹擾🈲。在(zai)導電液體的(de)流速小于1ｍ/ｓ情(qing)形👌下，流量傳(chuán)感器能獲取(qǔ)到的電壓小(xiǎo)于10ｍV。本文采用(yòng)取低頻矩形(xing)波勵磁的勵(lì)磁💋方案，選取(qǔ)50HZ工頻的😄1/8作勵(li)磁頻率，即6.25HZ。因(yin)此，本文模拟(nǐ)輸出信号：

　　式(shi)（3）中，等号右邊(biān)的各項依次(cì)表示所需的(de)流量信号、工(gōng)頻幹擾、零🚩漂(piāo)、白噪聲。産生(sheng)的信号如圖(tú)2所示。
通過MATLAB，對(dui)模拟的傳感(gǎn)器輸出信号(hao)進行巴特沃(wo)斯帶阻濾波(bō)，從圖⛱️3中可以(yǐ)看出噪聲在(zài)一定程度上(shàng)被消🛀🏻除，具體(ti)哪種噪🔞聲被(bèi)去除，可以通(tong)過對信号作(zuò)傅裏葉變換(huàn)，得到相應的(de)頻譜。使用🏃🏻巴(ba)特沃⁉️斯帶阻(zu)濾波器濾波(bō)前🔞後的對比(bǐ)🌈結果如圖3所(suo)示。


　　分别對上(shang)一步濾波前(qian)後的信号進(jin)行ＦＦＴ變換，得到(dao)頻譜圖，這一(yī)步是通過MATLAB實(shí)現的，濾波前(qian)後的頻譜對(dui)比🔞如圖❓4所示(shi)。
　　通過MATLAB，對信号(hào)處理算法進(jìn)行仿真，分别(bie)對濾波前後(hòu)的波形圖、頻(pín)🤟譜圖進行對(duì)比，發現此濾(lü)波方法可以(yǐ)有效濾除50HZ工(gōng)頻幹擾，驗證(zhèng)了所設計的(de)濾波方法的(de)可行性。
3　基于(yú)MSP430的算法實現(xian)
3.1　系統硬件介(jie)紹
　　基于ＴＩ公司(si)的MSP430芯片，研制(zhi)了電磁流量(liang)計的變送器(qi)，此⛷️芯片是🙇‍♀️16位(wei)超低功耗混(hun)合型微處理(lǐ)器［７］，并且具有(you)豐富的外設(shè)，方便系統功(gong)能擴展。硬件(jiàn)原理如圖5所(suo)示，由前置放(fàng)大調理電路(lu)、勵磁電路、電(dian)流信号輸出(chū)電路、脈沖信(xin)号輸出電路(lù)、LCD顯示、鍵盤、RS232模(mo)塊、開♍關電源(yuan)構成。前置放(fàng)大調理電路(lù)主要完成對(dui)電極信号的(de)放大、V/F轉換等(děng)功能，電流輸(shu)出模塊實現(xiàn)4～20ｍA電流輸出，脈(mò)沖輸出模塊(kuài)實現脈沖量(liang)的輸出，LCD和按(àn)鍵用于配置(zhì)和顯💃示流量(liang)相關參數👄，RS232用(yong)于通訊，開關(guan)電🌈源用于給(gei)系統提供直(zhi)流電壓。


3.2　系統(tong)軟件設計
　　本(ben)系統軟件設(she)計模塊化的(de)，都是由主監(jiān)控程序調用(yong)分配🥰。軟🔅件部(bu)分主要包括(kuò)：初始化模塊(kuai)、通信模塊、Watchdog模(mó)塊🐇、信号處理(li)模塊🌍、驅動模(mó)塊等。總體框(kuàng)架如圖6所⛱️示(shi)。

　　通過MSP430控制驅(qu)動模塊産生(shēng)勵磁電流，以(yi)此激勵流量(liang)傳感🏃🏻‍♂️器🌈的勵(li)磁線圈，從而(er)将導電液體(tǐ)的流量信号(hào)轉換爲微弱(ruo)的電動勢，再(zai)對其進行放(fang)大調理、整流(liú)濾波和偏置(zhi)調整，最後🔞送(song)到AD652進行V/F采樣(yang)［8］。在本文設計(jì)的電磁流量(liàng)計中，采用帶(dài)阻濾波的方(fang)法💁對信号進(jìn)行實時處理(li)，得到流量信(xìn)号的幅值，再(zài)結合儀表的(de)相應參數，将(jiang)幅值轉換成(cheng)需要的流量(liàng)信号，再通過(guo)Modbus将流量信息(xī)傳送至上位(wèi)機。
3.3　實驗結果(guǒ)
　　通過水流量(liàng)标定實驗驗(yan)證帶阻濾波(bo)算法的可行(hang)性♊。标定方法(fǎ)有标準表标(biāo)定法和稱重(zhong)标定法，采取(qu)标準表标定(ding)法，将被測表(biao)的測量結果(guo)和标準表的(de)測量結果進(jin)行🔱比較。結合(he)相關🔱的參數(shù)🔴，計算出系統(tǒng)的測量精度(du)和重複性，實(shi)驗結果如表(biǎo)1所示。

　　從上述(shu)實驗結果可(kě)知，在頻率是(shì)6.25HZ的矩形波勵(lì)磁下，在流量(liang)範圍是20～200ｍ3/ｈ的條(tiao)件下，得到電(dian)磁流量計的(de)測量❗精度🔱高(gāo)于0.4％，達到了工(gōng)業測量要求(qiu)。
4　結語
　　本文主(zhǔ)要針對電磁(cí)流量計的50HZ工(gōng)頻幹擾，提出(chu)采用巴♊特沃(wo)斯帶阻濾波(bō)的信号處理(li)方法。爲了驗(yan)證濾波算法(fǎ)的可行性，并(bìng)💋測試電磁流(liu)量計的測量(liàng)精度，采用标(biao)準表标定法(fǎ)進行了水流(liú)量标🤩定。

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