電磁(cí)流量計工作原理(li) 基于法拉第電磁(cí)感應定律,通過測(cè)量導電流體在⛷️磁(cí)✊場中的感應電動(dong)勢來推算流體流(liú)量。勵磁磁場、感應(yīng)電動勢采集電極(ji)、信号運算放大電(dian)路以及模數轉換(huàn)器都容易受到工(gong)作現場的電場和(hé)磁場輻射耦合,因(yin)此電磁耦合是流(liu)量💯測量中最主要(yào)的幹擾方式; 其次(cì)👨‍❤️‍👨被測液體的電化(hua)學反應和泥漿幹(gàn)擾是流量測量的(de)另一噪聲來源📐。
1. 1 微(wēi)分幹擾産生機理(lǐ)及對策 電磁流量(liàng)計中噪聲的産🌈生(sheng)機理及🈲對策
    在現(xian)行的 電磁流量計(ji) 設計中,低頻矩形(xing)波勵磁方式結合(he)了直流勵磁和交(jiao)流🐇勵✏️磁兩者的優(you)點, 成爲主要勵磁(ci)方式之一。在低頻(pin)勵磁方式下, 其幹(gàn)擾主要表現爲: 由(yóu)勵磁電流突變産(chan)🔱生的微分幹擾信(xin)号[ 1] 。理🌈想勵磁磁場(chǎng)信号爲低頻矩形(xing)波, 實際上随着勵(lì)磁電流變化 ( dI /dt)在磁(ci)場上産生微分幹(gan)擾信号, 随着電流(liú)的穩定, 幹擾信号(hào)随之消失, 因此同(tóng)✔️步采樣技術可以(yi)有效抑制微分幹(gàn)擾信号。實⛹🏻‍♀️際設計(ji)中, 模數轉化器使(shǐ)用 AD 公司的 24位 Sigma Delta模數(shù)轉化器 AD7714。 AD7714 可以分别(bié)采用硬件和軟件(jian)方式進行采😘樣開(kāi)始時間控制, 從而(ér)實現同步采樣。采(cai)用軟件方式時, 當(dang)控制寄存📱器中FSYNC位(wei)爲邏輯 1時, 模數轉(zhuǎn)換器處🏃‍♂️于複位狀(zhuàng)态🍉; 向該位寫邏輯(jí) 0時, 器件開始采樣(yàng)輸入✨信号。在應用(yong)中,低頻勵磁信号(hao)由 M SP430單片機内部定(dìng)時器産生, 同時産(chan)生采樣信号。如圖(tú) 1所示, 采樣開始時(shí)間滞後勵磁信号(hao)14 個周期。
1. 2 工頻串模(mo)幹擾産生機理及(jí)對策
    在電磁流量(liàng)計的工作現場存(cún)在大量工頻信号(hào), 疊加在勵磁回路(lù)、 電極、 前端放大器(qi)的工頻幹擾噪聲(shēng)對流量的準确🧑🏾‍🤝‍🧑🏼測(cè)量造成極大影響(xiǎng)。其中輻射耦合到(dao)勵磁🏃🏻‍♂️回路的工頻(pin)輻射磁場 (包括其(qí)諧波 )造成勵磁磁(ci)場波動,影響流量(liàng)測量。

    當流體流速(su)較小時, 工頻幹擾(rao)信号與有效流量(liang)信号在同一數量(liang)級, 嚴重影響測量(liàng)結果。已知工頻耦(ou)💃合噪聲基波頻率(lü)爲 50 Hz , 因此可以采用(yong)模拟或數字濾🏃‍♀️波(bō)器使✉️濾波器帶寬(kuan)限制在 50 Hz以内以抑(yi)制噪聲。在實際應(ying)用中使用 Sigma Delta模數✨轉(zhuan)換器 AD7714内部包含的(de)🏃🏻數字濾波模塊, 數(shu)字濾波器相對模(mó)拟濾波器除具有(you)靈活性高、參數設(she)置方便等特點之(zhī)外,還可以降低 A /D 轉(zhuan)❌換期間引入的噪(zào)聲。AD7714數字濾波器爲(wei) ( sinx /x )3低通濾波器, 其在(zai)頻域的傳遞函數(shu)爲:

式中: fs爲采樣頻(pín)率; AD7714采樣頻率爲 1912 kHz ; N爲(wei)濾波采樣個數; f 爲(wei)數字濾❓波器響應(ying)頻率。通過設定濾(lǜ)波采樣個數可🈲以(yi)改變數字濾波器(qì)👉的截止頻率和一(yī)次陷波頻率🥵。在本(běn)設計中綜合考慮(lü)模數轉換速度和(he)去除噪聲性能, 設(shè)置 N 值使濾波器截(jie)止頻率爲 50 Hz, 濾波器(qì)頻域響應如圖 2所(suo)示, 濾波器對工💁頻(pin) 50 Hz及其偶次諧波有(you)很好的抑制作用(yòng)。

    除使用數字濾波(bo)器外, 在 A /D輸入端設(she)置 RC模拟低通濾波(bō)器還可☀️以帶來其(qí)他作用。在實際測(cè)量觀察到的流量(liang)信号中存在尖✏️脈(mo)沖噪聲, 可能使模(mo)數轉換器飽和, 導(dao)緻數字☎️濾波器失(shi)效, 使🐪用模拟濾波(bō)器可以👉提前剔除(chú)這些信号。
1. 3 共模幹(gàn)擾、 串擾産生機理(li)及對策
    共模幹擾(rao)的産生主要是由(you)于電磁屏蔽缺陷(xian)、接地不良、雜散電(diàn)🔆容等引起返回電(dian)流不平衡。共模幹(gan)擾可能導緻電路(lu)某些參考電位變(bian)化, 是造成電磁流(liu)量計零點漂移的(de)原因之一; 同時共(gòng)模信号産生很高(gao)的輻射電場使電(dian)路的電磁兼容性(xìng)惡🌐化。串擾是由于(yú)印刷電路闆設計(jì)電磁兼容性考慮(lü)不足造成信号質(zhi)量下降, 特别是高(gao)速走線和模拟電(diàn)路易受到影響。對(duì)由共模幹擾信号(hao)導緻的參考電位(wèi)變化, 應用中流量(liang)電壓采用差分形(xing)式, 通過雙絞線送(song)入放大器, 前端放(fang)大器選💋用高共模(mo)抑制比、 低漂移、 高(gāo)🌈輸入阻抗的運放(fàng)⭐, 可以有效抑制共(gòng)模幹擾。
    此外, 電磁(cí)流量計電路闆設(she)計符合電磁兼容(róng)性要求降低串擾(rǎo)對信号的影響: 使(shǐ)用滿足功能要求(qiu)的速率💃盡可能低(dī)🔞的邏輯器件。選用(yòng)在邏輯狀态變換(huan)過程中💘輸入電流(liu)消耗更小的元件(jian)。盡可能選擇表🌈面(mian)封裝的元器件。合(hé)理安排元☔件布局(ju), 模拟與數字部分(fen)隔離,防止數字信(xìn)号影響模拟信号(hào)。适當配置去耦電(dian)容, 選擇合适的電(dian)容容🌈量, 去耦電容(róng)盡量靠近元器件(jian)♈。對于敏感信号回(hui)路, 如時🔞鍾信号、模(mo)拟輸入信号嚴格(gé)控制回路面積。鋪(pù)設地平面提供低(dī)阻抗信号回路, 加(jia)強屏蔽效果。
1. 4 其他(tā)幹擾對策
    電化學(xue)極化電動勢幹擾(rao)是被測液體中電(diàn)解質在感應🐉電場(chǎng)♌作用下在電極表(biao)面極化産生的, 是(shi)電磁✨流量計零點(dian)漂移的主要原因(yīn)之一。采用交流勵(li)磁方式可♻️以有效(xiào)地減小極化電動(dong)勢, 此🚶外在應用中(zhōng)微處理器運算時(shí)将兩次流量電壓(ya)采樣值相減, 這🏃🏻樣(yang)不但可以減小極(jí)化電動勢, 而且可(kě)以補償由共模幹(gan)擾帶來的零點漂(piao)移。
    泥漿幹擾是在(zài)測量泥漿、纖維漿(jiang)等固液兩相特性(xìng)液體時, 固體顆粒(lì)或者氣泡與電極(jí)發生摩擦, 在電極(ji)表💘面的🏃🏻‍♂️電化學電(dian)動勢突然變化, 電(dian)磁流量計傳感器(qì) 輸出信号輸出尖(jian)峰脈沖狀幹擾。在(zài)低頻勵磁情況下(xia), 泥漿✊幹擾産生的(de)尖脈沖數量級大(da), 極大地影響流量(liang)的準确測📧量,在實(shí)際設計中,采用多(duo)種信号處理混合(hé)方式抑制噪聲,信(xìn)号處理原理🚩如圖(tú) 3所示。

    流量計 正常(chang)運行時,尖峰脈沖(chòng)噪聲出現的概率(lü)小,被測液體流速(sù)不☀️會✌️在短時間内(nèi)變化,基于以上特(te)性,對流✏️量信号進(jìn)行限幅濾❄️波處❤️理(lǐ): 當前輸入信号相(xiang)對上周期輸💁入信(xìn)号超出噪聲容限(xiàn)範圍, 該信号被認(ren)爲是噪聲信号,不(bu)再進一步計算。滑(huá)動平均濾波是處(chù)🛀理流量信号經常(cháng)采用的信号處理(li)辦☎️法,可以有效🚶‍♀️降(jiàng)低采樣誤♊差🈲; 滑動(dong)平均濾波函數的(de)脈沖響💃應時間是(shi)受滑🔞動窗口數控(kòng)制🈲的, 如果能動态(tài)調整窗口數目,那(nà)麽響應速度就會(hui)大大提高;在應用(yong)中使用改進的滑(huá)動平均濾波函數(shu),通過響應時間控(kòng)制器控制滑動窗(chuāng)口數,當響應時間(jian)超過設定值時,将(jiāng)窗口數設置爲🔴1,使(shi)輸出信号迅速變(bian)化,獲得較好的動(dong)✨态性能。

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