電磁流(liu)量計工(gong)作原理(li) 基于法(fa)拉第電(dian)磁感應(ying)定律,通(tong)過測量(liang)導電流(liu)體在磁(ci)👈場中♻️的(de)感🏃‍♂️應電(dian)動勢來(lai)推算流(liu)體流量(liang)。勵磁磁(ci)場、感應(ying)電動勢(shi)采集電(dian)極、信号(hao)運算放(fang)大電路(lu)以及模(mo)數轉換(huan)器都容(rong)易受到(dao)工作現(xian)🔅場的電(dian)場和磁(ci)場輻射(she)耦合,因(yin)此電磁(ci)耦合是(shi)流量🚶測(ce)量中最(zui)✉️主要的(de)幹✔️擾方(fang)式; 其次(ci)被測液(ye)體的電(dian)化學反(fan)應和泥(ni)漿幹擾(rao)是流量(liang)測量的(de)另一噪(zao)聲來源(yuan)。
1. 1 微分幹(gan)擾産生(sheng)機理及(ji)對策 電(dian)磁流量(liang)計中噪(zao)聲的産(chan)生機理(li)及🍓對策(ce)
    在現行(hang)的 電磁(ci)流量計(ji) 設計中(zhong),低頻矩(ju)形波勵(li)磁方式(shi)結合了(le)直流勵(li)磁和交(jiao)㊙️流勵磁(ci)兩者的(de)優點, 成(cheng)爲主要(yao)勵磁方(fang)式之一(yi)。在低頻(pin)勵磁方(fang)式下, 其(qi)🍓幹擾主(zhu)要表現(xian)爲: 由勵(li)磁電流(liu)突變産(chan)❓生的微(wei)🔞分幹擾(rao)信号[ 1] 。理(li)想勵磁(ci)磁場信(xin)号爲低(di)頻矩形(xing)波, 實際(ji)上👈随着(zhe)勵磁電(dian)流變化(hua)🌏 ( dI /dt)在磁場(chang)上産生(sheng)微分幹(gan)擾信号(hao), 随着電(dian)流的穩(wen)定, 幹擾(rao)信号随(sui)之消失(shi), 因此🧑🏾‍🤝‍🧑🏼同(tong)步采樣(yang)技術可(ke)以有效(xiao)抑制微(wei)分幹擾(rao)信号。實(shi)際設計(ji)中, 模數(shu)🌈轉化器(qi)使用 AD 公(gong)司的 24位(wei) Sigma Delta模數轉(zhuan)化器 AD7714。 AD7714 可(ke)以分别(bie)采用硬(ying)件和軟(ruan)件方式(shi)進行采(cai)樣開始(shi)時間控(kong)制, 從而(er)實現同(tong)🌈步采樣(yang)。采用軟(ruan)件方🐪式(shi)時, 當控(kong)制寄存(cun)器中FSYNC位(wei)爲邏輯(ji) 1時, 模數(shu)轉換器(qi)處于複(fu)位狀态(tai)💋; 向該位(wei)寫邏輯(ji) 0時, 器件(jian)開始采(cai)樣輸入(ru)信号💁。在(zai)應用中(zhong),低頻勵(li)磁信号(hao)由 M SP430單片(pian)機内部(bu)定時器(qi)産生, 同(tong)⛱️時産生(sheng)采樣信(xin)号。如圖(tu) 1所示, 采(cai)樣開始(shi)時間滞(zhi)後勵磁(ci)信号14 個(ge)周期。
1. 2 工(gong)頻串模(mo)幹擾産(chan)生機理(li)及對策(ce)
    在電磁(ci)流量計(ji)的工作(zuo)現場存(cun)在大量(liang)工頻信(xin)号, 疊加(jia)❤️在勵磁(ci)回路、 電(dian)極、 前端(duan)放大器(qi)的工頻(pin)幹擾噪(zao)聲對流(liu)🔞量的準(zhun)确🏃🏻‍♂️測量(liang)造成極(ji)大影響(xiang)。其中輻(fu)射耦合(he)到勵磁(ci)回路的(de)工頻輻(fu)射磁場(chang) (包括其(qi)諧波 )造(zao)成勵磁(ci)磁場波(bo)動,影響(xiang)流量測(ce)量。

    當流(liu)體流速(su)較小時(shi), 工頻幹(gan)擾信号(hao)與有效(xiao)流量信(xin)号在🤟同(tong)一數量(liang)級, 嚴重(zhong)影響測(ce)量結果(guo)。已知工(gong)頻耦合(he)噪聲基(ji)波頻率(lü)爲 50 Hz , 因此(ci)可以采(cai)用模拟(ni)或數字(zi)濾波器(qi)使濾波(bo)器帶寬(kuan)限制在(zai) 50 Hz以内以(yi)抑制噪(zao)聲。在實(shi)際應用(yong)中使用(yong) Sigma Delta模數轉(zhuan)換器 AD7714内(nei)部包含(han)的數字(zi)濾波模(mo)塊, 數字(zi)濾波器(qi)相對模(mo)拟濾波(bo)器除具(ju)有靈活(huo)性🚶高、參(can)數設置(zhi)方💚便等(deng)特點之(zhi)外,還可(ke)以降低(di) A /D 轉㊙️換期(qi)間引入(ru)的噪聲(sheng)。AD7714數字濾(lü)波器爲(wei) ( sinx /x )3低通濾(lü)波器, 其(qi)在頻域(yu)的傳遞(di)函數爲(wei):

式中: fs爲(wei)采樣頻(pin)率; AD7714采樣(yang)頻率爲(wei) 1912 kHz ; N爲濾波(bo)采樣個(ge)數; f 爲✨數(shu)✂️字濾波(bo)器📐響應(ying)頻率。通(tong)過設定(ding)濾波采(cai)樣個數(shu)可以改(gai)變數字(zi)濾波器(qi)的截止(zhi)頻率和(he)一次陷(xian)波頻率(lü)🐇。在本設(she)計中綜(zong)合考慮(lü)模數轉(zhuan)換速度(du)和去除(chu)噪聲性(xing)能, 設置(zhi) N 值使濾(lü)波器截(jie)止頻率(lü)爲 50 Hz, 濾波(bo)器頻域(yu)響應如(ru)圖 2所示(shi), 濾波器(qi)對工頻(pin) 50 Hz及其偶(ou)次🛀🏻諧波(bo)有很好(hao)的抑制(zhi)作用。

    除(chu)使用數(shu)字濾波(bo)器外, 在(zai) A /D輸入端(duan)設置 RC模(mo)拟低通(tong)濾波器(qi)還🤞可以(yi)帶來其(qi)他作用(yong)。在實際(ji)測量觀(guan)察到的(de)流量☁️信(xin)号中存(cun)在尖脈(mo)沖噪聲(sheng), 可能使(shi)模數轉(zhuan)換器飽(bao)和, 導緻(zhi)數字濾(lü)波器失(shi)效, 使用(yong)模拟濾(lü)波器可(ke)以提前(qian)剔除這(zhe)些信号(hao)✍️。
1. 3 共模幹(gan)擾、 串擾(rao)産生機(ji)理及對(dui)策
    共模(mo)幹擾的(de)産生主(zhu)要是由(you)于電磁(ci)屏蔽缺(que)陷、接地(di)不良、雜(za)🌈散電容(rong)等引起(qi)返回電(dian)流不平(ping)衡。共模(mo)幹擾可(ke)能導緻(zhi)🐉電路某(mou)些參考(kao)電位變(bian)化, 是造(zao)成電磁(ci)流量計(ji)零點漂(piao)移的原(yuan)因✔️之一(yi); 同🏃‍♂️時共(gong)模信号(hao)産生很(hen)🌏高的輻(fu)射🍉電場(chang)使電路(lu)的電磁(ci)兼容性(xing)惡♻️化。串(chuan)擾是由(you)于印刷(shua)電路闆(pan)設計電(dian)磁兼容(rong)性考🎯慮(lü)不足造(zao)成👣信号(hao)質量下(xia)降, 特别(bie)是高速(su)走線和(he)模拟電(dian)路易受(shou)到影響(xiang)。對由共(gong)模🌈幹擾(rao)信号導(dao)緻的參(can)考電位(wei)變化, 應(ying)用中流(liu)量電壓(ya)采👨‍❤️‍👨用差(cha)分形式(shi), 通過雙(shuang)絞線送(song)入放大(da)器, 前端(duan)放大器(qi)選用高(gao)共模抑(yi)制比、 低(di)漂㊙️移、 高(gao)🔅輸入阻(zu)抗的運(yun)放🐕, 可以(yi)有效抑(yi)制共模(mo)幹擾。
    此(ci)外, 電磁(ci)流量計(ji)電路闆(pan)設計符(fu)合電磁(ci)兼容性(xing)要求降(jiang)低串💋擾(rao)對信号(hao)的影響(xiang): 使用滿(man)足功能(neng)要求的(de)速率盡(jin)可能低(di)的邏輯(ji)器🏃件。選(xuan)用在邏(luo)輯狀态(tai)變換過(guo)程中⭐輸(shu)入電流(liu)消耗🙇🏻更(geng)小的元(yuan)件。盡可(ke)能選擇(ze)表面封(feng)裝的元(yuan)器件。合(he)理安排(pai)元㊙️件布(bu)局, 模🥵拟(ni)與數字(zi)✨部分隔(ge)離,防🛀🏻止(zhi)數字信(xin)号影響(xiang)模拟信(xin)号。适當(dang)配置去(qu)耦電容(rong), 選擇合(he)适的電(dian)容容量(liang), 去耦電(dian)容盡量(liang)靠近元(yuan)器件。對(dui)于敏感(gan)信号回(hui)路, 如時(shi)鍾信号(hao)、模拟輸(shu)入信号(hao)嚴格控(kong)制回😘路(lu)面積。鋪(pu)設地平(ping)面提供(gong)低阻抗(kang)信号回(hui)路, 加強(qiang)屏蔽效(xiao)果。
1. 4 其他(ta)幹擾對(dui)策
    電化(hua)學極化(hua)電動勢(shi)幹擾是(shi)被測液(ye)體中電(dian)解質在(zai)感應電(dian)場作用(yong)下在電(dian)極表面(mian)極化産(chan)生的, 是(shi)電磁💘流(liu)量計零(ling)點漂移(yi)的主要(yao)原因之(zhi)一。采用(yong)交流勵(li)磁方式(shi)可💁以有(you)效地減(jian)小極化(hua)電動勢(shi), 此外在(zai)應用中(zhong)微處理(li)器運算(suan)時将兩(liang)次流量(liang)電壓采(cai)樣值相(xiang)減, 這樣(yang)不但可(ke)以減小(xiao)極化電(dian)動勢, 而(er)且可以(yi)補償由(you)共模幹(gan)擾帶來(lai)的零點(dian)漂移。
    泥(ni)漿幹擾(rao)是在測(ce)量泥漿(jiang)、纖維漿(jiang)等固液(ye)兩相特(te)性液㊙️體(ti)時, 固體(ti)顆粒或(huo)者氣泡(pao)與電極(ji)發生摩(mo)擦, 在電(dian)極表面(mian)的電化(hua)🙇‍♀️學電動(dong)勢突然(ran)變化, 電(dian)磁流量(liang)計傳感(gan)器 輸出(chu)信号輸(shu)出尖峰(feng)脈沖狀(zhuang)幹擾。在(zai)低頻勵(li)磁情況(kuang)下, 泥漿(jiang)幹擾産(chan)生的尖(jian)脈沖數(shu)量級大(da), 極大地(di)影響☂️流(liu)量的準(zhun)确測量(liang),在💯實際(ji)設計中(zhong),采用多(duo)種信号(hao)處理混(hun)合方式(shi)抑制噪(zao)聲,信号(hao)處理原(yuan)理🏃🏻如圖(tu) 3所示。

    流(liu)量計 正(zheng)常運行(hang)時,尖峰(feng)脈沖噪(zao)聲出現(xian)的概率(lü)小,被測(ce)液體流(liu)速不會(hui)在短時(shi)間内變(bian)化,基于(yu)以上特(te)性,對流(liu)量信号(hao)進行限(xian)幅濾波(bo)處理: 當(dang)前輸入(ru)信号相(xiang)對上周(zhou)期輸入(ru)信号😘超(chao)出噪聲(sheng)容限範(fan)圍, 該信(xin)号被認(ren)爲是噪(zao)聲信号(hao),不再進(jin)一步計(ji)算。滑動(dong)平均濾(lü)波是處(chu)🔆理流量(liang)信号⭐經(jing)常采用(yong)的🐉信号(hao)處理辦(ban)法,可以(yi)有效🌈降(jiang)低采樣(yang)誤差; 滑(hua)動平均(jun)濾波函(han)數的脈(mo)沖響應(ying)時💁間是(shi)受滑動(dong)窗口✍️數(shu)控制的(de), 如果能(neng)動态調(diao)整窗口(kou)數目,那(na)麽響應(ying)速度就(jiu)會大大(da)提高;在(zai)應用中(zhong)使用改(gai)進的滑(hua)動平均(jun)濾波函(han)數,通⛷️過(guo)響應時(shi)間控制(zhi)器控制(zhi)滑動窗(chuang)口數🛀🏻,當(dang)響應時(shi)間超過(guo)設定值(zhi)時,将窗(chuang)口數設(she)置爲1,使(shi)輸出信(xin)号迅㊙️速(su)變化,獲(huo)得較好(hao)的動🈲态(tai)性能。

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