摘　要：采(cai)用帶阻(zu)濾波的(de)信号處(chu)理方法(fa)，處理低(di)頻矩形(xing)波勵磁(ci)下由傳(chuan)感器輸(shu)出的信(xin)号，有效(xiao)抑制工(gong)頻幹擾(rao)🔴。結果表(biao)明，系統(tong)🌈測量⚽精(jing)度優于(yu)0.4％，達到了(le)工業測(ce)量标準(zhun)。
0　引言
　　電(dian)磁流量(liang)計 原理(li)爲法拉(la)第電磁(ci)感應定(ding)律，主要(yao)由流量(liang)常感器(qi)和⁉️變⛹🏻‍♀️送(song)器組成(cheng)。電磁流(liu)量計有(you)許多良(liang)好性能(neng)，如結構(gou)簡單、較(jiao)強的耐(nai)腐蝕性(xing)、較高的(de)穩定性(xing)、較高的(de)精度等(deng)，在給供(gong)水、鋼鐵(tie)、石☁️油、煤(mei)炭🏃‍♂️、化工(gong)、醫療、航(hang)海、農業(ye)灌溉等(deng)領💚域有(you)着廣泛(fan)應用［1］。流(liu)量傳感(gan)器☔的主(zhu)要作用(yong)是當流(liu)經導管(guan)内的導(dao)電液體(ti)做切割(ge)磁感線(xian)運動時(shi)，會産生(sheng)電🆚動勢(shi)，将導電(dian)液體的(de)體積流(liu)量轉換(huan)成需要(yao)的電信(xin)号，再傳(chuan)送給變(bian)送器💛作(zuo)進一步(bu)處理。變(bian)送器主(zhu)要由勵(li)磁電路(lu)、濾波電(dian)路、前置(zhi)放大調(diao)整電路(lu)、采樣電(dian)路、電流(liu)信号輸(shu)出電路(lu)及脈沖(chong)信号輸(shu)💜出電路(lu)組成。
　　電(dian)磁流量(liang)技術的(de)發展主(zhu)要體現(xian)在勵磁(ci)方案改(gai)進和信(xin)号🈲處理(li)🔴算法優(you)化方面(mian)。電磁流(liu)量計的(de)勵磁方(fang)案直接(jie)決定了(le)其抗幹(gan)擾⛷️性能(neng)和零點(dian)的穩定(ding)性。信号(hao)處理🌐的(de)重點是(shi)幹擾✏️噪(zao)聲去除(chu)，其中☁️主(zhu)要的幹(gan)擾是工(gong)頻幹擾(rao)、同相幹(gan)擾、正交(jiao)幹擾、極(ji)化現象(xiang)、白噪聲(sheng)幹擾和(he)零點偏(pian)移。采用(yong)直流勵(li)磁方案(an)，将不會(hui)産生渦(wo)流效應(ying)，并且有(you)着較小(xiao)的正交(jiao)幹擾和(he)同相幹(gan)擾；采用(yong)正弦波(bo)勵磁方(fang)案，可以(yi)很好地(di)控制極(ji)化現象(xiang)産生，并(bing)有着良(liang)好的抗(kang)噪能力(li)；采用低(di)頻矩形(xing)波勵磁(ci)方案，兼(jian)顧直流(liu)勵磁和(he)正弦波(bo)勵磁的(de)優點，因(yin)此應用(yong)廣泛。
　　本(ben)文采取(qu)低頻矩(ju)形波勵(li)磁方案(an)。可導電(dian)的流體(ti)切割❤️磁(ci)感線，從(cong)而在電(dian)極上會(hui)有電動(dong)勢産生(sheng)，但是電(dian)壓十分(fen)弱，流量(liang)傳感器(qi)的輸出(chu)信号會(hui)受工頻(pin)幹擾，帶(dai)來較低(di)的信噪(zao)比，特别(bie)是在🧑🏾‍🤝‍🧑🏼導(dao)電液體(ti)流速較(jiao)低的情(qing)形下，有(you)效的流(liu)量信号(hao)可能完(wan)全被噪(zao)聲信号(hao)覆蓋。本(ben)文在采(cai)取低頻(pin)矩形波(bo)勵磁條(tiao)件下，在(zai)現有信(xin)号處理(li)方‼️法的(de)基礎上(shang)，采取巴(ba)特沃斯(si)帶阻濾(lü)波信号(hao)處理方(fang)法，可以(yi)有效消(xiao)除50HZ的工(gong)頻幹擾(rao)［2］，以此來(lai)提高流(liu)量傳感(gan)器輸出(chu)信号的(de)信噪比(bi)，并在MSP430上(shang)實現‼️，可(ke)有效處(chu)理水流(liu)量信号(hao)。通過标(biao)準表标(biao)定實🔴驗(yan)，擁有較(jiao)爲理想(xiang)的測量(liang)精度🆚和(he)重複性(xing)。
1　帶阻濾(lü)波方法(fa)
1.1　算法原(yuan)理及推(tui)導
　　流量(liang)傳感器(qi)的輸出(chu)信号和(he)被測導(dao)電液體(ti)的流速(su)之間存(cun)⛷️在😘一定(ding)的線性(xing)關系。在(zai)理想條(tiao)件下，采(cai)用低頻(pin)矩形波(bo)勵磁方(fang)式時，從(cong)流量傳(chuan)感器輸(shu)出信号(hao)，頻🆚率和(he)勵磁電(dian)流♉相同(tong)，并且輸(shu)出信号(hao)的幅值(zhi)和導電(dian)液體的(de)流速之(zhi)間成比(bi)例關系(xi)。但是，實(shi)際中，流(liu)量傳🌈感(gan)器的輸(shu)出♉信号(hao)會受到(dao)多種噪(zao)聲的幹(gan)擾，經常(chang)會✍️摻雜(za)着如微(wei)分幹擾(rao)、串共模(mo)幹擾、同(tong)相幹擾(rao)等幹擾(rao)，使流量(liang)信号和(he)噪🔆聲不(bu)能🌏很好(hao)分離，可(ke)用方程(cheng)（1）表示［3］：

　　式(shi)中，BDV是模(mo)拟流量(liang)信号。通(tong)過對流(liu)量傳感(gan)器輸出(chu)信号進(jin)行分析(xi)，可以發(fa)現輸出(chu)信号有(you)着較寬(kuan)的頻率(lü)範圍，所(suo)以🍓采用(yong)常規💰的(de)低通濾(lü)波很難(nan)将噪聲(sheng)去除。針(zhen)對流量(liang)傳感器(qi)輸出信(xin)号的特(te)點，利🛀用(yong)現有的(de)模拟濾(lü)波器🔅設(she)計公式(shi)，實現巴(ba)特沃斯(si)帶阻濾(lü)波器的(de)設計，其(qi)系統傳(chuan)遞函數(shu)可以表(biao)示爲：

　　因(yin)此，設計(ji)巴特沃(wo)斯帶阻(zu)濾波器(qi)的實質(zhi)就是要(yao)明确帶(dai)寬，并确(que)定階數(shu)N，在MATLAB中完(wan)成濾波(bo)器的設(she)計，并找(zhao)出系數(shu)B、a，使♋其滿(man)足預設(she)的技術(shu)要求。
1.2　濾(lü)波器實(shi)現
　　電磁(ci)流量計(ji)的頻率(lü)輸出範(fan)圍由實(shi)際應用(yong)場景決(jue)定，本文(wen)假設其(qi)範圍0～100HZ。依(yi)據奈奎(kui)斯特抽(chou)樣定理(li)，爲了無(wu)失真地(di)恢複出(chu)采樣信(xin)号，取樣(yang)頻率爲(wei)采樣頻(pin)率的2倍(bei)，即200HZ。爲了(le)去除50HZ工(gong)頻幹擾(rao)，選取49HZ的(de)下限截(jie)止頻率(lü)；選取51HZ的(de)上⛱️限截(jie)止頻率(lü)；折疊頻(pin)率爲采(cai)樣頻率(lü)的1/2，取⁉️Ｍ＝100；對(dui)通帶頻(pin)率作歸(gui)一化處(chu)理，取Ｗｐ

　　衰(shuai)減取值(zhi)3dB，即ｐ＝3；阻帶(dai)頻率取(qu)值20dB，即s=20；确(que)定階數(shu)N和截止(zhi)頻率👨‍❤️‍👨WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最(zui)後确🐇定(ding)巴特沃(wo)斯帶阻(zu)濾波器(qi)，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過MATLAB，設(she)計出巴(ba)特沃斯(si)帶阻濾(lü)😘波器⛱️［6］，再(zai)繪制巴(ba)特沃斯(si)帶阻濾(lü)波器的(de)幅頻響(xiang)應曲線(xian)和相頻(pin)響應曲(qu)線，如🛀圖(tu)1所示：

2　MATLAB仿(pang)真
　　爲了(le)驗證信(xin)号處理(li)算法的(de)可行性(xing)，需在MATLAB中(zhong)模拟工(gong)業現❌場(chang)下的傳(chuan)感器輸(shu)出信号(hao)。因爲從(cong)流量傳(chuan)感器獲(huo)取的電(dian)壓信号(hao)十分弱(ruo)🌈，尤其在(zai)導電液(ye)體流速(su)較小的(de)情🏒形下(xia)，有用信(xin)号可能(neng)會淹沒(mei)在各種(zhong)噪聲中(zhong)。所以在(zai)MAT-LAB仿真時(shi)，要參考(kao)實際環(huan)境下輸(shu)出🌍信号(hao)，模拟的(de)傳感器(qi)輸出信(xin)号，要摻(chan)雜着工(gong)頻幹擾(rao)、同相幹(gan)擾、白噪(zao)聲等幹(gan)🌈擾✏️。在導(dao)電液體(ti)的流速(su)小于1ｍ/ｓ情(qing)形下，流(liu)量傳感(gan)器能獲(huo)取🏃🏻‍♂️到的(de)電壓小(xiao)于10ｍV。本文(wen)采用取(qu)低頻矩(ju)🏃‍♂️形波勵(li)磁的勵(li)磁方案(an)，選取50HZ工(gong)頻的1/8作(zuo)勵磁頻(pin)率，即6.25HZ。因(yin)此，本文(wen)模拟輸(shu)出🈲信号(hao)：

　　式（3）中，等(deng)号右邊(bian)的各項(xiang)依次表(biao)示所需(xu)的流量(liang)信号、工(gong)頻幹擾(rao)、零漂、白(bai)噪聲。産(chan)生的信(xin)号如圖(tu)2所示。
通(tong)過MATLAB，對模(mo)拟的傳(chuan)感器輸(shu)出信号(hao)進行巴(ba)特沃斯(si)帶阻⁉️濾(lü)🏃‍♀️波💔，從圖(tu)3中可以(yi)看出噪(zao)聲在一(yi)定程度(du)上被消(xiao)除，具🏒體(ti)哪種噪(zao)🈲聲被去(qu)除，可以(yi)通過對(dui)信号作(zuo)傅裏葉(ye)變換🚩，得(de)到相應(ying)的頻譜(pu)。使用巴(ba)特沃🌈斯(si)帶阻濾(lü)波器濾(lü)波前後(hou)的對比(bi)結果如(ru)圖3所示(shi)。


　　分别對(dui)上一步(bu)濾波前(qian)後的信(xin)号進行(hang)ＦＦＴ變換，得(de)到頻譜(pu)圖，這一(yi)步是通(tong)過MATLAB實現(xian)的，濾波(bo)前後的(de)頻譜對(dui)比💋如圖(tu)4所示。
　　通(tong)過MATLAB，對信(xin)号處理(li)算法進(jin)行仿真(zhen)，分别對(dui)濾波前(qian)後👄的波(bo)形圖、頻(pin)🥵譜圖進(jin)行對比(bi)，發現此(ci)濾波方(fang)法可以(yi)有效濾(lü)除50HZ工頻(pin)📞幹擾，驗(yan)證了所(suo)設計的(de)濾波方(fang)法的可(ke)行性。
3　基(ji)于MSP430的算(suan)法實現(xian)
3.1　系統硬(ying)件介紹(shao)
　　基于ＴＩ公(gong)司的MSP430芯(xin)片，研制(zhi)了電磁(ci)流量計(ji)的變送(song)器，此芯(xin)片🌍是16位(wei)超低功(gong)耗混合(he)型微處(chu)理器［７］，并(bing)且具有(you)豐富的(de)外設，方(fang)便💃🏻系統(tong)⛹🏻‍♀️功能擴(kuo)展。硬件(jian)原理如(ru)圖5所示(shi)，由前置(zhi)放大調(diao)理電路(lu)、勵磁電(dian)路、電流(liu)信号輸(shu)出電路(lu)、脈沖信(xin)号輸出(chu)電路、LCD顯(xian)示、鍵盤(pan)、RS232模塊、開(kai)關電源(yuan)構成。前(qian)置放大(da)調理電(dian)路主要(yao)完成對(dui)電極信(xin)号的放(fang)大、V/F轉換(huan)等功⭕能(neng)，電流輸(shu)出模塊(kuai)實現4～20ｍA電(dian)流輸出(chu)，脈沖輸(shu)出模塊(kuai)實現脈(mo)👨‍❤️‍👨沖量的(de)輸出，LCD和(he)按㊙️鍵用(yong)于配置(zhi)和顯示(shi)流量相(xiang)關參數(shu)，RS232用于通(tong)訊，開關(guan)電💋源用(yong)于給系(xi)統提供(gong)直流電(dian)壓。


3.2　系(xi)統軟件(jian)設計
　　本(ben)系統軟(ruan)件設計(ji)模塊化(hua)的，都是(shi)由主監(jian)控程序(xu)調用分(fen)配🏒。軟件(jian)部分主(zhu)要包括(kuo)：初始化(hua)模塊、通(tong)信模塊(kuai)、Watchdog模塊、信(xin)号處理(li)💔模塊、驅(qu)動模塊(kuai)等。總體(ti)框架如(ru)圖6所示(shi)。

　　通過(guo)MSP430控制驅(qu)動模塊(kuai)産生勵(li)磁電流(liu)，以此激(ji)勵流量(liang)傳感器(qi)👉的勵磁(ci)線圈，從(cong)而将導(dao)電液體(ti)的流量(liang)信号轉(zhuan)換爲微(wei)弱的電(dian)動勢，再(zai)對其進(jin)行放大(da)調理、整(zheng)流濾波(bo)和偏置(zhi)調整，最(zui)後送到(dao)AD652進行V/F采(cai)樣［8］。在本(ben)文設計(ji)的電磁(ci)流量計(ji)中，采💋用(yong)帶阻濾(lü)波的方(fang)法對信(xin)号進行(hang)實時處(chu)理，得到(dao)流量信(xin)号的幅(fu)值，再結(jie)合儀表(biao)的相應(ying)參數，将(jiang)幅值轉(zhuan)換成需(xu)要的流(liu)量信号(hao)，再🎯通過(guo)Modbus将流量(liang)信息傳(chuan)送至上(shang)位⭕機。
3.3　實(shi)驗結果(guo)
　　通過水(shui)流量标(biao)定實驗(yan)驗證帶(dai)阻濾波(bo)算法的(de)可行性(xing)。标💜定👉方(fang)法有标(biao)準表标(biao)定法和(he)稱重标(biao)定法，采(cai)取🐆标準(zhun)表标定(ding)法，将被(bei)測表的(de)測量結(jie)果和标(biao)準表的(de)測量結(jie)果進行(hang)比較。結(jie)合相關(guan)的參數(shu)，計算出(chu)系統🆚的(de)測量精(jing)度和重(zhong)複性，實(shi)驗結果(guo)如表1所(suo)示。

　　從上(shang)述實驗(yan)結果可(ke)知，在頻(pin)率是6.25HZ的(de)矩形波(bo)勵磁下(xia)⛹🏻‍♀️，在流量(liang)範圍是(shi)20～200ｍ3/ｈ的條件(jian)下，得到(dao)電磁流(liu)量計的(de)測量精(jing)度🔴高于(yu)0.4％，達到了(le)工🛀🏻業測(ce)量要求(qiu)。
4　結語
　　本(ben)文主要(yao)針對電(dian)磁流量(liang)計的50HZ工(gong)頻幹擾(rao)，提出采(cai)用🔱巴特(te)沃☂️斯帶(dai)阻濾波(bo)的信号(hao)處理方(fang)法。爲了(le)驗證濾(lü)波算法(fa)的可行(hang)性，并🧑🏾‍🤝‍🧑🏼測(ce)試🔴電磁(ci)流量計(ji)的測量(liang)精度，采(cai)用标準(zhun)表标定(ding)法進行(hang)了水流(liu)量标定(ding)。

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