摘　要：采用(yong)帶阻濾波(bō)的信号處(chù)理方法，處(chu)理低頻矩(ju)形🍉波勵磁(ci)下由傳感(gǎn)器輸出的(de)信号，有效(xiao)抑制工頻(pin)幹擾。結果(guǒ)💋表明，系統(tǒng)測量精度(du)優于0.4％，達到(dao)了工業測(ce)量标準。
0　引(yǐn)言
　　電磁流(liu)量計 原理(li)爲法拉第(di)電磁感應(yīng)定律，主要(yào)由流量常(chang)感器🔱和變(biàn)送器組成(chéng)。電磁流量(liàng)計有許多(duō)良好性能(néng)，如結構簡(jiǎn)單、較強的(de)耐腐蝕性(xìng)、較高的穩(wen)定性、較高(gao)的精度等(deng)，在給供水(shuǐ)、鋼鐵、石油(yóu)、煤炭✔️、化工(gōng)、醫🍓療、航海(hǎi)、農業🚶‍♀️灌溉(gai)等領♈域有(yǒu)着廣泛應(yīng)用［1］。流量傳(chuan)感器的主(zhu)要作用是(shì)當流經導(dao)管内的導(dǎo)電液體做(zuo)切割磁感(gǎn)線運動時(shi)，會産生💯電(diàn)動勢，将導(dao)電液體的(de)體積流量(liang)轉換💁成需(xu)要的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電信(xin)号，再傳送(sòng)給變送器(qi)作進一步(bu)處理。變送(sòng)器主要由(you)勵磁電路(lu)、濾波電路(lu)、前置放大(dà)調整電路(lu)、采樣電路(lu)、電流信号(hào)輸出電路(lu)及脈沖信(xin)号輸出電(diàn)路組成。
　　電(dian)磁流量技(jì)術的發展(zhan)主要體現(xiàn)在勵磁方(fang)案改進和(he)信号⁉️處理(li)算法優化(huà)方面。電磁(cí)流量計的(de)勵磁方案(an)直接決定(dìng)了其抗幹(gàn)擾🔅性能和(hé)零點的穩(wen)定性。信号(hào)處理的重(zhòng)點是幹擾(rao)⚽噪聲去除(chú)，其中主要(yao)的幹擾是(shi)工頻幹擾(rǎo)、同相幹擾(rǎo)、正交幹擾(rao)、極化現象(xiang)、白噪聲㊙️幹(gan)擾和零點(dian)偏移。采用(yòng)直流勵磁(ci)方案，将不(bu)會産生渦(wō)流效應，并(bing)且有着較(jiao)小的正交(jiao)幹擾和同(tong)相幹擾；采(cǎi)用正弦♻️波(bo)勵磁方案(an)，可以很好(hǎo)地控制極(ji)化現象🈲産(chan)生，并有着(zhe)良好的抗(kang)噪能力；采(cai)用低頻矩(ju)形波勵磁(cí)方案，兼顧(gù)直流勵磁(ci)和正弦波(bo)勵磁的優(yōu)點，因此應(ying)用廣泛。
　　本(běn)文采取低(dī)頻矩形波(bo)勵磁方案(an)。可導電的(de)流體切割(gē)磁感線，從(cóng)而在電極(ji)上會有電(dian)動勢産生(shēng)，但是電🔱壓(yā)十分弱，流(liu)量傳感器(qì)的輸出信(xin)号會受工(gōng)頻幹擾，帶(dài)來較低的(de)信噪比，特(te)别是在導(dǎo)電液⛱️體流(liu)速較低的(de)情形下，有(you)效的流🐕量(liang)信号可能(néng)完全被噪(zào)聲信号覆(fu)蓋。本文在(zai)采取低頻(pín)矩形波勵(lì)磁條📞件下(xia)，在現有信(xìn)号處理方(fāng)法💃🏻的基礎(chǔ)上，采取巴(bā)特沃斯帶(dai)阻濾波信(xìn)号處理方(fāng)法，可以有(yǒu)效消除50HZ的(de)工頻幹擾(rao)［2］，以此來提(tí)高流量傳(chuan)感器輸出(chu)信号的信(xin)噪比📞，并在(zài)MSP430上實現，可(ke)有效處理(li)水流量信(xìn)号。通過🍉标(biāo)準表标定(ding)實💛驗，擁有(you)較爲理想(xiang)的測量精(jing)度🥰和重複(fu)性。
1　帶阻濾(lü)波方法
1.1　算(suan)法原理及(ji)推導
　　流量(liang)傳感器的(de)輸出信号(hao)和被測導(dǎo)電液體的(de)流速㊙️之間(jian)存在💃一定(dìng)的線性關(guan)系。在理想(xiǎng)條件下，采(cai)用低頻矩(ju)形波勵磁(cí)方式時，從(cóng)流量傳感(gan)器輸出信(xin)号，頻👈率和(he)勵⛷️磁電流(liú)相同，并且(qie)輸出🎯信号(hao)的㊙️幅值和(hé)導電🐉液體(tǐ)的流🆚速之(zhi)間成👅比例(lì)關系。但是(shì)，實際中，流(liu)量傳❤️感器(qì)的輸出信(xin)号會受到(dao)多種噪聲(sheng)的幹擾，經(jīng)常會摻雜(zá)着如微分(fèn)幹擾、串共(gòng)模幹☀️擾、同(tong)相幹擾等(deng)幹擾，使流(liu)量信号和(hé)噪聲不能(néng)很好分離(lí)🈚，可用方程(chéng)（1）表示😍［3］：

　　式中(zhōng)，BDV是模拟流(liu)量信号。通(tong)過對流量(liang)傳感器輸(shu)出信号進(jìn)行分析，可(ke)以發現輸(shū)出信号有(yǒu)着較寬的(de)頻率範圍(wei)，所以采用(yòng)常規的低(dī)通濾波很(hen)難将噪聲(shēng)去除❄️。針對(duì)流量傳感(gan)器輸出信(xin)号的特點(dian)，利用現有(yǒu)的模拟濾(lü)波器設計(jì)公式，實現(xiàn)巴特沃斯(si)帶阻濾波(bo)器的🐕設計(jì)，其系統傳(chuan)遞函數可(kě)以表示爲(wei)：

　　因此，設計(jì)巴特沃斯(si)帶阻濾波(bo)器的實質(zhi)就是要明(ming)确帶寬，并(bìng)确定階數(shù)N，在MATLAB中完成(chéng)濾波器的(de)設計，并找(zhao)出系數B、a，使(shǐ)其滿足預(yu)設的♍技術(shu)要求。
1.2　濾波(bo)器實現
　　電(diàn)磁流量計(ji)的頻率輸(shū)出範圍由(you)實際應用(yong)場景決定(ding)，本😘文假設(she)其範圍0～100HZ。依(yī)據奈奎斯(si)特抽樣定(ding)理，爲了無(wú)失真地🔞恢(hui)複出采樣(yang)信号，取樣(yàng)頻率爲采(cǎi)樣頻率的(de)2倍，即200HZ。爲了(le)去除50HZ工頻(pín)幹擾，選取(qu)49HZ的下限截(jie)止頻率；選(xuan)取51HZ的上✍️限(xiàn)截止頻率(lü)；折疊頻率(lǜ)爲采樣頻(pín)率的1/2，取Ｍ＝100；對(dui)通帶頻率(lü)作歸一化(huà)處理，取Ｗｐ

　　衰(shuai)減取值3dB，即(ji)ｐ＝3；阻帶頻率(lü)取值20dB，即s=20；确(que)定階數N和(he)截止頻率(lü)🌐WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最後确定(dìng)💃🏻巴特沃斯(si)帶阻濾波(bō)器，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過MATLAB，設(she)計出巴特(tè)沃斯帶阻(zǔ)濾㊙️波器［6］，再(zai)繪制巴特(te)沃斯帶阻(zu)濾波器⭐的(de)幅頻響應(ying)曲線和相(xiang)頻響應曲(qu)線，如圖1所(suo)示：

2　MATLAB仿真
　　爲(wei)了驗證信(xìn)号處理算(suàn)法的可行(háng)性，需在MATLAB中(zhong)模拟工💋業(ye)現場下的(de)傳感器輸(shu)出信号。因(yin)爲從流量(liang)傳感器獲(huò)取的電壓(ya)信号十分(fen)弱，尤其在(zài)導電液體(ti)流速較小(xiǎo)的情形下(xia)，有用信号(hào)可能會🔴淹(yān)沒在🚶各種(zhong)噪聲中。所(suo)以在MAT-LAB仿真(zhēn)時，要參🙇🏻考(kǎo)實際環㊙️境(jìng)下輸出信(xin)号，模拟的(de)傳感器輸(shu)✍️出信号，要(yào)摻雜着工(gong)頻幹🔞擾、同(tong)相幹擾🤞、白(bai)噪聲等幹(gàn)擾。在導電(dian)液體的流(liu)速小于1ｍ/ｓ情(qing)形下，流🌍量(liàng)傳感器能(neng)獲取到的(de)電壓小于(yu)10ｍV。本文采用(yong)取低頻矩(jǔ)形波勵磁(ci)的勵磁🤟方(fang)案，選取50HZ工(gong)頻的1/8作勵(li)磁頻率，即(jí)6.25HZ。因此，本文(wén)模拟輸出(chū)♋信号：

　　式（3）中(zhōng)，等号右邊(bian)的各項依(yi)次表示所(suo)需的流量(liang)信号、工頻(pin)幹💃擾🥵、零漂(piāo)、白噪聲。産(chǎn)生的信号(hào)如圖2所示(shi)。
通過MATLAB，對模(mó)拟的傳感(gan)器輸出信(xin)号進行巴(ba)特沃斯帶(dài)阻濾波，從(cong)🐆圖3中可以(yi)看出噪聲(sheng)在一定程(chéng)度上被消(xiāo)除，具體哪(nǎ)種噪聲被(bei)去除，可以(yǐ)通過對信(xin)号作傅裏(lǐ)🏒葉變換👈，得(dé)到相應的(de)頻譜。使用(yòng)巴特沃斯(sī)帶阻濾波(bo)器濾波前(qian)💰後的對比(bǐ)結果如圖(tu)3所示。


　　分别對上(shang)一步濾波(bo)前後的信(xìn)号進行ＦＦＴ變(bian)換，得到頻(pin)譜圖，這一(yi)步是通過(guò)MATLAB實現的，濾(lǜ)波前後的(de)頻譜對比(bi)如圖4所示(shi)。
　　通過MATLAB，對信(xìn)号處理算(suàn)法進行仿(pang)真，分别對(duì)濾波前後(hòu)的波形圖(tú)、頻譜圖進(jìn)行對比，發(fā)現此濾波(bo)方法可以(yi)有效濾除(chu)❄️50HZ工頻幹擾(rao)♋，驗證了所(suǒ)設計的濾(lü)波方法的(de)可行性。
3　基(jī)于MSP430的算法(fǎ)實現
3.1　系統(tong)硬件介紹(shao)
　　基于ＴＩ公司(si)的MSP430芯片，研(yan)制了電磁(cí)流量計的(de)變送器，此(cǐ)🈲芯片是🈲16位(wèi)超低功耗(hào)混合型微(wei)處理器［７］，并(bing)且具有豐(fēng)富的外設(shè)，方便系統(tǒng)🏃功能擴展(zhǎn)。硬件原理(lǐ)如圖5所示(shì)📱，由前置放(fang)大調理電(dian)路、勵磁電(dian)路、電流信(xìn)号輸出電(diàn)路、脈沖信(xìn)号輸出電(diàn)路、LCD顯示、鍵(jiàn)盤、RS232模塊、開(kāi)關電源構(gou)成。前置放(fàng)大調理電(diàn)路主要完(wan)成對電🏒極(ji)信号的放(fang)大、V/F轉換等(deng)功能，電流(liú)輸出模塊(kuai)🐕實現4～20ｍA電流(liú)輸出，脈沖(chòng)輸出模塊(kuài)實現脈沖(chòng)量的輸出(chu)，LCD和按鍵用(yong)于配置和(he)❓顯示流量(liang)相關參數(shù)，RS232用于通訊(xun)，開關電源(yuán)用于給系(xì)統提供直(zhí)流電壓。


3.2　系統軟件(jian)設計
　　本系(xì)統軟件設(shè)計模塊化(hua)的，都是由(you)主監控程(chéng)序調用分(fen)👨‍❤️‍👨配。軟件😄部(bu)分主要包(bao)括：初始化(hua)模塊、通信(xìn)模塊、Watchdog模塊(kuai)、信号處理(lǐ)模塊、驅動(dong)模塊等。總(zǒng)體框架如(ru)圖6所示。

　　通過MSP430控(kòng)制驅動模(mo)塊産生勵(li)磁電流，以(yi)此激勵流(liú)量傳感👈器(qi)的🔴勵🈲磁線(xiàn)圈，從而将(jiāng)導電液體(ti)的流量信(xìn)号轉換爲(wei)微💃🏻弱的電(dian)動勢，再對(dui)其進行放(fàng)大調理、整(zhěng)流👈濾波和(hé)偏置調整(zheng)，最後送到(dào)AD652進行V/F采樣(yang)［8］。在本文設(shè)計的電磁(cí)流量計中(zhong)，采用帶阻(zǔ)濾波的方(fāng)法對信号(hao)進行實時(shi)處理，得到(dào)流量信‼️号(hào)的幅值，再(zai)🏃‍♀️結合儀表(biǎo)的相應參(can)數，将👉幅值(zhi)轉換成需(xū)要的流量(liàng)信号，再👌通(tōng)過Modbus将流量(liang)信息傳送(sòng)🔞至上位機(jī)。
3.3　實驗結果(guo)
　　通過水流(liú)量标定實(shi)驗驗證帶(dai)阻濾波算(suan)法的可行(háng)性🌈。标🆚定方(fang)㊙️法♍有标準(zhǔn)表标定法(fǎ)和稱重标(biao)定法，采取(qu)标準‼️表标(biāo)定法，将被(bei)測表的測(cè)量結果和(hé)标準表的(de)測量結果(guǒ)進行比較(jiào)。結合相關(guan)的參數，計(ji)算出系統(tong)🌈的測量精(jīng)度和重複(fu)性，實驗結(jié)果如表1所(suo)示。

　　從上述(shù)實驗結果(guǒ)可知，在頻(pín)率是6.25HZ的矩(ju)形波勵磁(ci)下，在流量(liàng)範圍是20～200ｍ3/ｈ的(de)條件下，得(de)到電磁流(liu)量計的測(cè)量精度高(gāo)于0.4％，達到了(le)工🔞業測量(liang)要求。
4　結語(yu)
　　本文主要(yào)針對電磁(cí)流量計的(de)50HZ工頻幹擾(rǎo)，提出采用(yong)⚽巴特沃✊斯(sī)帶阻濾波(bo)的信号處(chù)理方法。爲(wèi)了驗證濾(lü)波算法的(de)可行性，并(bing)測試電磁(ci)流量計的(de)測量精度(dù)，采用标準(zhun)表标定法(fa)進行了水(shui)流量标定(dìng)。

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