帶(dai)阻濾波電(diàn)磁流量計(jì)信号處理(lǐ) 發布時間(jiān):2025-12-16
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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