電磁(ci)流量計工作原(yuan)理 基于法拉第(di)電磁感應定律(lü),通過測量導電(diàn)流體在磁場中(zhong)的感應電動勢(shi)來推算流體流(liu)量。勵磁磁場、感(gan)應電動勢采集(jí)電♋極、信号運算(suan)放大電路以及(jí)模😍數轉換器都(dōu)容易受到📐工作(zuò)現場的電場和(he)磁場輻射耦合(he),因🐇此電磁耦💰合(he)是流量測量中(zhong)最主要的幹擾(rǎo)方式; 其次被測(ce)液體的電化學(xue)反應🧑🏽‍🤝‍🧑🏻和泥漿幹(gan)擾🧡是流量測量(liàng)的另一噪聲來(lai)源。
1. 1 微分幹擾産(chǎn)生機理及對策(cè) 電磁流量計中(zhong)噪聲的💔産生機(jī)理及📐對策
    在現(xiàn)行的 電磁流量(liàng)計 設計中,低頻(pín)矩形波勵磁方(fang)式結合了直流(liú)勵磁和交流勵(li)磁兩者的優點(diǎn), 成爲主要勵磁(cí)方式之一。在低(dī)頻勵磁方式下(xià), 其🔴幹擾主要表(biao)現爲: 由勵磁電(diàn)流突變産生的(de)微分幹擾信号(hào)[ 1] 。理❌想勵磁磁場(chang)信号爲低頻矩(ju)形波, 實際上随(sui)着勵磁電流變(biàn)化🤟 ( dI /dt)在磁場上産(chǎn)生微分幹🌍擾信(xin)号, 随着電流的(de)穩定🍉, 幹擾信号(hào)随💔之消失, 因此(ci)同步采樣技術(shù)可以有效抑制(zhì)微分幹擾信号(hào)。實際設計中, 模(mó)數轉化器使🐇用(yong) AD 公司的 24位 Sigma Delta模數(shu)轉化器 AD7714。 AD7714 可以分(fèn)别👨‍❤️‍👨采用硬件和(he)軟件方式進行(háng)采樣開始時間(jian)控制, 從而實現(xiàn)同步采樣。采用(yòng)軟件方🈲式時, 當(dang)控制寄存器中(zhong)FSYNC位🆚爲邏輯 1時, 模(mo)數🔴轉換器處⭐于(yú)複位狀态❄️; 向該(gāi)位寫邏輯 0時, 器(qi)件開始采樣輸(shū)入信号。在應用(yòng)中,低頻勵磁信(xìn)号由✂️ M SP430單片機内(nèi)部定時器産生(sheng), 同❌時産生采樣(yang)信号。如圖 1所示(shì), 采樣開始時間(jiān)滞後勵磁信号(hào)14 個周期。
1. 2 工頻串(chuàn)模幹擾産生機(ji)理及對策
    在電(dian)磁流量計的工(gong)作現場存在大(dà)量工頻信号, 疊(die)加☔在勵磁回路(lu)、 電極、 前端放大(dà)器的工頻幹擾(rǎo)噪聲對流量的(de)準确測量造成(cheng)極大影響。其中(zhōng)輻射耦合💛到勵(lì)磁回路的工頻(pín)輻射磁場 (包括(kuò)其諧波 )造成勵(lì)磁磁場波動,影(ying)響流量測量。

    當(dang)流體流速較小(xiǎo)時, 工頻幹擾信(xin)号與有效流量(liàng)信号在同一數(shu)量級, 嚴重影響(xiang)測量結果。已知(zhi)工頻耦合噪聲(shēng)基🧡波頻率爲 50 Hz , 因(yīn)此可以采用模(mó)拟或數字濾波(bō)器使濾波器帶(dài)寬限制在 50 Hz以内(nei)以抑制噪聲。在(zai)實際應用中使(shi)用 Sigma Delta模數轉換器(qì) AD7714内部包含的❓數(shu)字濾波🤩模塊, 數(shu)字濾波器相對(duì)模拟濾波器除(chú)具有靈活性✊高(gāo)、參數設置方便(biàn)等特點之外,還(hai)可以降低 A /D 轉換(huàn)期間引入的噪(zao)聲。AD7714數字濾波器(qi)爲 ( sinx /x )3低通🔆濾波器(qì), 其在頻域㊙️的傳(chuán)遞函數爲:

式中(zhōng): fs爲采樣頻率; AD7714采(cǎi)樣頻率爲 1912 kHz ; N爲濾(lǜ)波采樣個數; f 爲(wei)數字濾波器響(xiang)應頻率。通過設(she)定濾波采樣個(gè)數可以改變數(shù)字濾波器的截(jié)止頻率和一次(ci)陷波頻率。在本(ben)設計中綜👅合考(kao)慮模數轉換速(sù)度和去除噪聲(shēng)性能, 設置 N 值使(shǐ)濾波器截止頻(pin)率爲 50 Hz, 濾波器頻(pín)域響🈲應如圖 2所(suǒ)示, 濾波器對工(gong)頻 50 Hz及其偶次諧(xie)波有很好的抑(yì)制作用。

    除使用(yòng)數字濾波器外(wai), 在 A /D輸入端設置(zhi) RC模拟低通濾波(bō)器還可以💁帶來(lái)其他作用。在實(shí)際測量觀察到(dào)的流量♉信号中(zhōng)存在尖脈沖噪(zào)聲, 可能使模數(shù)轉換器💁飽和, 導(dǎo)緻數字濾波器(qì)失效, 使用模拟(ni)濾波器可以提(tí)前剔除這些信(xin)号。
1. 3 共模幹擾、 串(chuàn)擾産生機理及(ji)對策
    共模幹擾(rao)的産生主要是(shì)由于電磁屏蔽(bi)缺陷、接地不良(liáng)、雜散電容等引(yǐn)起返回電流不(bú)平衡。共模幹擾(rǎo)可能❌導緻電路(lu)某些參考電位(wei)變化, 是造成電(diàn)磁流量計零點(dian)漂移的原因之(zhī)一; 同🏃時共模☁️信(xin)号産生很高的(de)輻射電場使電(dian)路的電磁兼容(rong)性惡化。串擾是(shì)由于印刷電㊙️路(lù)闆設計電磁兼(jiān)容性考慮不足(zú)造成📱信号質量(liang)下☔降, 特别是高(gāo)速走線和模拟(ni)電路易受到影(ying)響。對💛由共模✔️幹(gàn)擾信号導緻的(de)參考電位變化(huà), 應用中流量電(diàn)壓采用差分形(xing)式, 通過雙絞線(xiàn)送入放大器, 前(qián)端放大器選🥵用(yong)高共🏒模抑制比(bǐ)、 低漂移、 高輸入(rù)阻抗的運放, 可(ke)以有👅效抑制共(gong)模幹擾。
    此外, 電(dian)磁流量計電路(lù)闆設計符合電(dian)磁兼容性要求(qiú)降🛀低🙇🏻串擾✂️對信(xìn)号的影響: 使用(yòng)滿足功能要求(qiu)的速率❗盡可能(néng)低的邏輯器件(jian)。選用在邏輯狀(zhuàng)态變換過程中(zhong)輸入電😄流消耗(hao)更小的元件。盡(jin)可能選擇表面(mian)封裝的元器件(jian)。合理安排元件(jian)布局, 模拟與數(shu)字部分隔離,防(fáng)止數字信号影(yǐng)響模拟信号。适(shì)當配置🈲去耦電(dian)容, 選擇合适的(de)電容容♉量, 去耦(ǒu)電容盡量靠近(jin)元器件。對于敏(mǐn)感信号回路, 如(rú)時鍾信号、模拟(nǐ)輸入信号嚴格(gé)控制回路面積(jī)。鋪設地平面提(ti)供低阻抗信号(hào)回路, 加強屏蔽(bi)效果。
1. 4 其他幹擾(rao)對策
    電化學極(jí)化電動勢幹擾(rǎo)是被測液體中(zhong)電解質在感🙇🏻應(yīng)電場作用下在(zài)電極表面極化(hua)産生的, 是電磁(cí)流量計零點漂(piāo)移的☁️主要原因(yin)之一。采用交流(liú)勵磁方式可以(yi)有效地減小🍓極(ji)化電🔞動勢, 此外(wai)在應用中微處(chu)理器運算時将(jiāng)兩次流量電壓(ya)采樣值相減, 這(zhè)樣不但可以🍓減(jiǎn)小極化電動勢(shi), 而且可以補償(cháng)由共💃🏻模幹擾帶(dài)來的零點漂移(yi)。
    泥漿幹擾是在(zài)測量泥漿、纖維(wéi)漿等固液兩相(xiàng)特性🏃液體時, 固(gù)🔞體顆粒或者氣(qi)泡與電極發生(shēng)摩擦, 在電極表(biao)面的電化🈲學電(diàn)動勢突然變化(huà), 電磁流量計傳(chuan)感器 輸出信号(hao)輸出尖峰脈沖(chong)狀幹擾。在低頻(pin)勵磁情況下, 泥(ní)漿⛱️幹擾産生的(de)尖脈沖數量級(ji)大, 極大地影響(xiang)流量的準确測(cè)✊量,在實際設計(ji)中,采用多種信(xin)号處⚽理混合方(fang)式抑制噪聲☔,信(xin)号處理原理如(rú)圖 3所示。

    流量計(ji) 正常運行時,尖(jian)峰脈沖噪聲出(chu)現的概率小,被(bèi)測液體流速✉️不(bú)會⭐在短時間内(nèi)變化,基于以上(shang)特性,對流量信(xin)👌号進行限幅濾(lǜ)波處理: 當前輸(shu)入信号相對上(shàng)周期輸入信号(hào)超出噪聲容限(xian)範圍, 該信号被(bèi)認爲是噪聲信(xìn)号,不再進一步(bu)計算。滑動平均(jun)濾波是處理流(liu)量信号經常采(cai)用的信号處理(lǐ)辦法,可以有效(xiào)🤟降低采樣誤♉差(cha); 滑動平均濾波(bo)函數的脈沖響(xiǎng)📐應時間是受滑(hua)🎯動窗口❌數控制(zhì)👌的, 如果能動态(tai)調整窗口數🌈目(mu),那麽響應速度(dù)就會大大提高(gao);在應🔞用中使用(yòng)🌈改進的滑動平(píng)均濾波函數,通(tong)過響應時間控(kòng)制器♋控制滑動(dong)窗口數,當響應(yīng)時間超過設定(dìng)值時,将窗口數(shu)設置爲1,使輸出(chū)信号迅☁️速變化(huà),獲得較好的動(dong)态性能。

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