摘要:電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。測(cè)量時(shí),金屬電極與電解質(zhì)會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生極化噪聲。極化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號(hào)幅值,使電極輸出信號(hào)信噪比較低;極化噪聲存在漂移的現(xiàn)象,會(huì)影響電磁流量計(jì)變送器的信號(hào)調(diào)理工作,限制電路的放大倍數(shù),增加ADC采樣位數(shù)電路成本、功耗等。對(duì)此,提出了一種基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路,通過硬件電路實(shí)時(shí)提取和抵消極化噪聲極大地提高了電極輸出信號(hào)信噪比。通過試驗(yàn),驗(yàn)證了該方案不但能有效濾除極化噪聲,而且能提高信號(hào)調(diào)理電路的放大倍數(shù)、減少ADC的采樣位數(shù)減少電路的成本和功耗。
0引言
電磁流量計(jì)是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表,廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)。信號(hào)測(cè)量時(shí),傳感器電極拾取流量信號(hào)和噪聲信號(hào)。流量信號(hào)幅值一.般為幾十到數(shù)百微伏。而噪聲信號(hào)中的極化噪聲存在漂移的現(xiàn)象,幅值一般在幾毫伏到數(shù)百毫伏區(qū)間變化,也有可能達(dá)到數(shù)伏"。兩者幅值的巨大差異以及極化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵(lì)磁的方式消除,極大地影響了信噪比。
為了提高電磁流量計(jì)傳感器輸出信號(hào)的信噪比，目前，國內(nèi)外主要有四種解決方案。
①極化噪聲補(bǔ)償?shù)姆桨�。根�?jù)極化噪聲緩慢變化的特點(diǎn),采用不勵(lì)磁時(shí)段極化噪聲來補(bǔ)償勵(lì)磁時(shí)段的極化噪聲。但是,由于極化噪聲的不規(guī)律性,會(huì)導(dǎo)致電磁流量計(jì)的零點(diǎn)較差。
②低通濾波反饋的方案[2]。根據(jù)極化噪聲所處的頻帶略低于流量信號(hào)的特點(diǎn),采用一階低通濾波器提取極化噪聲,并進(jìn)行反饋補(bǔ)償。但是,低通濾波器的過渡帶很寬,會(huì)使流量信號(hào)出現(xiàn)畸變的現(xiàn)象。因此，該方案被用在瞬態(tài)勵(lì)磁中,尚未應(yīng)用于商用儀表。
③采用精度高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogtodigitalconverter,ADC)的方案。利用32位精度高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接采集信號(hào),然后通過數(shù)字信號(hào)處理方法提取出流量信號(hào)。但該方案增加了程序的復(fù)雜性。同時(shí),精度高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率與采樣率成反比。因此，.為了保證較高的分辨率,只能使用很低的勵(lì)磁頻率。
④閾值控制的偏置調(diào)節(jié)方法”。當(dāng)信號(hào)超過設(shè)定的閾值時(shí),數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalprocessor,DSP)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digitaltoanalogconverter,DAC)模塊輸出偏置調(diào)節(jié)電壓,將傳感器輸出信號(hào)調(diào)整到0附近。但這種調(diào)節(jié)方法會(huì)使流量信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)跳變，對(duì)后續(xù)的梳狀帶通濾波造成影響,導(dǎo)致輸出信號(hào)出現(xiàn)間斷性錯(cuò)誤。
為此,極化噪聲產(chǎn)生的具體原因及分布特性,提出前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案�；谠摲桨�，電磁流量計(jì)變送器中的信號(hào)調(diào)理電路;并用調(diào)理電路替換課題組研制的電磁流量計(jì)變送器中的調(diào)理電路,形成一套完整的電磁流量計(jì)變送器,進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。
1噪聲分析
極化噪聲主要源于電極與電解質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)。金屬電極帶電的正離子逐漸溶解于所測(cè)量的電解質(zhì)流體,自身帶負(fù)電荷,致使電解質(zhì)流體中的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移,形成復(fù)雜的電解雙層結(jié)構(gòu)。雙電層之間產(chǎn)生-一個(gè)電場(chǎng),從而在電解質(zhì)流體和電極之間形成電位差。這個(gè)電位差就是極化電勢(shì)。若兩電極結(jié)構(gòu)完全相同,則極化電勢(shì)會(huì)相互抵消。但由于兩電極表面的結(jié)構(gòu)差異,極化電勢(shì)會(huì)由共模電壓轉(zhuǎn)為差模電壓,并耦合在信號(hào).上。該極化電勢(shì)被認(rèn)為是直流分量[1,460而且,電極表面上的灰塵或放電離子等沉積物會(huì)隨著時(shí)間的推移緩慢累積。當(dāng)有流動(dòng)的電解質(zhì)流體出現(xiàn)或電解質(zhì)流體流速發(fā)生變化時(shí),這些累積的沉積物會(huì)被慢慢撕開。在這一-過程中,極化電勢(shì)大小會(huì)發(fā)生隨機(jī)變化,形成漂移的極化電壓”。極化電壓的大小在一定程度上取決于電極的制作材料和所測(cè)量的電解質(zhì)流體的性質(zhì);同時(shí),也受溫度的影響。
為了研究極化噪聲的特性,研制了對(duì)電極輸出信號(hào)進(jìn)行放大和高頻濾波的信號(hào)調(diào)理電路1。配合原有的變送器,針對(duì)口徑為40mm的電磁流量傳感器,采集濾除高頻且放大的電極輸出信號(hào),并進(jìn)行頻譜分析。其中,勵(lì)磁頻率為12.5Hz,水流量為20m'/h,采樣頻率為1500Hz,采樣時(shí)間為200s。信號(hào)調(diào)理電路1輸出信號(hào)及頻譜如圖1所示。
觀察信號(hào)調(diào)理電路的輸出信號(hào)可以發(fā)現(xiàn):電極輸出信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路放大后存在嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象,信號(hào)累積的漂移量達(dá)到了1.2V,遠(yuǎn)大于70mV左右的流量信號(hào)(流速為1m/s信號(hào)幅值約為100μV,流量為20m/h時(shí)流速為4.44m/s,信號(hào)幅值約為444μV,放大170倍后約為75.5mV;70mV為觀測(cè)結(jié)果)。而該結(jié)果僅僅是將電極輸出信號(hào)放大了170倍。當(dāng)放大倍數(shù)更大時(shí),如果任由電極輸出信號(hào)發(fā)生漂移,那么放大器輸出信號(hào)很可能達(dá)到飽和,ADC的供電電壓會(huì)達(dá)到5V,導(dǎo)致ADC無法正常工作。
為了觀察流量信號(hào)與極化噪聲的頻段分布,將290000點(diǎn)信號(hào)去均值后,從4096點(diǎn)開始，等距取60段,每段4096點(diǎn),分別作4096點(diǎn)的快速傅里葉變換(fastFouriertransform,FFT),并求出其平均幅值譜,如圖1(b)所示。由圖1(b)可以看出:極化噪聲以直流噪聲為主,主要分布于零頻附近的低頻區(qū)域,幾乎不與流量信號(hào)頻段重疊。當(dāng)勵(lì)磁頻率為2.5~5Hz'[8]，可以用一個(gè)過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提取極化噪聲。
2極化噪聲抵消方案
2.1抵消原理
根據(jù)極化噪聲的特性,同時(shí)考慮到硬件系統(tǒng)處理噪聲更具實(shí)時(shí)性與可靠性,提出一種基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案,并用硬件實(shí)現(xiàn)。噪聲抵消方法原理如圖2所示。
最后,在軟件中通過梳狀帶通濾波和幅值解調(diào)等信號(hào)處理方法,濾除工頻干擾和微分干擾，就可以得到流速值。
2.2.硬件電路研制
根據(jù)前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消原理,設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路2,以實(shí)現(xiàn)極化噪聲的濾除。信號(hào)調(diào)理電路2主要包括前置差分放大電路、極化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放大電路三部分。調(diào)理電路如圖3所示。
①前置差分放大電路。
前置差分放大電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和共模噪聲的抑制。電路采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失調(diào)漂移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分放大電路如圖4所示。.
前置差分放大電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮后級(jí)電路電壓匹配的問題。下級(jí)電路芯片供電電壓為+5V,而前置差分放大電路輸出信號(hào)存在負(fù)電壓。因此,需要加入直流基準(zhǔn)。電極輸出信號(hào)中流量信號(hào)及其他噪聲幅值遠(yuǎn)小于極化噪聲幅值。由于檢測(cè)到的電極輸出信號(hào)中極化噪聲幅值最大為+200mV，電路放大4.1倍,那么放大器輸出的極化噪聲幅值最大也只有+820mV。而電路直接加入了2.5V的參考電壓，足以將前置差分放大電路輸出信號(hào)由雙極性轉(zhuǎn)為單極性。
②極化噪聲提取與抵消電路。
極化噪聲提取與抵消電路是為了實(shí)現(xiàn)極化噪聲的提取、抵消和流量信號(hào)的放大。電路分為極化噪聲提取電路和噪聲抵消與放大電路,分別由八階巴特沃斯低通濾波器和精密儀用放大器構(gòu)成。
極化噪聲提取電路通過八階巴特沃斯低通濾波器來提取極化噪聲。此低通濾波器過渡帶非常窄,其截止頻率f。的大小可以通過外接電容在1Hz~2kHz之間調(diào)節(jié)。當(dāng)fiw=2f。時(shí),信號(hào)增益為-48dB,輸出信號(hào)衰減為原信號(hào)的1/251。當(dāng)fw=3f時(shí),信號(hào)增益為-76dB,輸出信號(hào)衰減為原信號(hào)的1/6310。如設(shè)置f。=1Hz,那么輸出信號(hào)中完整保留1Hz及以下頻段的信號(hào),1~3Hz內(nèi)的信號(hào)出現(xiàn)不同程度衰減,3Hz及以上信號(hào)被完全衰減。由此就可以通過該八階低頻濾波器濾除勵(lì)磁頻率12.5Hz(6.25Hz.3.125Hz)及以上頻段的信號(hào),精確提取出極化噪聲。
噪聲抵消與放大電路中,采用前置差分放大后的電極輸出信號(hào)減去低通濾波器提取的極化噪聲,以實(shí)現(xiàn)極化噪聲的自適應(yīng)抵消。此時(shí),經(jīng)過噪聲抵消后的信號(hào)中只含有流量信號(hào)和高頻噪聲,而且高頻噪聲幅值小于流量信號(hào)幅值,因此可以通過放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的更高倍數(shù)放大。以口徑為40mm的電磁流量傳感器為例:當(dāng)流速為5m/s時(shí),檢測(cè)到流量信號(hào)峰峰值為1mV;以10m/s為流速上限，則流量信號(hào)峰峰值最大為2mV。由于ADC采用5V供電,考慮到芯片性能等因素,不可能將流量信號(hào)完全放大到芯片供電電壓范圍。對(duì)此,將信號(hào)最大放大到+4V,那么信號(hào)調(diào)理電路最大放大倍數(shù)可達(dá)4000倍�？鄢爸梅糯�4.1倍,那么后兩級(jí)電路最大可放大975倍。
③低通濾波放大電路。
低通濾波放大電路的主要目的是實(shí)現(xiàn)高頻噪聲的濾除。
電極輸出信號(hào)經(jīng)過自適應(yīng)極化噪聲抵消后,除了12.5Hz(6.25Hz3.125Hz)的流量信號(hào)外，還存在高頻噪聲。高頻噪聲進(jìn)人ADC后,可能會(huì)造成信號(hào)的混疊。所以,需要采用低通濾波器來濾除高頻噪聲。
低通濾波放大電路如圖6所示，
低通濾波放大電路采用兩級(jí)二階巴特沃斯低通濾波器級(jí)聯(lián)來構(gòu)成四階低通濾波器,其放大倍數(shù)為10.9倍�？紤]到能更多地保留流量信號(hào)的諧波，設(shè)置濾波器截止頻率為1.5kHz。
3驗(yàn)證試驗(yàn)
為了驗(yàn)證基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的效果,設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路2,并替換本課題組研制的電磁流量變送器中的信號(hào)調(diào)理電路;再匹配電磁流量傳感器,組成了一個(gè)完整的基于數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalprocessor,DSP)的電磁流量計(jì)[8-0,。在容積法水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行了信號(hào)調(diào)理電路濾波試驗(yàn)、電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)和降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)。
3.1試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置由水流量標(biāo)定裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,如圖7所示。
圖7中:水流量標(biāo)定裝置的不確定度為0.2%,電磁流量傳感器口徑為40mm,電磁流量變送器的勵(lì)磁頻率為12.5Hz。信號(hào)調(diào)理電路放大倍數(shù)和ADC位數(shù)可調(diào):在信號(hào)調(diào)理電路濾波試驗(yàn)和電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)中放大倍數(shù)為340倍,ADC位數(shù)為24位;在降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)中放大倍數(shù)為3500倍,取24位ADC的高14位來模擬16位ADC。
3.2信號(hào)調(diào)理電路濾波試驗(yàn)
為驗(yàn)證基于自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的信號(hào)調(diào)理電路對(duì)極化噪聲的消除效果,在信號(hào)調(diào)理電路2輸人信號(hào)不斷發(fā)生漂移的情況下(如圖1(a)中情況),通過上位機(jī)(采樣頻率1500Hz,采樣時(shí)長(zhǎng)200s)采集流速為5m/s(流速越大,極化噪聲幅值越大)的信號(hào)調(diào)理電路2輸出信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行了頻譜分析。
信號(hào)調(diào)理電路2輸出信號(hào)及頻譜圖如圖8所示。
觀察信號(hào)調(diào)理電路2輸出信號(hào),發(fā)現(xiàn)經(jīng)過自適應(yīng)極化噪聲抵消后,信號(hào)平穩(wěn)分布于零點(diǎn)上下,基本不存在漂移的現(xiàn)象,如圖8(a)所示。
信號(hào)頻譜分析方法與圖1(b)噪聲分析時(shí)的相同,即將290000點(diǎn)信號(hào)去基準(zhǔn)后,從4096點(diǎn)開始，等間距取60段,每段4096點(diǎn),再分別作4096點(diǎn)FFT,最后求出其平均幅值譜,如圖8(b)所示。根據(jù)頻譜圖可以發(fā)現(xiàn):經(jīng)過自適應(yīng)極化噪聲抵消后信號(hào)調(diào)理電路2輸出信號(hào)中基本不存在極化噪聲,只存在12.5Hz的流量信號(hào)。由此說明,基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消電路能有效濾除電極輸出信號(hào)中的極化噪聲。
3.3電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)
為了測(cè)試基于自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的信號(hào)調(diào)理電路2的實(shí)際效果,進(jìn)行了容積法水流量標(biāo)定試驗(yàn)。標(biāo)定試驗(yàn)中,在流速為0.15~5m/s的范圍內(nèi)，共選取了6個(gè)標(biāo)定點(diǎn),并通過示值誤差擬合方法計(jì)算儀表系數(shù)"],然后驗(yàn)證了電磁流量計(jì)的精度。放大340倍24位ADC水流量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
由表1可知:在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi),電磁流量計(jì)的最大測(cè)量誤差都在+0.3%以內(nèi),重復(fù)性誤差均在0.1%以內(nèi),滿足0.3級(jí)電磁流量計(jì)要求。該結(jié)果說明,采用該信號(hào)調(diào)理電路的基于DSP的電磁流量計(jì)具有很好的測(cè)量精度。同時(shí),與放大倍數(shù)為180倍的電磁流量計(jì)相比，該設(shè)計(jì)提高了流量信號(hào)的放大倍數(shù),可以實(shí)現(xiàn)更低流量的測(cè)量,即可以采用該方法來拓寬電磁流量計(jì)的測(cè)量下限。
3.4降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)
當(dāng)電路放大倍數(shù)較大時(shí)，流量信號(hào)幅值相應(yīng)較高,對(duì)ADC分辨率的要求降低,這樣就可以采用位數(shù)較低的ADC來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測(cè)量。同時(shí)，降低ADC位數(shù)也將降低電路的成本。所以,通過改變電路的放大倍數(shù)和ADC采樣位數(shù)，并采用水流量標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
電極輸出信號(hào)經(jīng)過自適應(yīng)極化噪聲抵消后,信號(hào)調(diào)理電路2最大放大倍數(shù)可達(dá)4000倍。所以,可將信號(hào)調(diào)理電路2的放大倍數(shù)由340倍提高至3500倍。普通DN40的電磁流量傳感器流速測(cè)量下限為0.5m/s,通過上位機(jī)采集了放大3500倍的信號(hào),發(fā).現(xiàn)流速0.5m/s時(shí)信號(hào)峰峰值約為346.7mV,而測(cè)量電壓范圍為+5V的16位ADC的分辨率為153μV,足以識(shí)別信號(hào)。所以,采用了16位ADC。16位ADC有效位數(shù)-一般在14~16位。為了方便在同等條件下驗(yàn)證效果,不再重新設(shè)計(jì)電路,而是在標(biāo)定時(shí)取原有24位ADC的高14位來模擬16位ADC的效果。
在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi)，共選取了5個(gè)標(biāo)定點(diǎn),并通過示值誤差擬合方法計(jì)算出儀表系數(shù)。然后,驗(yàn)證電磁流量計(jì)的精度。放大3500倍、16位ADC水流量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
由表2可知:在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi),電磁流量計(jì)的最大測(cè)量誤差都在+0.3%以內(nèi),重復(fù)性誤差均在0.1%以內(nèi),滿足0.3級(jí)電磁流量計(jì)要求。這說明提出的基于硬件系統(tǒng)前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方法能有效抵消極化噪聲,可以將信號(hào)放大較高的倍數(shù),從而有效降低ADC的采樣位數(shù),并減少成本。另外，濾除極化噪聲后,放大的電極輸出信號(hào)幅值在電路中不會(huì)超過+5V。這樣就可以將電路中芯片的供電電壓降至+5V,以減小電路功耗。
4結(jié)論
極化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號(hào)幅值,會(huì)造成電極輸出信號(hào)信噪比較低;同時(shí)，極化噪聲的漂移會(huì)限制電路的放大倍數(shù),增加了ADC采樣位數(shù)、電路成本、功耗等。針對(duì)這些問題,通過對(duì)電極輸出信號(hào)采集與頻譜分析,研究了極化噪聲的分布特性,發(fā)現(xiàn)漂移的極化噪聲主要分布于零頻附近的低頻區(qū)域,基本不與信號(hào)頻段重疊。
根據(jù)極化噪聲的分布特性,提出了一種基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案,并用硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。前置差分放大后的電極輸出信號(hào)經(jīng)過一一個(gè)八階低通濾波器,提取出其中的極化噪聲;然后以極化噪聲作為前饋量,經(jīng)過下級(jí)放大器,用差分放大后的電極輸出信號(hào)減去極化噪聲,以此實(shí)現(xiàn)極化噪聲的自適應(yīng)抵消。
為驗(yàn)證該方案的實(shí)際效果,設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路2,配合課題組原有的變送器及DN40傳感器，在容積法水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)。信號(hào)調(diào)理電路濾波試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠有效消除電極輸出信號(hào)中的極化噪聲。電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)信號(hào)調(diào)理電路放大340倍、ADC為24位時(shí),在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi)，流量計(jì)的精度為0.3級(jí)。這說明采用自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的信號(hào)調(diào)理電路2能夠滿足實(shí)際測(cè)量要求，且提高信號(hào)放大倍數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更低流量的測(cè)量。降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明,將信號(hào)調(diào)理電路放大倍數(shù)提高至3500倍,同時(shí)用24位ADC的高14位來模擬16位ADC,在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi),流量計(jì)的精度可達(dá)0.3級(jí)。這說明基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方法可以將信號(hào)放大較高的倍數(shù),從而有效降低ADC的采樣位數(shù)、芯片供電電壓，以及電路成本和功耗。
以上內(nèi)容源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)聯(lián)系即刪除!
