電磁流量計(jì)是一種測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的感應(yīng)式儀表,以法拉第電磁感應(yīng)定律為zui基本的理論依據(jù)。民有很多突出的優(yōu)點(diǎn),如:無(wú)可動(dòng)部件,不會(huì)產(chǎn)生壓力損失和堵塞管道;測(cè)量原理為線性、精度高、測(cè)量范圍大;耐腐蝕性好并且可測(cè)量正反流速等。現(xiàn)在電磁流量計(jì)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟。大口徑(≥1m)電磁流量計(jì)流量的標(biāo)定和小口徑(3~80m)電磁流量計(jì)的測(cè)量精度是該行業(yè)主要的研究方向。在實(shí)際測(cè)量中,干擾信號(hào)與有用的信號(hào)混在一起,它們不僅成分復(fù)雜,而且有時(shí)干擾信號(hào)還會(huì)比流量信號(hào)大。在這種情況下怎樣抑制和排除這些干擾,提高信噪比就成了研制和使用電磁流量計(jì)的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。
由于勵(lì)磁磁場(chǎng)的突變會(huì)產(chǎn)生一些非常復(fù)雜的干擾,其中同相干擾與正交干擾為電磁流量計(jì)的主要干擾。去除正交干擾可以采用如下兩種方法:一種是人為地造成一個(gè)與正交干擾幅值相同的信號(hào),用此信號(hào)與于擾信號(hào)相互抵消;另一種是讓引出線組成的閉合回路在磁場(chǎng)交鏈的磁通所形成的電流之代數(shù)和為零。**種方法會(huì)引人新的干擾,去除干擾效果不理想,第二種方法在小口徑電磁流量計(jì)(DN3mm~DN80mm)范圍內(nèi)難于實(shí)現(xiàn)。筆者提出了一種有效消除干擾的方法:對(duì)流量計(jì)電極間信號(hào)建立數(shù)學(xué)模型,并對(duì)模型處理,可以將干擾信號(hào)與流量信號(hào)分離,為消除干擾提供了方便。下面主要討論這種方法。
本文主要研究在正弦波勵(lì)磁方式下電磁流量計(jì)各種干擾的解決方法。在實(shí)際應(yīng)用中,流量計(jì)電極間信號(hào)都摻雜有大量的干擾信號(hào):微分干擾、同相干擾、共模干擾和串模干擾等。以上信號(hào)都是由相對(duì)獨(dú)立的信號(hào)源產(chǎn)生。將這些信號(hào)物理疊加起來(lái)列出公式如下：
式中,E為流量計(jì)電極間信號(hào);Es為水流切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì);E’為各項(xiàng)干擾電動(dòng)勢(shì),包括微分干擾ew同相干擾et,、共模干擾ec、串模干擾ed和其他干擾eq;B為磁場(chǎng)強(qiáng)度;D為流管直徑;v為水流速度。
共模干擾ec和串模干擾ed是電磁流量計(jì)附近的電磁干擾和靜電干擾產(chǎn)生的,可以通過(guò)靜電屏蔽和良好的接地加以抑止,其他干擾eq包括直流極化電壓和些微小干擾。直流極化電壓可通過(guò)提高勵(lì)磁頻率加以克服,所以做好這些干擾的抗干擾措施后,可以把式(1)簡(jiǎn)化為：
在正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)中,兩電極的引線處于交變磁場(chǎng)中。流量計(jì)管內(nèi)沒(méi)有水流速度,電磁流量計(jì)的勵(lì)磁線圈通入正弦波電流時(shí),在引線的閉合回路內(nèi)就產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),即微分干擾和同相干擾電勢(shì)。
微分干擾電動(dòng)勢(shì)可以用磁場(chǎng)對(duì)時(shí)間的一次微分表示,同相干擾電動(dòng)勢(shì)可以用磁場(chǎng)對(duì)時(shí)間的二次微分來(lái)描述。微分干擾和同相干擾與磁場(chǎng)強(qiáng)度B的關(guān)系式如下：
在正弦波勵(lì)磁方式下,假定勵(lì)磁電流為I=Imsinωt,其中ω=2πf,流量計(jì)的勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度B和勵(lì)磁電流相位相同,所以得到公式為B= Bmsinωt。將此公式帶入式(3)和式(4)可得
將式(5)和式(6)代入式(1),用已知量表示流量計(jì)電極間信號(hào)E得到式(7)如下
式(7)中,( BmDvsinωt)項(xiàng)為水流切割管內(nèi)磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì);磁場(chǎng)強(qiáng)度Bm、管內(nèi)直徑D和ω都是已知量;v為要求的水流速度;[2πf Bmcosωt-(2πf)²•Bm sinωt]項(xiàng)為干擾電動(dòng)勢(shì)。由于信號(hào)構(gòu)成存在差異,所以去除干擾信號(hào)的方法有很多種。例如:干擾信號(hào)與流量信號(hào)存在90°的相位差,可以用相敏檢波的方法去除干擾信號(hào);干擾信號(hào)與流量信號(hào)頻率不同時(shí)可以用帶通濾波、帶阻濾波、高通濾波和低通濾波的方法。從式(7)中可以看出:流量計(jì)的干擾信號(hào)與流量信號(hào)都是交流信號(hào),頻率相同但相位差不同。上面提到的方法不能完全去除此流量計(jì)的干擾,所以筆者采用如下方法,將流量計(jì)電極間信號(hào)E與勵(lì)磁電壓信號(hào)U相乘處理,得到電壓U0如下式：
信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后得到的信號(hào)U0是由兩部分構(gòu)成,直流分量[(UmBmDv)/2]-[(UmBmωt)/2]和交流分量UmBmωsin (2ωt)/2-UmBmDv*cos(2ωt)/2+UmBmω²*cos(2ωt)微分干擾電壓形成后被轉(zhuǎn)化成頻率為2ω交流成分)。由上式可知直流分量與水流速度成線性關(guān)系,其中的-(UmBmω²)/2將決定系統(tǒng)的零點(diǎn)。交流分量的頻率為勵(lì)磁頻率2倍。對(duì)電壓信號(hào)U0進(jìn)行濾波,濾除交流信號(hào)得到的直流信號(hào)輸入到A/D進(jìn)行采樣,再輸入給MCU經(jīng)過(guò)編程處理,zui后由液晶顯示出流量計(jì)的流量值。下面是用實(shí)際電路對(duì)本方法進(jìn)行驗(yàn)證。
2、實(shí)際電路對(duì)理論驗(yàn)證
將上述的理論分析應(yīng)用到實(shí)際電路中,主要用到的器件是乘法器,電路中選擇的乘法器是TI公司的MPY100A,此芯片的優(yōu)點(diǎn):①差模輸入抑制有害的共模信號(hào)(溫度、電源電壓等的變化引起的零點(diǎn)漂移和其
他干擾信號(hào)都可以視作共模信號(hào));②輸人補(bǔ)償電壓值Z2可以用來(lái)對(duì)系統(tǒng)調(diào)零。硬件電路圖如圖1所示。
MPY100A的輸出公式為U’0=[X1-X2)(Y1-Y2)]/10+Z2,如圖1所示,X2和Y2相連并接地這樣使得E和U有相同的參考信號(hào)減小了外部干擾的引人,X1和Y1相乘減小了10倍,零點(diǎn)補(bǔ)償電壓(-UmBmω²)x(-1/10)=UmBmω²輸人給Z2,這樣zui后的U’0為
由式(8)可以看出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理之后得到U'0,交流部分[UmBmω*sin(2ωt)/2]-[UmBmDv*cos(2ωt)]+[UmBm ω ² cos(2ωt)/2]可經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除,直流部分UmBm Dv/2經(jīng)過(guò)放大后直接輸人MCU進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)顯示出來(lái)。
下面是電磁流量計(jì)口徑為5mm,水流速度約為2~18m/s,這里實(shí)際流量是通過(guò)容量法測(cè)量的。經(jīng)過(guò)采樣取32組數(shù)據(jù)做出曲線圖如圖2所示。
測(cè)量流量值α是用傳統(tǒng)正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)曲線,測(cè)量流量值b是用本文中信號(hào)處理方法設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)曲線。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可以知,用傳統(tǒng)的正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)測(cè)
得的流量值的零點(diǎn)漂移很大,誤差范圍為±0.2%,而用本文信號(hào)處理方法設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)曲線與實(shí)際流量信號(hào)的曲線相似度很高,此方法的測(cè)量誤差范圍為±0.15%。
3、結(jié)束語(yǔ)
對(duì)正弦波勵(lì)磁基礎(chǔ)上電磁流量計(jì)極間電動(dòng)勢(shì)信號(hào)做了理論分析,提出了把極間信號(hào)與勵(lì)磁信號(hào)進(jìn)行相乘變換的方式來(lái)提取流速信息、完成信號(hào)處理,有效地指導(dǎo)了新型電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)的研制。成功地研制出了基于乘法原理的新型電磁流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng),將理論在電路上得以實(shí)現(xiàn),對(duì)正弦波勵(lì)磁下的信號(hào)處理方式做了創(chuàng)新。不僅對(duì)理論上的分析做了實(shí)踐的證明,說(shuō)明了筆者分析的正確性,而且對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)流量計(jì)性能提供了參考和依據(jù)。
根據(jù)在建模與分析中遇到的困難以及當(dāng)前電磁流量計(jì)的現(xiàn)狀,對(duì)今后的研究工作提出以下建議和改進(jìn)
①筆者是采用硬件乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的相乘,這必將受到乘法器精度、速度等性能的影響,而且硬件乘法器的價(jià)格很高,增加了設(shè)計(jì)成本。所以可以考慮兩路信號(hào)都采用數(shù)字同步采樣再經(jīng)過(guò)軟件相乘的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),這樣既降低了成本,對(duì)性能也將有所改善。
②在正弦波勵(lì)磁方式下,也可采用其他的信號(hào)處理方法。如對(duì)傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,結(jié)合HHT和FFT等算法,從干擾信號(hào)頻率入手,更加有針對(duì)性地消除干擾成分,提高了信號(hào)的信噪比。
上一條：
電磁流量計(jì)輸出波動(dòng)原因分析和處理
下一條：
一種大口徑電磁流量計(jì)在線校準(zhǔn)的方法
