電磁流量計(jì)中的抗干擾技術(shù)
為了抑制和排除電磁流量計(jì)測(cè)量過程中的干擾，提髙信噪比，提髙測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性，討論了電磁流量計(jì)幾 類干擾噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)理和特征，簡(jiǎn)要闡述了電磁流量計(jì)的幾種硬件和軟件方面的抗干擾技術(shù)。硬件方面設(shè)計(jì)了髙精 度低功耗的矩形波激磁電路，并從激磁電路中引出A/ D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，提髙了 A/ D轉(zhuǎn)換結(jié)果的抗干擾能力。軟件方 面主要釆用“計(jì)算斜率法”和“正負(fù)差值法”相結(jié)合的方法消除零點(diǎn)漂移。實(shí)驗(yàn)表明，這些方法在智能電磁流量計(jì)的測(cè)量過 程中取得了明顯的效果。
0.引言
電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律來測(cè)量導(dǎo) 電液體的體積流量的儀表，具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，例 如:無可動(dòng)部件，不會(huì)產(chǎn)生壓力損失和堵塞管道;測(cè)量 導(dǎo)電介質(zhì)的流量，不受溫度、黏度、密度、壓力、雷諾數(shù) 以及在一定范圍內(nèi)電導(dǎo)率變化的影響;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 流速等等⑴。但在實(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)候干擾信號(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，提高測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性就成 了研制和使用電磁流量計(jì)的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。
以往的電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)很多還有待改進(jìn)，例如： 激磁電路基本采用模擬式恒流源，功耗大的同時(shí)也引 入了干擾，并且精確度不高⑴;轉(zhuǎn)換器大多使用8位或 16位的單片機(jī)，較為復(fù)雜的算法就難以實(shí)現(xiàn)或響應(yīng)時(shí) 間過慢[2];抗干擾主要集中在硬件電路的設(shè)計(jì)等。本 系統(tǒng)采用32位ARM處理器，提高數(shù)據(jù)處理能力和算 法復(fù)雜度;并設(shè)計(jì)了低功耗的激磁電路，同時(shí)利用反饋 原理消除激勵(lì)電流不穩(wěn)定對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響并 在軟件算法和硬件電路方面提出了有效的消除零點(diǎn)漂 移以及其他干擾的措施，使電磁流量計(jì)測(cè)量精度更為 提髙。
1.電磁流量計(jì)的測(cè)量原理
由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做 切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體兩端就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 設(shè)在磁場(chǎng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中放置一個(gè)垂直于磁 場(chǎng)方向的直徑為D的管道,當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中流動(dòng)時(shí),導(dǎo)電液體切割磁力線,就會(huì)在和磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂 直的方向產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果在管道截面上垂直于 磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極,兩電極之間就會(huì)產(chǎn)生 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)n 1。如管道內(nèi)流速v為軸對(duì)稱分布,不考 慮感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正負(fù)可得：
U =d.0 = B,d A = BD d 1 = BDv d t d t d t
其中,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁通量變化面積,D 為導(dǎo)體長(zhǎng)度,d 1為被測(cè)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的距離,v為被測(cè)介 質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度,U為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
所測(cè)液體的體積流量為:式(1)說明，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo) 體兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成 正比,與導(dǎo)體的長(zhǎng)度D成正比,與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的速度v 成正比。由式(2)可知液體的體積流量與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 成正比,這就是電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理。
2.電磁流量計(jì)中的干擾源分析
傳感器提供給轉(zhuǎn)換器的流量信號(hào)是電極間的電位 差,即一種電壓信號(hào)。在實(shí)際測(cè)量中，由于電磁感應(yīng)、 靜電感應(yīng)以及電化學(xué)電勢(shì)等原因，電極上所得到的電 壓不僅僅是與流速成比例的電動(dòng)勢(shì),也包含各種各樣 的干擾成分在內(nèi)。
首先電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場(chǎng)存在大量的工頻信號(hào)， 耦合在激磁回路、電極、前端放大器的工頻干擾噪聲對(duì) 流量測(cè)量的準(zhǔn)確性造成極大的影響。其次,在低頻矩 形波激磁方式下,其干擾主要表現(xiàn)為由激磁電流突變 產(chǎn)生的微分干擾信號(hào),隨著電流的穩(wěn)定,干擾信號(hào)隨之 消失;另外，由于電磁流量傳感器的“變壓器效應(yīng)”,會(huì) 產(chǎn)生相位上與流量信號(hào)相差90°的正交干擾信號(hào);此 外，由于電磁屏蔽缺陷,接地不良，雜散電容等引起返 回電流不平衡產(chǎn)生共模干擾,它可能導(dǎo)致電路某些參 考電位變化,是造成電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的原因之一， 同時(shí)產(chǎn)生高的輻射電場(chǎng)使電路的電磁兼容性惡化；串 模干擾是由于印刷電路板設(shè)計(jì)電磁兼容性考慮不足造 成的信號(hào)質(zhì)量下降,特別是高速走線和模擬電路易受 到影響;還有就是電化學(xué)極化電動(dòng)勢(shì)干擾,它是被測(cè)液 體中電解質(zhì)在感應(yīng)電場(chǎng)作用下在電極表面極化產(chǎn)生, 是電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的主要原因[3]。
3.電磁流量計(jì)的抗干擾措施及其效果分析
3.1髙精度的激磁電路的設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)采用6.25Hz的雙極性低頻矩形波激磁，直流激磁產(chǎn)生的電極極化 效應(yīng),也可以克服工頻正弦波激磁產(chǎn)生的正交干擾影 響。
以往的激磁電路的設(shè)計(jì)都是采用恒流源和可控開 關(guān)電路組成。恒流源是由電壓基準(zhǔn)、比較放大、控制調(diào) 整和采樣等部分組成的直流負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),常 用的激磁電路就是用串聯(lián)調(diào)整型恒流電源盒控制開關(guān) 組成的,如圖1。其中Kref是參考電壓,Rs是采樣電 阻’ Is為流過Rs的電流,就是所需的恒流,RL為電磁 流量傳感器線圈，K1、K2、K3、K4為可控開關(guān)，以達(dá)到 使線圈RL中流經(jīng)正負(fù)交換的電流,對(duì)傳感器激磁。
= Vs = Vref s = Rs = Rs 由此可知,要想獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電流Is ,首 先,必須要提供一個(gè)高精度的基準(zhǔn)電壓和高精度采樣 電阻。由于運(yùn)放在調(diào)整控制過程中的作用’運(yùn)放的增益 直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運(yùn)放是 必要的選擇。由于采樣電阻與負(fù)載串連,流過的電流通 常比較大,因此局部溫度也會(huì)隨之上升,導(dǎo)致元器件溫 度上升,恒流源的溫度穩(wěn)定性變壞,采樣電阻Rs隨溫 度或其他環(huán)境參數(shù)的變化而改變’勢(shì)必影響Is的精 度。其次,恒流電源的輸出電流全部流過調(diào)整管，因此 調(diào)整管上的功耗也很大,必須選擇大功率的晶體管,然 而大功率晶體管需要較大的基極驅(qū)動(dòng)電流,以滿足對(duì) 運(yùn)放有較高驅(qū)動(dòng)能力的要求。再次,雙極型三極管的 漏電流和電流放大系數(shù)對(duì)溫度比較敏感,溫度穩(wěn)定性 較差。還有，電壓電流變換器使用的負(fù)反饋閉環(huán)控制， 電流穩(wěn)定度與放大器放大倍數(shù)有直接關(guān)系,在大功率 電源里基本上是倒數(shù)關(guān)系。運(yùn)放的溫度漂移和失調(diào)對(duì) 電路的精度和溫度穩(wěn)定性有很大的影響[4]。
為此,設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的激磁電路,并將激勵(lì)電流 反饋到A/D轉(zhuǎn)換器，以消除激勵(lì)電流不穩(wěn)定對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響,如圖2。
其中+24V是由220V的交流電通過變壓、整流、 濾波之后,輸入可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317 ,通過高精度 的滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)而得到的恒壓源。LM317保證1. 5A輸出電流,典型線性調(diào)整率0.01%,典型負(fù)載調(diào)整 率0. 1 % ,80dB紋波抑制比,輸出短路保護(hù),過流、過熱 保護(hù),調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)。系統(tǒng)的微控制器采 用ARM7芯片STR710 ,通過它的I/O端口控制圖2 中的P2. 8和P2. 9 ,ARM7芯片STR710進(jìn)行控制，使 端口 P2輸出正負(fù)24V交變的矩形波,從而對(duì)傳感器 激磁。另外,Vref( +)接該系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器的參考輸 入端 VREF ( + ) 。
整個(gè)電路的工作過程為：當(dāng)P2. 9為高電平時(shí)， Q1、Q2、Q3、Q4導(dǎo)通,此時(shí)Q5的基極電流為零,Q5截 止,此時(shí)P2的端口 2輸出+24V的電壓。此時(shí)P2. 8 為低電平眾、Q7、Qs、Q9,此時(shí)有電流流經(jīng)Q1。基極,并 使其基極和發(fā)射級(jí)導(dǎo)通,Q1a的功能相當(dāng)于一個(gè)二極管 的作用，此時(shí)P1端口沒有電壓輸出。那么,A/D轉(zhuǎn)換 器的參考輸入端Vref ( +)為：
其中’ VP2是P2端口輸出電壓幅值的絕對(duì)值,此 處應(yīng)該是+24V。整個(gè)電路是對(duì)稱的,且R'5 = R20 ,當(dāng) P2.9為低電平,P2.8為高電平時(shí),P2的端口 2無電壓 輸出，端口 1輸出+ 24V的電壓,Vref( +)值不變,如 此周而復(fù)始輸出頻率為6. 25Hz的的雙極性矩形波。 用Multisim仿真結(jié)果如圖3所示。
此夕卜,把Vref( + )作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考輸入， 可以大大提高系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果 可表示為：
ry n ry n
D = Vref+ .Vm= V ref+ ^ ^ ^
其中,VmS經(jīng)放大、濾波處理過的電壓信號(hào),也是 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)，VoUt為傳感器輸出的原始流 量信號(hào),K0為信號(hào)放大倍數(shù)。
由式(11)、12)可知,在保證R21精度的前提下， A/ D轉(zhuǎn)換的結(jié)果只與液體的流速有關(guān),不受電磁流量 傳感器線圈電阻變化的影響。該電路通過MCU控制 三極管的通斷得到激磁信號(hào),三極管的為電流控制元 件,該電路實(shí)現(xiàn)了小電流控制大電壓,三極管的功耗 低,電路的響應(yīng)速度快,溫度穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng)， 對(duì)電磁流量計(jì)整體精度的提高起到了決定性的作用。 3.2微分干擾和工頻干擾的消除
信號(hào)中往往同時(shí)存在微分干擾和工頻干擾信號(hào), 在信號(hào)處理電路中的低通濾波往往很難將工頻干擾完 全濾出。本系統(tǒng)采用了同步采樣和工頻補(bǔ)償技術(shù)，以 抑制流量信號(hào)電勢(shì)中混入工頻干擾和工頻電源頻率波 動(dòng)產(chǎn)生工頻干擾,并有效去除微分干擾。同步采樣技 術(shù),采樣開始時(shí)間滯后激磁信號(hào)1/4個(gè)周期,其采樣脈 寬為工頻周期的偶數(shù)倍,消除微分干擾的同時(shí)使流量 信號(hào)電勢(shì)中工頻干擾平均值等于零,以消除工頻干擾 的影響;工頻電源的頻率波動(dòng)補(bǔ)償是保證頻率的動(dòng)態(tài) 波動(dòng)中,激磁電源和采樣脈沖得以同步調(diào)整,真正實(shí)現(xiàn)
同步采樣技術(shù)和同步激磁技術(shù)，同步A/D轉(zhuǎn)換，降低 了微分干擾和工頻干擾的影響。
零點(diǎn)漂移消除
所謂零點(diǎn)漂移，就是當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)為零時(shí)， 放大器的輸出并不是零[6]。零點(diǎn)漂移的信號(hào)會(huì)在各級(jí) 放大的電路間傳遞，經(jīng)過多級(jí)放大后，在輸出端成為較 大的信號(hào)，由于傳感器輸出的有用信號(hào)較弱，零點(diǎn)漂移 就可能將有用信號(hào)淹沒，使電路無法正常工作。零點(diǎn) 漂移可分為基線零點(diǎn)漂移和斜率零點(diǎn)漂移[7]。對(duì)于零 點(diǎn)漂移的抑制，該系統(tǒng)采用軟硬件相結(jié)合的措施。硬 件電路方面，采用三運(yùn)放的差動(dòng)電路輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)大內(nèi) 阻的微弱信號(hào)采集，并有效抑制了共模信號(hào)的引入m。 一級(jí)放大電路之后采用隔直電容，濾除基線零點(diǎn)漂移， 防止直流信號(hào)過大，超出A/D轉(zhuǎn)換的輸入范圍。
有時(shí)硬件的方法是不可能完全滿足系統(tǒng)的要求 的，必須結(jié)合軟件的方法才能更好地達(dá)到系統(tǒng)的要求， 也就是現(xiàn)在所說的軟件即是虛擬硬件。結(jié)合硬件采用 軟件的方法簡(jiǎn)單易行，可以很好消除采集數(shù)據(jù)中的零 點(diǎn)漂移，并且其成本比用硬件的方法低，改進(jìn)軟件的算 法可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)。對(duì)于該系統(tǒng)的零點(diǎn)漂 移，采用“計(jì)算斜率法”和“正負(fù)差值法”相結(jié)合的方法 可以很有效地消除基線零點(diǎn)漂移和斜率零點(diǎn)漂移對(duì)電 磁流量計(jì)精度的影響。
圖4為經(jīng)過信號(hào)處理和同步采樣后的信號(hào)，同時(shí) 存在基線零點(diǎn)漂移和斜率零點(diǎn)漂移。斜率零點(diǎn)漂移則 多見于積分系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移，積分器的零點(diǎn)可能 會(huì)出現(xiàn)隨時(shí)間累加漂移。此外，外界的環(huán)境溫度的變 化也是斜率零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的重要原因。
鑒于斜率零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的機(jī)理’可以在標(biāo)定的時(shí) 候確定零點(diǎn)漂移的斜率K。也就是在管道液體靜止不 動(dòng)流量為零的時(shí)候?qū)敵鲂盘?hào)進(jìn)行采樣,設(shè)從時(shí)間6 進(jìn)行采樣’采樣歷時(shí)山,經(jīng)過一段時(shí)間后又從f2開始 采樣,歷時(shí)么后采樣結(jié)束。分別得到兩組離散的信號(hào)
X1到X?和X〗到分別除去最大值、最小值后對(duì)剩 下(n - 2)個(gè)值進(jìn)行平均,得:
x 。(xi 本 xmax ^且 xi 本 xmin) (13)
n- 2
= 1 2 〉X/i(x i ^ max 且 X、矣 X mJ (14) n- 2
那么斜率零點(diǎn)漂移的斜率為:
k = X - X (15)
12 - f1
對(duì)于基線零點(diǎn)漂移，“正負(fù)差值法”是比較有效便 捷的選擇,它不需要直接消除信號(hào)中的基線零點(diǎn)漂移, 而是通過算法上去掉基線零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影 響。該系統(tǒng)中,激磁信號(hào)的頻率為6. 25Hz，由于所測(cè)量 的液體流速不會(huì)有明顯的突變，所以在信號(hào)的一個(gè)周 期0. 16s內(nèi),可以采用一個(gè)波峰減去波谷的均值來表 示此時(shí)的流量信號(hào),也即如圖3中I n - J1 I ,其中為 是從nT + T/4到nT + T/2采樣結(jié)果的算術(shù)平均值’ J1是從到(n + 1) T進(jìn)行米樣結(jié)果的算術(shù)平均值。但是 由于斜率零點(diǎn)漂移的存在,會(huì)出現(xiàn)如圖3中I方-y2 I 的誤差,所以需要利用式〈15)的結(jié)果對(duì)該誤差進(jìn)行修 正’修正后的結(jié)果也就是此時(shí)管道中液體感應(yīng)出的電 動(dòng)勢(shì)為:
1 . T 1 ; X7 - X
U = 21 y3- y2 + k ■ 21 = 21 y3 _ y2 + h - h
? 2T 1 (16)
對(duì)于式(16)結(jié)果，去除了工頻干擾、微分干擾、零 點(diǎn)漂移的影響，大大提高了電磁流量計(jì)的測(cè)量精度。
其他去除干擾的措施
對(duì)于由電磁流量傳感器的“變壓器效應(yīng)”所產(chǎn)生的 正交干擾，采用“變送器調(diào)零法”來消除，這個(gè)方法既方 便又實(shí)用。
軟件設(shè)計(jì)方面，采用了數(shù)字濾波技術(shù)，它能完成模 擬濾波不能完成的功能，很容易剔出脈沖干擾，消除數(shù) 字電路毛刺，提高A/D轉(zhuǎn)換的抗工頻干擾能力以及輸 入微處理器數(shù)字的可靠性。此外，還采用了掉電保護(hù) 技術(shù)，軟件指令冗余措施，軟件陷阱抗干擾方法以及看 門狗技術(shù)，這些措施的采用有效地排除了智能電磁流 量計(jì)微處理器失控。
在PCB電路板制作上，采用數(shù)字地與模擬地分開 走線并加粗，最后用0歐電阻單點(diǎn)相連。數(shù)字電源與 模擬電源也分開供電，合理加裝了去藕電容，并協(xié)調(diào)好 不同類型IC的點(diǎn)評(píng)匹配。數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)分開 走線，有效防止了并行走線產(chǎn)生寄生電容和共生電容。 選擇高性能的抗干擾芯片，這是抗干擾技術(shù)重要環(huán)節(jié)。
在電磁流量計(jì)的安裝方面，使傳感器的外殼應(yīng)接地，并且將流量調(diào)節(jié)閥門放在流量計(jì)的下游，垂直安裝 (若水平安裝的流量計(jì)應(yīng)保證上游10倍直徑,下游5 倍直徑的直管段）,這樣達(dá)到整流的目的，從而減小了 流速分布不均對(duì)測(cè)量精度的影響。減短信號(hào)傳送電 纜，否則由電纜分布電容引起的負(fù)載效應(yīng)就會(huì)增大測(cè) 量誤差，也增加了信號(hào)受到干擾的可能。
4.結(jié)束語
智能電磁流量計(jì)多種抗干擾技術(shù)的采用，大大抑 制和消除了干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響,增強(qiáng)了電磁 流量計(jì)的抗干擾能力，經(jīng)電磁流量計(jì)制作樣機(jī)反復(fù)實(shí) 驗(yàn)證明，測(cè)量精度可達(dá)到0. 5 % ,提高了以往測(cè)量的精 度和可靠性。
