摘　要(yao)：采用帶阻濾波的(de)信号處理方法，處(chù)理低頻矩形🙇‍♀️波勵(li)磁下由傳感器輸(shu)出的信号，有效抑(yì)制工頻幹擾。結果(guo)💋表明，系統測量精(jing)度優于0.4％，達到了工(gōng)業測量标準。
0　引言(yan)
　　電磁流量計 原理(lǐ)爲法拉第電磁感(gǎn)應定律，主要由流(liú)量常感器和變送(sòng)器組成。電磁流量(liang)計有許多良好性(xing)能，如結❓構簡單、較(jiao)🏃🏻‍♂️強的耐腐蝕性、較(jiào)高的穩定性、較高(gāo)的精度等，在給供(gòng)水、鋼鐵、石油、煤炭(tàn)🌈、化工、醫療、航海、農(nóng)業灌溉等領💛域有(you)着廣🏃‍♀️泛應用［1］。流量(liang)傳感器的主要作(zuo)用是當流經導管(guan)内的導電液體做(zuò)切割磁感線運❗動(dòng)時，會産生電動勢(shi)，将導電液♍體的體(tǐ)積流量🛀轉換成需(xu)要的電信号，再傳(chuan)送💘給變送器作進(jìn)一步處理。變送器(qì)主要由勵磁電路(lu)、濾波電路、前置放(fàng)大調整電路、采樣(yàng)電路、電流信号輸(shu)出電路及脈沖信(xin)⭐号輸出電路組成(cheng)。
　　電磁流量技術的(de)發展主要體現在(zai)勵磁方案改進和(he)信号處理算法優(you)化方面。電磁流量(liang)計的勵磁方😘案直(zhí)接決定了其抗幹(gan)擾🛀性能和零點的(de)穩定性。信号處理(li)的重點是幹擾噪(zào)聲去除，其中主要(yao)的幹擾是工頻幹(gan)‼️擾、同相幹擾、正交(jiāo)幹擾、極化現象、白(bái)噪聲幹擾和零點(diǎn)偏移。采用直💜流勵(li)磁方案，将不會産(chan)生😄渦流效應，并且(qie)有着較小的正交(jiāo)幹擾和同相幹擾(rao)；采用正弦😄波勵磁(ci)🏃🏻‍♂️方案，可以很好地(di)控制極化現象産(chǎn)生，并有着良好的(de)🐆抗噪能力；采用低(di)頻矩形波勵♋磁方(fang)案，兼顧直流勵磁(ci)和正弦波勵磁的(de)優點，因此應用廣(guang)泛。
　　本文采取低頻(pin)矩形波勵磁方案(àn)。可導電的流體切(qiē)割🌈磁感線，從而在(zai)電極上會有電動(dong)勢産生，但是電壓(yā)十🏃🏻分弱，流量傳感(gǎn)器的🐉輸出信号會(huì)受工頻幹擾，帶來(lai)較低的信噪比，特(te)别是在導電液體(tǐ)流速較低的情形(xíng)下💜，有效的流🔴量信(xìn)号可🥰能完全被噪(zào)聲信号🙇‍♀️覆蓋。本文(wen)在采取低頻矩形(xíng)波勵磁條件下，在(zài)現有信号處理方(fāng)法的基礎上，采取(qǔ)🚶巴特沃斯帶阻濾(lǜ)波信号處理方法(fǎ)，可以有效👣消除50HZ的(de)工頻幹擾［2］，以此來(lái)提🚩高流量傳感器(qì)輸♋出信号的信噪(zao)比♈，并在MSP430上實現，可(ke)有效處理水流量(liang)信号。通過标準表(biao)标定實🧑🏽‍🤝‍🧑🏻驗，擁🌂有較(jiao)爲理想的測量精(jing)度🈲和重複性。
1　帶阻(zǔ)濾波方法
1.1　算法原(yuán)理及推導
　　流量傳(chuan)感器的輸出信号(hao)和被測導電液體(tǐ)的流速之間存在(zai)🐆一定的線性關系(xì)。在理想條件下，采(cai)用低頻矩形波勵(li)磁方式時，從㊙️流量(liang)傳感器輸出信号(hao)，頻🌈率和勵磁電流(liu)相同，并且輸出信(xìn)号的幅值和導電(dian)液體的流♍速之間(jiān)成💋比例關系。但是(shi)，實際中，流量傳✉️感(gǎn)器的輸出信号會(hui)受到多種噪聲的(de)幹擾，經常會摻雜(za)着如微分幹擾、串(chuan)共模幹擾、同相幹(gan)擾等幹擾⚽，使流量(liang)信号和噪聲不能(neng)很好分離，可用方(fang)程（1）表示［3］：

　　式中，BDV是模(mo)拟流量信号。通過(guò)對流量傳感器輸(shu)出信号🈲進行🈲分析(xī)，可以發現輸出信(xin)号有着較寬的頻(pin)率範圍，所以采用(yong)常規✨的低😍通濾波(bo)很難将噪聲去除(chú)。針對流量傳感器(qi)輸出信号的特點(diǎn)，利用現有的模拟(ni)濾波器設計公式(shì)，實現巴特沃斯帶(dai)阻濾波器的設計(ji)，其系統傳遞函數(shù)可以表示爲：

　　因此(cǐ)，設計巴特沃斯帶(dài)阻濾波器的實質(zhì)就是要明确帶寬(kuan)，并确定階數N，在MATLAB中(zhōng)完成濾波器的設(shè)計，并找出系數B、a，使(shi)其滿足預設的技(jì)術要求。
1.2　濾波器實(shi)現
　　電磁流量計的(de)頻率輸出範圍由(yóu)實際應用場景決(jué)✌️定，本文假📐設其範(fàn)圍0～100HZ。依據奈奎斯特(tè)抽樣定理，爲了無(wú)失真地💃🏻恢複出采(cai)💚樣信号，取樣頻率(lǜ)爲采樣頻率的2倍(bei)，即200HZ。爲了去除50HZ工頻(pin)幹擾，選取49HZ的下限(xian)截止頻率；選取51HZ的(de)上限截止頻率；折(she)疊頻㊙️率爲采樣頻(pín)率的1/2，取㊙️Ｍ＝100；對通帶頻(pín)率作歸一化處理(lǐ)，取Ｗｐ

　　衰減取值3dB，即ｐ＝3；阻(zǔ)帶頻率取值20dB，即s=20；确(que)定階數N和截止頻(pin)📞率WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最後确定巴特(te)沃斯帶阻濾波器(qi)，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過MATLAB，設計出巴特(tè)沃斯帶阻濾波器(qì)［6］，再繪制巴特沃斯(si)帶阻濾波器的幅(fu)頻響應曲線和相(xiàng)頻響應曲線，如圖(tu)1所示：

2　MATLAB仿真
　　爲了驗(yàn)證信号處理算法(fǎ)的可行性，需在MATLAB中(zhōng)模拟工🌏業現場👣下(xia)的傳感器輸出信(xin)号。因爲從流量傳(chuan)感器獲取的電壓(ya)信号十分弱，尤其(qí)在導電液體流速(sù)較小的情⛱️形下，有(yǒu)用信号可能會淹(yān)沒在各種噪聲中(zhōng)。所以在MAT-LAB仿真時，要(yao)參👌考實際環境下(xià)輸出信号，模拟的(de)傳感器輸出信号(hào)，要摻雜着工頻幹(gàn)擾、同相幹擾、白噪(zào)聲等幹擾。在導電(diàn)液體的流速小于(yú)1ｍ/ｓ情形下，流量傳感(gan)器能獲取到的電(dian)✍️壓小于10ｍV。本🏃‍♂️文采用(yòng)取低頻💃🏻矩📱形波勵(li)磁的勵磁方案，選(xuan)取50HZ工頻的1/8作勵磁(cí)頻率，即6.25HZ。因此，本文(wén)模拟輸出信号：

　　式(shi)（3）中，等号右邊的各(gè)項依次表示所需(xū)的流量信号🍓、工頻(pin)幹擾、零💋漂、白噪聲(shēng)。産生的信号如圖(tú)2所示。
通過MATLAB，對模拟(nǐ)的傳感器輸出信(xìn)号進行巴特沃斯(si)帶阻濾💘波，從🏃🏻圖3中(zhong)可以看出噪聲在(zai)一定程度上被消(xiāo)除，具體哪種噪聲(sheng)被去除🚶‍♀️，可以通過(guò)對信号作傅裏葉(yè)變換，得到相應的(de)頻譜。使用巴特沃(wò)🌏斯帶阻濾波⛷️器濾(lǜ)波前後的對比結(jie)果如圖3所示。


　　分别對上一步濾(lǜ)波前後的信号進(jin)行ＦＦＴ變換，得到頻譜(pu)圖，這一步是通過(guò)MATLAB實現的，濾波前後(hòu)的頻譜對比如圖(tú)4所示。
　　通過MATLAB，對信号(hao)處理算法進行仿(pang)真，分别對濾波前(qian)後的波形圖、頻譜(pǔ)圖進行對比，發現(xiàn)此濾波方法可以(yi)有效濾除50HZ工頻幹(gan)擾，驗證了所設計(jì)的濾波方法的可(kě)行性☁️。
3　基于MSP430的算法(fa)實現
3.1　系統硬件介(jie)紹
　　基于ＴＩ公司的MSP430芯(xin)片，研制了電磁流(liú)量計的變送器，此(ci)芯🚩片🌍是💯16位🔱超🔞低功(gong)耗混合型微處理(li)器［７］，并且具有豐富(fu)的💋外設，方便系統(tong)功能👌擴展。硬件原(yuán)理如圖5所示，由前(qian)置放大調理電路(lu)、勵磁電💰路、電流信(xìn)号輸出電路、脈沖(chòng)信号輸出電路、LCD顯(xiǎn)示、鍵盤、RS232模塊、開關(guan)電源構🔅成。前置放(fàng)大調理電路主🌍要(yao)完成對電🛀極信号(hào)的放♉大、V/F轉換等功(gōng)能，電流輸出模塊(kuài)♌實現4～20ｍA電流輸出🈲，脈(mo)沖輸出模塊實現(xian)脈⭐沖量的🏃‍♀️輸出，LCD和(hé)按🏃🏻‍♂️鍵用于配置和(he)顯☎️示流量相關參(can)數，RS232用于通訊，開關(guān)電源用于給系統(tong)提供直🧡流電壓。


3.2　系統軟件(jian)設計
　　本系統軟件(jian)設計模塊化的，都(dōu)是由主監控程序(xù)調用分👨‍❤️‍👨配。軟件部(bu)分主要包括：初始(shi)化模塊、通信模塊(kuài)、Watchdog模塊、信号處理🔞模(mó)塊、驅動模塊等。總(zong)體框架如圖6所示(shì)。

　　通過MSP430控制(zhì)驅動模塊産生勵(li)磁電流，以此激勵(lì)流量傳感器的勵(li)磁線圈，從而将導(dǎo)電液體的流量信(xìn)号轉換爲微弱的(de)電動勢，再對其進(jìn)行放大調理、整流(liú)濾波和偏置調整(zheng)，最後送到AD652進行V/F采(cǎi)樣［8］。在本文設計的(de)電磁流量計中，采(cai)用帶阻濾波的方(fāng)法對信号進行實(shí)時處理，得到流量(liang)信号的幅值，再結(jie)合儀表的🌈相應參(cān)數，将幅值轉換成(chéng)需要😘的流量信号(hào)，再通過Modbus将流量信(xin)息傳送至上位機(ji)。
3.3　實驗結果
　　通過水(shuǐ)流量标定實驗驗(yàn)證帶阻濾波算法(fǎ)的可行☀️性。标定❓方(fang)法👌有标準表标定(dìng)法和稱重标定法(fǎ)，采取标準表标定(ding)法，将被測表❓的測(ce)量結果和标準表(biao)的測量結🚶‍♀️果進行(háng)比較。結合相關的(de)參數，計算出系統(tong)🔞的測量精度和重(zhòng)複性，實驗結🌍果如(rú)表1所示。

　　從上述實(shí)驗結果可知，在頻(pín)率是6.25HZ的矩形波勵(li)磁下，在流🛀量🔞範圍(wéi)是20～200ｍ3/ｈ的條件下，得到(dao)電磁流量計的測(ce)量💋精度高于0.4％，達到(dào)了工業測量要求(qiú)。
4　結語
　　本文主要針(zhen)對電磁流量計的(de)50HZ工頻幹擾，提出采(cai)用巴特🥰沃斯🛀帶阻(zǔ)濾波的信号處理(lǐ)方法。爲了驗證濾(lü)波算法的可行性(xing)，并測試電磁流量(liàng)計的測量精度，采(cǎi)用标準表标定法(fa)進行了水👈流量标(biao)定。

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