電磁流量計自适應極化噪聲抵消系統研究-江蘇省孝感尼蓝纺织制造有限责任公司(AI智能站)

摘(zhai)要:電磁(ci)流量計(ji) 是一種(zhong)應用廣(guang)泛的測(ce)量導電(dian)液體體(ti)積流量(liang)的儀表(biao)。測🏃量時(shi),金屬電(dian)極與電(diàn)解質會(huì)發生電(diàn)化學反(fǎn)應,産生(sheng)極化噪(zao)聲。極化(huà)噪聲幅(fú)值遠高(gao)于流量(liang)信号幅(fú)值,使電(diàn)極輸出(chū)信号信(xin)噪比較(jiào)低;極化(huà)噪聲存(cun)在漂移(yi)的現象(xiàng)♉,會影響(xiǎng)電💰磁流(liú)量計變(bian)送器的(de)信号調(diao)理工作(zuo),限制電(diàn)路的放(fang)大倍數(shù),增加ADC采(cǎi)樣位數(shu)電路成(cheng)💋本、功耗(hao)等。對此(ci),提出了(le)一種基(jī)于前饋(kui)控制的(de)自适應(ying)極化噪(zao)聲抵消(xiao)方案，設(shè)計了相(xiang)應的信(xin)号調理(lǐ)電路,通(tōng)過硬件(jiàn)電路實(shí)時提取(qǔ)和抵消(xiao)極化噪(zao)聲極大(da)🔞地提高(gāo)了♌電極(ji)輸出信(xìn)号信噪(zào)比。通過(guo)試驗,驗(yan)證了🈲該(gai)方案不(bu)但能有(yǒu)效濾除(chu)🍓極化噪(zào)聲,而且(qiě)能提高(gao)信♊号調(diào)理電路(lu)的放大(da)倍數、減(jiǎn)少ADC的采(cǎi)樣位數(shu)減少電(diàn)路的🙇🏻成(chéng)本和功(gong)耗。
0引言(yan)
　　電磁流(liu)量計是(shi)一種根(gen)據法拉(la)第電磁(ci)感應定(dìng)律測量(liang)導電液(yè)👣體體積(ji)流量的(de)儀表,廣(guang)泛應用(yòng)于石油(you)、化工、冶(yě)金、造紙(zhǐ)等行業(ye)。信号測(cè)量時,傳(chuán)感器電(dian)極拾取(qu)流量信(xìn)号和噪(zào)💃聲信号(hào)。流量信(xìn)✉️号幅值(zhi)一.般爲(wèi)幾十到(dào)數百微(wei)伏。而噪(zào)聲信号(hao)中的👄極(ji)化噪聲(sheng)存在漂(piāo)移的現(xiàn)象,幅值(zhí)一般在(zài)幾毫‼️伏(fú)到數百(bai)毫伏區(qu)間變化(huà),也有可(ke)能達到(dào)♍數伏"。兩(liǎng)者幅值(zhí)的巨大(da)差異以(yi)及極化(hua)噪聲無(wú)法通過(guò)良好的(de)接地或(huo)者改變(biàn)勵磁的(de)方式消(xiāo)除,極大(da)地影響(xiang)了信噪(zào)比。
　　爲了(le)提高電(dian)磁流量(liàng)計傳感(gan)器輸出(chu)信号的(de)信噪比(bi)，目前，國(guó)☁️内💃外主(zhu)要有四(si)種解決(jue)方案。
①極(ji)化噪聲(shēng)補償的(de)方案。根(gēn)據極化(hua)噪聲緩(huan)慢變化(hua)的特點(dian),采用不(bu)勵磁時(shí)段極化(huà)噪聲來(lái)補償勵(lì)磁時段(duan)的極化(huà)噪聲。但(dan)是,由于(yu)極化噪(zao)聲的不(bu)規律性(xing),會導緻(zhì)電磁🌈流(liu)量計的(de)零點較(jiao)差。
②低通(tong)濾波反(fan)饋的方(fāng)案[2]。根據(ju)極化噪(zao)聲所處(chu)的頻帶(dai)略低于(yú)🚶‍♀️流🤩量信(xin)号的特(te)點,采用(yòng)一階低(dī)通濾波(bo)器提取(qǔ)極化噪(zao)聲,并💛進(jin)行💁反饋(kuì)⚽補償。但(dan)是,低通(tōng)濾波器(qi)的過渡(dù)帶⭐很寬(kuan),會使流(liú)量⚽信号(hào)出現畸(jī)變的現(xian)象。因此(cǐ)，該方案(àn)被用在(zài)瞬态💔勵(li)磁中,尚(shang)未應用(yòng)于商用(yòng)儀表🥰。
③采(cǎi)用精度(du)高的模(mó)數轉換(huan)器(analogtodigitalconverter,ADC)的方(fāng)案。利用(yòng)32位精度(du)高的模(mo)數轉換(huàn)器直接(jie)采集信(xin)号,然後(hou)通過數(shù)字信号(hào)處理方(fang)法提取(qu)出流❄️量(liang)信号。但(dan)該方案(an)增加了(le)程序的(de)複雜性(xing)。同時,精(jing)度高的(de)模數轉(zhuan)換器的(de)分辨率(lǜ)與采樣(yàng)率成反(fan)比。因此(ci)🛀，.爲了保(bǎo)證較高(gāo)的分辨(biàn)率,隻能(néng)使用很(hěn)低的勵(li)磁頻率(lǜ)。
④阈值控(kong)制的偏(piān)置調節(jiē)方法”。當(dāng)信号超(chao)過設定(ding)的阈值(zhí)🏒時,數字(zì)信⛱️号處(chù)理器(digitalsignalprocessor,DSP)控(kong)制數模(mó)轉換器(qì)(digitaltoanalogconverter,DAC)模塊輸(shu)出偏置(zhi)調節電(diàn)壓,将傳(chuán)感器輸(shu)出信号(hao)調整到(dào)0附近。但(dan)這種調(diào)💛節方法(fǎ)會使流(liú)量信号(hào)産生一(yi)🐆個跳變(bian)，對後續(xu)的梳狀(zhuang)帶通濾(lü)波造成(cheng)影響,導(dao)緻輸出(chū)信号出(chu)現間斷(duan)性錯誤(wù)。
　　爲此,極(jí)化噪聲(sheng)産生的(de)具體原(yuán)因及分(fèn)布特性(xing),提出前(qian)饋💰控制(zhi)的自适(shi)應極化(hua)噪聲抵(dǐ)消方案(an)。基于該(gai)方🔴案，電(dian)磁流量(liàng)計變送(song)器中🔞的(de)信号調(diao)理電路(lu);并用調(diào)理電路(lu)替換課(ke)題組研(yán)制的電(dian)磁流量(liàng)計變送(sòng)器中的(de)調理電(dian)路,形成(cheng)一♍套完(wan)整的電(diàn)磁流量(liàng)計變送(sòng)器🌈,進行(hang)驗證試(shi)驗。
1噪聲(sheng)分析
　　極(ji)化噪聲(sheng)主要源(yuan)于電極(ji)與電解(jiě)質的電(diàn)化學反(fǎn)應。金屬(shu)💋電極帶(dai)🌏電的正(zhèng)離子逐(zhú)漸溶解(jie)于所測(ce)量的電(diàn)解質流(liú)體,自身(shēn)帶負電(dian)荷,緻使(shǐ)電解質(zhì)流體中(zhōng)的正負(fù)電荷中(zhong)心發生(sheng)相對位(wèi)移,形成(cheng)複雜的(de)電解雙(shuang)層🆚結構(gou)。雙電層(céng)之間産(chan)生-一個(ge)電場,從(cong)而在電(dian)解質流(liú)體和電(diàn)極之間(jian)形成電(dian)位差。這(zhè)個電位(wei)差就是(shì)極化電(dian)勢。若兩(liǎng)電極結(jié)構完全(quán)相同,則(zé)極化電(dian)勢會相(xiàng)互抵消(xiāo)。但由于(yu)兩電極(jí)表面的(de)結構差(cha)異,極化(huà)電勢會(huì)由🙇🏻共模(mo)電壓轉(zhuan)爲差👉模(mo)電壓,并(bing)耦合在(zài)信号.上(shàng)。該極化(hua)電勢被(bei)認爲是(shì)直流分(fen)量[1,460而且(qiě),電極表(biǎo)面上的(de)灰塵或(huo)放電離(lí)子等沉(chen)積物會(hui)随着時(shí)間的推(tui)移緩慢(man)♈累積。當(dang)有流動(dong)的電解(jiě)質流體(tǐ)出現或(huo)電解質(zhi)流體㊙️流(liu)速發生(sheng)變化時(shí),這些累(lei)積的沉(chen)積物會(huì)被慢慢(màn)撕開。在(zai)這一♻️-過(guò)程中,極(jí)化電勢(shi)大小會(huì)發生随(sui)機變化(hua)㊙️,形成漂(piāo)移的極(jí)化電壓(yā)”。極化電(dian)壓的大(da)小在一(yī)定程度(dù)上取決(jué)于電極(ji)的制作(zuo)材料和(he)所測量(liàng)的電解(jie)質流體(ti)的性質(zhì);同時,也(yě)受溫💞度(dù)的影響(xiang)。
　　爲了研(yán)究極化(huà)噪聲的(de)特性,研(yán)制了對(dui)電極輸(shu)出信🤟号(hào)進行放(fang)大和高(gao)頻濾波(bo)的信号(hào)調理電(dian)路1。配合(hé)原有的(de)變送器(qi),針對口(kǒu)徑爲40mm的(de)電磁流(liu)量傳感(gǎn)器,采集(jí)濾除高(gao)頻且放(fang)大的電(dian)極輸出(chu)信号,并(bìng)進行頻(pin)譜分析(xī)。其中,勵(li)磁頻率(lǜ)爲12.5Hz,水流(liú)量爲20m'/h,采(cǎi)樣頻率(lü)爲1500Hz,采樣(yàng)時⭐間爲(wei)200s。信号調(diào)理電路(lù)1輸出信(xìn)号及頻(pin)譜如圖(tu)1所示。

　　觀(guān)察信号(hao)調理電(dian)路的輸(shu)出信号(hao)可以發(fa)現:電極(ji)輸出信(xìn)号經過(guo)信号調(diào)理電路(lu)放大後(hou)存在嚴(yan)重的漂(piao)移現象(xiang),信号累(lèi)積的漂(piāo)移量達(dá)到了1.2V,遠(yuan)大于70mV左(zuǒ)右的流(liu)量信号(hao)(流速爲(wèi)1m/s信号幅(fu)值約爲(wei)100μV,流量🐇爲(wèi)20m/h時流速(su)爲4.44m/s,信号(hao)幅值約(yuē)爲444μV,放大(da)170倍後約(yue)爲75.5mV;70mV爲觀(guan)測結果(guǒ))。而該結(jie)果僅僅(jin)是将電(dian)極輸出(chū)信号放(fàng)大了170倍(bèi)👨‍❤️‍👨。當放大(da)倍數更(geng)大時,如(rú)果任由(you)電極輸(shu)出信号(hào)發生漂(piao)移,那麽(me)放大器(qi)輸出信(xin)号很可(ke)能達到(dào)飽和,ADC的(de)供電電(diàn)壓會達(da)到♊5V,導緻(zhì)ADC無法正(zheng)常工🔞作(zuo)。
　　爲了觀(guan)察流量(liang)信号與(yu)極化噪(zào)聲的頻(pin)段分布(bu),将290000點㊙️信(xìn)号去均(jun)值後,從(cóng)4096點開始(shi)，等距取(qǔ)60段,每段(duan)4096點,分别(bie)作4096點的(de)快速傅(fù)裏葉變(biàn)換(fastFouriertransform,FFT),并求(qiu)出其平(píng)均幅值(zhí)譜,如圖(tú)1(b)所示。由(yóu)🎯圖1(b)可以(yi)☎️看出:極(ji)化噪聲(sheng)以直流(liú)🌈噪聲爲(wei)主,主要(yao)分布于(yú)零頻附(fu)近🥵的低(dī)頻區域(yù),幾乎不(bu)與流量(liang)信号頻(pin)段重疊(dié)。當勵磁(cí)頻率爲(wei)2.5~5Hz'[8]，可以用(yòng)一個過(guò)渡帶特(tè)🛀🏻性較陡(dǒu)的高階(jie)低通濾(lü)波器來(lái)提取極(jí)化噪聲(shēng)。
2極化噪(zào)聲抵消(xiao)方案
2.1抵(di)消原理(lǐ)
　　根據極(ji)化噪聲(shēng)的特性(xing),同時考(kao)慮到硬(ying)件系統(tǒng)處理噪(zào)聲更具(ju)實🈲時性(xìng)與可靠(kào)性,提出(chū)一種基(ji)于前饋(kuì)控制的(de)自适應(yīng)極化噪(zào)聲抵🈲消(xiāo)方案,并(bing)用硬件(jiàn)實現。噪(zào)聲抵消(xiao)方法原(yuán)理如圖(tu)2所示。

　　最(zuì)後,在軟(ruǎn)件中通(tong)過梳狀(zhuang)帶通濾(lü)波和幅(fu)值解調(diào)等信号(hào)處理方(fāng)法,濾除(chu)工頻幹(gan)擾和微(wēi)分幹擾(rǎo)，就可以(yǐ)♌得到流(liú)速☎️值。
2.2.硬(yìng)件電路(lu)研制
　　根(gen)據前饋(kui)控制的(de)自适應(ying)極化噪(zao)聲抵消(xiāo)原理,設(shè)計了信(xìn)号調理(lǐ)電路2,以(yǐ)實現極(jí)化噪聲(shēng)的濾除(chú)。信号調(diao)🔞理電路(lu)2主要包(bao)括前置(zhì)差☎️分放(fàng)大電路(lu)、極化噪(zào)聲提取(qǔ)與抵消(xiao)電路🈲、低(dī)通濾波(bō)放大💃電(diàn)路三部(bù)分。調理(lǐ)電路如(rú)圖3所示(shi)。

①前置差(chà)分放大(da)電路。
　　前(qián)置差分(fen)放大電(diàn)路主要(yao)實現信(xìn)号的放(fang)大和共(gòng)模噪聲(sheng)💋的抑⛷️制(zhì)。電路采(cǎi)用具有(you)高共模(mo)抑制比(bi)、高增益(yi)精度、低(di)失調漂(piao)移、低增(zeng)益🏒漂移(yi)的精密(mi)儀用放(fang)大器🌈。前(qian)置差分(fèn)放大電(diàn)路如圖(tú)4所示。.

　　前(qián)置差分(fèn)放大電(dian)路設計(ji)時要考(kǎo)慮後級(jí)電路電(dian)壓匹配(pei)的問題(tí)。下級電(diàn)路芯片(pian)供電電(dian)壓爲+5V,而(er)前置差(chà)分放大(dà)電路輸(shū)出信号(hào)存在負(fu)電壓。因(yin)此,需要(yào)加入直(zhí)流基準(zhǔn)。電極⚽輸(shu)出信号(hào)中流🐪量(liang)信号及(jí)其他噪(zào)聲幅值(zhi)遠小于(yú)極化噪(zao)聲幅值(zhi)。由于檢(jian)測到的(de)電極輸(shū)🈲出信号(hao)中極化(hua)噪聲幅(fú)值最大(da)爲+200mV，電路(lù)🙇‍♀️放大4.1倍(bèi),那麽放(fàng)大器輸(shu)出😍的極(ji)化噪聲(sheng)幅值最(zui)大也隻(zhi)有+820mV。而電(diàn)路直接(jiē)加入✂️了(le)2.5V的參考(kǎo)電壓🏃🏻‍♂️，足(zú)以将前(qian)置差分(fèn)放大電(dian)❄️路輸出(chū)信号由(you)雙極🙇🏻性(xìng)轉爲單(dān)極性。
②極(jí)化噪聲(shēng)提取與(yǔ)抵消電(diàn)路。
　　極化(hua)噪聲提(ti)取與抵(di)消電路(lu)是爲了(le)實現極(jí)化噪聲(shēng)♈的提取(qǔ)🥰、抵消👣和(he)流量信(xìn)号的放(fang)大。電路(lu)分爲極(ji)化噪聲(sheng)提取電(diàn)路和噪(zào)聲抵消(xiao)💘與放大(dà)電路,分(fen)别由八(bā)階巴特(tè)沃斯低(dī)通濾波(bō)器和精(jing)密儀用(yong)放大器(qì)構成。
　　極(ji)化噪聲(shēng)提取電(dian)路通過(guo)八階巴(ba)特沃斯(sī)低通濾(lǜ)波器🏃來(lái)提取🏃‍♀️極(jí)化噪聲(shēng)。此低通(tōng)濾波器(qi)過渡帶(dài)非常窄(zhǎi),其截止(zhi)頻率f。的(de)大小可(ke)以通過(guo)外接電(diàn)容在1Hz~2kHz之(zhi)間調節(jie)。當fiw=2f。時,信(xìn)号增益(yì)爲-48dB,輸出(chu)信号衰(shuāi)減爲原(yuan)信号的(de)1/251。當fw=3f時,信(xìn)号增益(yi)爲-76dB,輸出(chū)信号衰(shuāi)減爲原(yuán)信号♊的(de)1/6310。如設置(zhì)f。=1Hz,那麽輸(shū)出信🌐号(hao)中完整(zhěng)保留1Hz及(jí)以下頻(pin)段的信(xìn)号,1~3Hz内的(de)信号出(chū)現💋不同(tóng)程度衰(shuāi)減,3Hz及以(yǐ)上信号(hào)被完全(quán)衰減。由(you)此就可(ke)以通🙇‍♀️過(guò)該八階(jie)低頻濾(lǜ)波器濾(lü)除勵磁(cí)頻率12.5Hz(6.25Hz.3.125Hz)及(ji)以上頻(pin)段的信(xin)号,精确(què)提取出(chū)極化噪(zao)聲。
　　噪聲(shēng)抵消與(yǔ)放大電(dian)路中,采(cai)用前置(zhì)差分放(fang)大後的(de)電💯極輸(shu)出信号(hao)減去低(di)通濾波(bo)器提取(qǔ)的極化(hua)噪聲,以(yǐ)實現極(ji)化噪聲(sheng)的自适(shi)🐕應抵消(xiāo)。此時,經(jing)過噪聲(shēng)抵消後(hou)的信号(hào)中隻含(han)有🍉流量(liang)信号和(hé)高頻噪(zao)聲,而且(qiě)高頻噪(zao)聲幅值(zhí)小于流(liú)量信号(hào)幅值,因(yin)此可以(yǐ)通過放(fang)大器實(shi)現信号(hao)的更高(gao)倍數放(fàng)大。以口(kou)徑爲40mm的(de)電磁流(liu)量傳感(gan)器爲例(li):當流速(su)爲5m/s時,檢(jian)測到流(liu)量🧡信号(hào)峰峰值(zhí)爲⁉️1mV;以10m/s爲(wèi)流👉速上(shàng)限🔆，則流(liu)量信🍓号(hào)峰峰值(zhi)最大爲(wei)⛹🏻‍♀️2mV。由于ADC采(cai)用5V供電(diàn),考👨‍❤️‍👨慮到(dao)芯片性(xing)能等因(yīn)素,不可(kě)能将流(liu)量信🐆号(hao)完全放(fang)大到芯(xin)片供電(diàn)電壓範(fàn)圍。對此(cǐ)♉,将信号(hào)最大放(fàng)大到+4V,那(na)麽信号(hao)調理電(dian)路最大(dà)放大倍(bei)數可達(dá)4000倍。扣除(chú)前置放(fàng)大4.1倍,那(na)麽後兩(liǎng)級電路(lu)最大可(ke)🐇放大975倍(bei)。
③低通濾(lǜ)波放大(dà)電路。
　　低(di)通濾波(bo)放大電(diàn)路的主(zhu)要目的(de)是實現(xian)高頻噪(zao)聲的濾(lǜ)除。
　　電極(jí)輸出信(xìn)号經過(guo)自适應(ying)極化噪(zao)聲抵消(xiāo)後,除了(le)12.5Hz(6.25Hz3.125Hz)的流量(liang)信号外(wai)，還存在(zai)高頻噪(zào)聲。高頻(pin)噪聲進(jin)人ADC後,可(ke)能會造(zao)成信号(hào)的混疊(dié)。所以,需(xu)要采用(yòng)低通濾(lü)波💃器來(lái)濾除高(gao)頻噪聲(shēng)。
低通濾(lü)波放大(dà)電路如(ru)圖6所示(shì)，

　　低通濾(lü)波放大(dà)電路采(cǎi)用兩級(ji)二階巴(bā)特沃斯(sī)低通濾(lü)🈲波器級(jí)聯來構(gou)成四階(jiē)低通濾(lǜ)波器,其(qí)放大倍(bei)數⁉️爲10.9倍(bei)。考慮到(dào)能更多(duō)地保留(liú)流量信(xin)号的諧(xie)波，設置(zhì)濾波器(qi)截止頻(pín)率爲1.5kHz。
3驗(yan)證試驗(yan)
　　爲了驗(yàn)證基于(yú)前饋控(kòng)制的自(zi)适應極(jí)化噪聲(shēng)抵消💘方(fang)法的效(xiao)果,設計(ji)了信号(hao)調理電(diàn)路2,并替(ti)換本課(kè)題組研(yan)制的電(dian)磁流量(liang)變送器(qi)中的信(xin)号調理(lǐ)電路;再(zai)匹配電(diàn)磁流量(liang)傳感器(qi),組成了(le)🈲一個完(wan)整的基(jī)于數字(zì)信号處(chu)理器(digitalsignalprocessor,DSP)的(de)電磁流(liú)量計🈲[8-0,。在(zai)容積法(fa)水流量(liàng)标定裝(zhuang)置上進(jìn)行了信(xìn)号調理(li)電路濾(lǜ)波🍉試驗(yàn)、電磁流(liu)量計水(shui)流量标(biāo)定試驗(yàn)和降ADC位(wei)數試驗(yàn)。
3.1試驗裝(zhuāng)置
　　試驗(yàn)裝置由(yóu)水流量(liàng)标定裝(zhuang)置和數(shu)據采集(ji)系統組(zǔ)成⭐,如圖(tú)7所示。

　　圖(tu)7中:水流(liu)量标定(dìng)裝置的(de)不确定(dìng)度爲0.2%,電(dian)磁流量(liang)傳感器(qì)口徑爲(wèi)40mm,電磁流(liu)量變送(sòng)器的勵(li)磁頻率(lǜ)爲12.5Hz。信号(hào)調理電(diàn)路放大(dà)倍數📱和(hé)ADC位數可(ke)調:在信(xin)号調理(li)電路濾(lü)波試驗(yàn)和電👈磁(cí)流量計(ji)水流量(liàng)标定試(shi)驗中放(fang)大倍數(shu)爲340倍,ADC位(wèi)數爲24位(wei);在降ADC位(wei)數試驗(yan)中放大(da)倍數爲(wèi)⭕3500倍,取24位(wèi)ADC的高14位(wèi)來模拟(nǐ)16位ADC。
3.2信号(hào)調理電(diàn)路濾波(bō)試驗
　　爲(wei)驗證基(jī)于自适(shi)應極化(huà)噪聲抵(dǐ)消方法(fǎ)的信号(hào)調理電(diàn)路對極(jí)❌化噪聲(shēng)的消除(chu)效果,在(zài)信号調(diào)理電路(lu)2輸人⭐信(xìn)号✌️不斷(duan)⛷️發生漂(piāo)移的情(qíng)況下(如(rú)圖1(a)中情(qing)況),通過(guo)上位🥵機(jī)(采樣頻(pin)率1500Hz,采樣(yang)時長200s)采(cǎi)集流速(sù)爲5m/s(流速(su)越大,極(jí)化噪聲(shēng)幅值越(yuè)大)的信(xìn)号調理(lǐ)電路2輸(shū)出信号(hao),并對其(qí)進行了(le)頻譜分(fèn)析。
信号(hao)調理電(dian)路2輸出(chū)信号及(jí)頻譜圖(tu)如圖8所(suǒ)示。
　　觀察(chá)信号調(diào)理電路(lù)2輸出信(xin)号,發現(xian)經過自(zì)适應極(jí)化💛噪聲(shēng)抵消後(hòu),信号平(píng)穩分布(bu)于零點(diǎn)上下,基(ji)本不存(cun)在漂移(yí)的現🔴象(xiàng),如圖8(a)所(suǒ)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼示。
　　信号(hao)頻譜分(fèn)析方法(fa)與圖1(b)噪(zao)聲分析(xī)時的相(xiàng)同,即将(jiang)290000點信✊号(hào)去🧑🏾‍🤝‍🧑🏼基準(zhun)後,從4096點(diǎn)開始，等(děng)間距取(qǔ)60段,每段(duan)4096點,再分(fen)别作4096點(diǎn)FFT,最後求(qiú)出其平(píng)均幅值(zhí)譜,如圖(tu)8(b)所示。根(gēn)據⁉️頻譜(pu)圖可以(yi)發現:經(jīng)過自适(shì)應極化(huà)噪聲抵(dǐ)消後信(xin)号調理(lǐ)電路2輸(shū)出信号(hao)中基本(ben)不存在(zai)極化噪(zào)聲,隻👌存(cún)在12.5Hz的流(liú)量信号(hao)。由此說(shuō)明,基于(yu)前饋控(kòng)制的自(zi)适應極(jí)化噪聲(shēng)抵💞消電(diàn)路能有(yǒu)效💰濾除(chú)電極輸(shu)出🥰信号(hào)🚶中的極(ji)化噪聲(shēng)。

3.3電磁流(liú)量計水(shui)流量标(biāo)定試驗(yàn)
　　爲了測(ce)試基于(yu)自适應(yīng)極化噪(zào)聲抵消(xiao)方法的(de)信号🌈調(diào)理電路(lù)2的實際(jì)效果,進(jin)行了容(rong)積法水(shui)流量标(biāo)定👈試驗(yan)。标定試(shi)驗👨‍❤️‍👨中,在(zai)流速爲(wèi)0.15~5m/s的範圍(wei)内，共選(xuǎn)取了6個(ge)标定點(dian),并通過(guò)示值誤(wu)差拟合(hé)方法計(ji)算儀表(biao)系數🆚"],然(rán)後驗證(zheng)了電磁(ci)流量計(jì)的精度(du)。放大340倍(bei)🐇24位ADC水流(liú)量👉标定(ding)試驗結(jié)果如表(biao)1所示。

　　由(yóu)表1可知(zhi):在流速(sù)爲0.5~5m/s的範(fan)圍内,電(dian)磁流量(liang)計的最(zuì)大測量(liàng)💁誤差都(dou)在+0.3%以内(nei),重複性(xing)誤差均(jun1)在0.1%以内(nei),滿足0.3級(jí)😍電磁🌂流(liú)量計要(yao)求。該結(jié)果說明(ming),采用該(gai)信号調(diao)理電路(lu)的基于(yú)DSP的電磁(cí)流量計(ji)具有很(hen)好的測(ce)量精度(du)。同時,與(yu)放大倍(bei)數爲180倍(bei)的電磁(cí)流量計(jì)相比，該(gai)設計提(tí)高了流(liu)量信号(hào)的放大(dà)倍😄數,可(kě)以實現(xiàn)更低流(liú)量的測(cè)量,即可(kě)以采用(yong)該方法(fǎ)來拓寬(kuan)電磁流(liu)量計🐆的(de)測量下(xia)限。
3.4降ADC位(wei)數試驗(yàn)
　　當電路(lu)放大倍(bei)數較大(dà)時，流量(liang)信号幅(fú)值相應(ying)較高,對(dui)ADC分⁉️辨率(lü)的要求(qiú)降低,這(zhe)樣就可(kě)以采用(yòng)位數較(jiào)低的ADC來(lai)實現信(xin)号的測(ce)💃量。同時(shí)，降低ADC位(wèi)數也将(jiāng)降低電(diàn)路的成(chéng)本。所以(yi),通過改(gai)變電路(lu)的放大(da)倍數和(hé)ADC采樣位(wei)數，并采(cǎi)用水流(liú)量标定(dìng)試驗進(jìn)行驗證(zhèng)。
　　電極輸(shu)出信号(hào)經過自(zì)适應極(jí)化噪聲(shēng)抵消後(hòu),信号調(diao)🔆理電路(lu)⛷️2最大放(fang)大倍數(shù)可達4000倍(bei)。所以,可(ke)将信号(hào)調理電(diàn)路2的放(fàng)大倍數(shu)由340倍提(ti)高至3500倍(bei)。普通DN40的(de)電磁流(liú)‼️量傳感(gǎn)器流速(sù)測量下(xia)限爲0.5m/s,通(tong)過上位(wei)機采集(jí)了放大(da)3500倍的信(xin)号,發.現(xian)流速0.5m/s時(shi)信号峰(fēng)峰值約(yuē)爲346.7mV,而測(ce)量電壓(ya)範圍爲(wèi)+5V的16位ADC的(de)分辨率(lü)爲153μV,足以(yǐ)識别信(xìn)号。所以(yi)😄,采用了(le)16位ADC。16位ADC有(yǒu)⛹🏻‍♀️效位數(shu)-一般在(zai)14~16位。爲了(le)方便在(zai)同等🈚條(tiáo)件下驗(yan)⭐證效果(guǒ)🌈,不再重(zhòng)💃🏻新設計(ji)電路,而(ér)是在标(biāo)定時取(qu)原有24位(wèi)ADC的高14位(wèi)🔞來模拟(ni)16位ADC的效(xiào)果。
　　在流(liu)速爲0.5~5m/s的(de)範圍内(nèi)，共選取(qǔ)了5個标(biāo)定點,并(bing)通過示(shi)值誤差(cha)拟合方(fāng)法計算(suàn)出儀表(biǎo)系數。然(rán)後,驗證(zheng)電磁流(liu)量計的(de)精度。放(fang)大3500倍、16位(wei)ADC水流量(liang)标定試(shi)驗結果(guǒ)如表2所(suǒ)示。

　　由表(biǎo)2可知:在(zài)流速爲(wèi)0.5~5m/s的範圍(wei)内,電磁(cí)流量計(ji)的最大(da)測量誤(wù)差都在(zài)+0.3%以内,重(zhong)複性誤(wù)差均在(zai)0.1%以内,滿(mǎn)足0.3級電(dian)磁流量(liang)計要求(qiú)。這說明(míng)提出的(de)基于硬(ying)件系統(tǒng)前饋控(kong)制📞的自(zi)适應極(ji)化噪聲(sheng)抵消方(fāng)法能有(yǒu)效抵消(xiāo)♌極化噪(zào)聲,可以(yi)将信🔴号(hào)放大較(jiao)高的倍(bèi)數,從而(ér)有效降(jiàng)低ADC的采(cai)樣位數(shù),并減少(shao)成本。另(ling)外，濾除(chú)極化噪(zao)聲後,放(fang)大的電(dian)極輸出(chū)信号幅(fú)值在電(dian)路中不(bu)會👈超過(guò)+5V。這樣就(jiu)可以将(jiang)電路中(zhōng)芯片的(de)供電👈電(dian)壓降至(zhì)+5V,以減小(xiao)電路功(gong)耗。
4結論(lun)
　　極化噪(zào)聲幅值(zhi)遠高于(yu)流量信(xin)号幅值(zhí),會造成(cheng)電極輸(shu)出信号(hao)信噪比(bi)較低;同(tóng)時，極化(hua)噪聲的(de)漂移會(hui)限⛷️制電(diàn)路的放(fàng)大倍數(shù),增加🆚了(le)ADC采樣位(wei)數、電路(lù)成本、功(gong)♈耗等。針(zhen)🙇🏻對這些(xiē)問題,通(tōng)過對電(diàn)極輸出(chu)🌏信号采(cǎi)集與頻(pin)譜分析(xī),研究了(le)極🐇化噪(zào)聲的分(fen)布特性(xìng),發現漂(piao)移的極(jí)化噪聲(shēng)主要分(fèn)布于零(ling)頻附近(jìn)的🙇‍♀️低頻(pin)區域,基(ji)本不與(yǔ)信号頻(pín)段重疊(die)。
　　根據極(jí)化噪聲(shēng)的分布(bù)特性,提(ti)出了一(yi)種基于(yú)前饋🤩控(kong)制❓的自(zi)适應極(jí)化噪聲(sheng)抵消方(fang)案,并用(yòng)硬件系(xi)統實現(xiàn)。前置⛹🏻‍♀️差(cha)分放大(dà)後的電(dian)極輸出(chū)信号經(jing)過一一(yī)個八階(jie)低通濾(lü)波器,提(ti)取出其(qí)中的極(ji)化噪聲(sheng);然後🧡以(yǐ)極化噪(zào)聲作爲(wei)前饋量(liàng),經過下(xià)級放大(da)🈲器,用差(cha)分放大(da)後的電(diàn)極輸出(chū)信号減(jian)去極化(huà)噪🐇聲,以(yǐ)此實現(xian)極化噪(zao)聲的自(zi)适應抵(dǐ)消。
　　爲驗(yan)證該方(fāng)案的實(shi)際效果(guǒ),設計了(le)信号調(diào)理電路(lu)2,配合課(ke)💯題📐組原(yuan)有的變(bian)送器及(ji)DN40傳感器(qi)，在容積(jī)法水🤞流(liu)量标定(ding)裝置上(shang)進行了(le)試驗。信(xin)号調理(lǐ)電路濾(lü)波試驗(yàn)結果表(biao)明,該系(xì)統能夠(gou)有效消(xiao)除電極(ji)輸出信(xin)号中的(de)極化噪(zào)聲。電磁(cí)流量計(ji)水流量(liang)标定試(shì)驗結果(guǒ)表明,當(dang)信号調(diào)理電路(lù)放大340倍(bèi)、ADC爲24位✨時(shí),在流速(su)爲🐉0.5~5m/s的範(fan)圍内，流(liú)量📱計的(de)精度爲(wei)0.3級。這說(shuō)明采用(yong)自适應(yīng)🛀極化噪(zao)聲抵消(xiāo)方✏️法的(de)信号調(diào)理電路(lù)2能夠滿(man)足實際(ji)⭕測量要(yào)求，且提(tí)高信号(hao)放大倍(bei)數可以(yi)實現更(geng)低流量(liang)的測量(liang)。降ADC位數(shù)試🔞驗結(jié)果表明(ming),将信号(hào)調理電(diàn)❌路放大(dà)倍數提(tí)高至3500倍(bèi),同時用(yong)24位ADC的高(gao)14位來模(mó)拟16位ADC,在(zài)流速爲(wèi)0.5~5m/s的範圍(wéi)内,流量(liàng)🆚計的精(jīng)度可達(dá)0.3級。這說(shuo)明基于(yú)前饋控(kòng)制的自(zi)适應極(ji)化噪聲(sheng)抵消方(fāng)法可以(yǐ)🐕将信号(hao)放👌大較(jiao)高的倍(bei)數,從而(ér)有效降(jiàng)低ADC的采(cǎi)樣位數(shù)、芯片供(gong)電電壓(ya)，以及電(diàn)路成本(běn)和功耗(hao)。