電磁(ci)流量計(ji)工作原(yuan)理 基于(yú)法拉第(dì)電磁感(gan)應定律(lǜ),通過測(ce)量導電(diàn)流體在(zài)磁🙇‍♀️場中(zhong)的感應(ying)電動勢(shi)來推算(suan)流體流(liú)量。勵磁(cí)磁場、感(gǎn)應電動(dong)勢采集(ji)電極、信(xin)㊙️号運算(suàn)放大電(dian)路以及(ji)模數轉(zhuǎn)換器都(dou)容易受(shòu)到工作(zuo)現場的(de)電場和(hé)磁場輻(fu)射耦合(he),因此電(diàn)磁耦合(hé)是流量(liang)測量中(zhōng)最主要(yào)的幹㊙️擾(rǎo)方式; 其(qi)次被測(ce)液體的(de)🥰電化學(xué)反應和(hé)泥漿幹(gàn)擾🏃是流(liu)量測量(liang)的另一(yi)噪聲來(lai)源。
1. 1 微分(fèn)幹擾産(chǎn)生機理(li)及對策(ce) 電磁流(liú)量計中(zhong)噪聲的(de)産生⭐機(jī)理及🔞對(duì)策
    在現(xian)行的 電(diàn)磁流量(liàng)計 設計(jì)中,低頻(pin)矩形波(bo)勵磁方(fang)式結合(he)了直流(liú)勵磁和(he)❗交流🏃勵(li)磁♌兩者(zhě)的優點(dian), 成爲主(zhu)要勵磁(ci)方式之(zhī)一。在低(di)頻勵磁(cí)方式下(xia), 其幹擾(rao)主要表(biao)現爲: 由(you)勵磁電(diàn)流🔞突變(bian)産生的(de)微分幹(gàn)擾信号(hào)[ 1] 。理想勵(li)磁磁場(chang)信号爲(wei)🌍低頻矩(ju)形❤️波, 實(shí)際上随(sui)着勵磁(ci)電流變(biàn)化 ( dI /dt)在磁(ci)場上✂️産(chǎn)生微分(fen)幹擾信(xin)号, 随着(zhe)電流的(de)穩定‼️, 幹(gàn)擾信号(hao)随之消(xiāo)失, 因此(ci)🌈同步采(cai)樣技術(shù)可以有(you)效抑制(zhi)微分幹(gàn)擾信号(hào)。實際設(she)計中, 模(mó)數轉化(hua)器使用(yòng) AD 公司的(de) 24位 Sigma Delta模數(shu)轉化器(qì) AD7714。 AD7714 可以分(fèn)别采用(yong)硬件和(he)軟件方(fang)式進行(hang)采💜樣開(kāi)始時🙇‍♀️間(jian)控制, 從(cong)而實現(xiàn)同步采(cai)樣。采用(yòng)軟件方(fāng)👉式時, 當(dāng)控制寄(ji)存器中(zhong)FSYNC位爲邏(luó)輯 1時, 模(mo)數轉換(huan)器處于(yu)複位狀(zhuàng)态❄️; 向該(gāi)位寫邏(luó)輯 0時, 器(qi)件開始(shǐ)采樣輸(shū)入🙇🏻信号(hào)。在應用(yong)中,低頻(pin)勵磁信(xìn)号由 M SP430單(dan)片機内(nei)部定時(shí)♉器産生(sheng), 同時産(chan)生采樣(yang)信号。如(ru)圖 1所示(shi), 采🔱樣開(kāi)始時💚間(jiān)滞後勵(lì)磁信号(hào)14 個周期(qī)。
1. 2 工頻串(chuàn)模幹擾(rao)産生機(jī)理及對(duì)策
    在電(dian)磁流量(liàng)計的工(gōng)作現場(chang)存在大(da)量工頻(pin)信号, 疊(die)加在勵(lì)磁回路(lu)、 電極、 前(qián)端放大(dà)器的工(gōng)頻幹擾(rao)噪聲對(dui)流🐆量的(de)🌈準确測(cè)量造成(chéng)極大影(ying)響。其中(zhōng)輻射耦(ǒu)合✔️到勵(li)磁回路(lù)的工頻(pin)輻射磁(ci)場 (包括(kuo)其諧波(bō) )造成勵(li)磁磁場(chǎng)波🥰動,影(yǐng)響流量(liàng)測量。

    當(dāng)流體流(liu)速較小(xiao)時, 工頻(pín)幹擾信(xin)号與有(yǒu)效流量(liang)信号在(zài)同一🐪數(shu)量級, 嚴(yan)重影響(xiǎng)測量結(jie)果。已知(zhi)工頻耦(ou)合噪👌聲(shēng)基波頻(pín)率爲 50 Hz , 因(yin)此可以(yǐ)采用模(mo)拟或數(shu)字濾波(bo)器使濾(lü)波器帶(dài)寬限制(zhì)在 50 Hz以内(nèi)以抑制(zhi)噪聲。在(zài)實際應(ying)用中使(shi)用 Sigma Delta模數(shù)轉換器(qì) AD7714内部包(bao)含的數(shu)字濾波(bō)模塊, 數(shu)字濾⭐波(bo)器相對(duì)模拟濾(lǜ)波器除(chú)具有靈(líng)活性高(gao)、參數設(she)置方便(biàn)等特點(diǎn)之外,還(hái)可以降(jiàng)低 A /D 轉換(huan)期間引(yǐn)入的噪(zao)聲。AD7714數字(zì)濾波器(qì)爲 ( sinx /x )3低通(tōng)濾波器(qi), 其在頻(pin)域的傳(chuan)遞函數(shù)爲:

式中(zhōng): fs爲采樣(yàng)頻率; AD7714采(cǎi)樣頻率(lǜ)爲 1912 kHz ; N爲濾(lü)波采樣(yàng)個數; f 爲(wèi)數字濾(lǜ)波器響(xiǎng)應頻率(lü)。通過設(shè)定濾波(bo)采樣個(gè)數可以(yǐ)改變數(shù)字濾波(bō)器的截(jié)止頻率(lü)和一次(cì)陷波頻(pin)率。在本(běn)設計中(zhōng)綜合考(kǎo)慮模數(shù)轉換速(su)度和去(qù)除噪聲(sheng)🔞性能, 設(she)置 N 值使(shi)濾波器(qi)截止頻(pin)率爲 50 Hz, 濾(lǜ)波器頻(pin)域響應(ying)如圖 2所(suǒ)示, 濾波(bō)器對工(gong)頻 50 Hz及其(qí)偶次諧(xié)波有很(hen)好的抑(yi)制作用(yòng)。

    除使用(yòng)數字濾(lü)波器外(wai), 在 A /D輸入(rù)端設置(zhì) RC模拟低(dī)通濾📧波(bō)🍓器還可(ke)以帶來(lai)其他作(zuo)用。在實(shí)際測量(liàng)觀察到(dao)的流量(liang)信号中(zhōng)存在尖(jian)脈沖噪(zào)聲, 可能(neng)使模數(shu)轉換器(qi)飽和, 導(dao)緻數字(zi)濾波器(qi)失效, 使(shǐ)👌用模拟(nǐ)濾波器(qì)可以🍓提(ti)前剔除(chú)這些信(xìn)号。
1. 3 共模(mó)幹擾、 串(chuàn)擾産生(sheng)機理及(jí)對策
    共(gòng)模幹擾(rao)的産生(shēng)主要是(shì)由于電(diàn)磁屏蔽(bi)缺陷、接(jiē)地不良(liang)、雜散電(dian)容等引(yǐn)起返回(hui)電流不(bu)平衡。共(gong)模幹擾(rǎo)可能導(dǎo)緻電路(lù)某些參(cān)考電位(wèi)變化, 是(shi)造成電(dian)磁流量(liang)計零點(dian)漂移的(de)原因🔱之(zhī)一; 同時(shí)共模信(xìn)号産生(shēng)很高的(de)輻射電(dian)場使電(diàn)路的電(dian)磁兼容(róng)性惡化(huà)。串擾是(shì)由于印(yin)刷電路(lu)闆設計(jì)電磁兼(jian)容性考(kao)慮不足(zú)造成信(xìn)号質量(liàng)下降, 特(te)别是高(gao)速走線(xiàn)和模拟(ni)電路✔️易(yi)受到影(ying)響。對由(you)共模幹(gan)擾信🌐号(hao)導緻的(de)參考電(diàn)位變化(huà), 應用中(zhōng)流量電(diàn)壓采用(yòng)差分形(xíng)式, 通過(guo)☔雙絞線(xian)送入放(fàng)大器, 前(qián)端放大(dà)器選用(yòng)高共模(mo)抑制比(bi)、 低漂移(yí)、 高輸入(rù)阻抗的(de)運放, 可(kě)以有效(xiào)抑制共(gòng)模幹擾(rǎo)。
    此外, 電(dian)磁流量(liang)計電路(lu)闆設計(ji)符合電(diàn)磁兼容(róng)性要❓求(qiú)🌍降低⛱️串(chuàn)擾對信(xin)号的影(ying)響: 使用(yòng)滿足功(gōng)能要求(qiú)的速率(lǜ)盡可能(neng)低的邏(luo)輯器件(jiàn)。選用在(zài)邏輯狀(zhuàng)态變換(huan)🔆過程中(zhōng)輸入電(dian)流消耗(hao)更小的(de)元件。盡(jìn)可能選(xuan)擇表💰面(miàn)封裝的(de)🏃‍♀️元器件(jian)。合理安(ān)排元件(jiàn)布局, 模(mó)👄拟與數(shù)字部分(fen)隔離,防(fang)止數字(zi)信号影(ying)響模拟(ni)信🈲号。适(shi)當配置(zhì)去耦電(dian)容, 選擇(zé)合适的(de)電容容(róng)🏃‍♀️量, 去耦(ǒu)電容盡(jìn)量靠近(jìn)元器件(jian)。對于敏(mǐn)感信号(hao)回路, 如(rú)時鍾信(xin)号、模拟(nǐ)輸💁入信(xìn)号嚴格(ge)控制回(huí)路面積(jī)。鋪設地(dì)平面提(tí)供低阻(zu)👣抗信号(hao)回路, 加(jia)強屏蔽(bi)效果。
1. 4 其(qí)他幹擾(rǎo)對策
    電(dian)化學極(ji)化電動(dòng)勢幹擾(rao)是被測(cè)液體中(zhong)電解質(zhì)在感應(yīng)電場作(zuò)用下在(zài)電極表(biǎo)面極化(hua)産生的(de), 是電磁(cí)流量計(jì)零點漂(piao)移的🌈主(zhǔ)要原因(yin)之一。采(cǎi)用交流(liu)勵磁方(fang)式可💰以(yi)有效地(di)減小極(ji)化電動(dong)勢, 此❌外(wài)在應用(yong)中微處(chù)理器運(yun)算時将(jiang)兩次流(liú)量電壓(ya)采樣值(zhi)相減, 這(zhè)樣不但(dàn)可以減(jiǎn)小極化(huà)電動勢(shì), 而且可(kě)以補償(cháng)由共模(mó)幹擾帶(dài)來的零(líng)點漂移(yi)。
    泥漿幹(gan)擾是在(zai)測量泥(ni)漿、纖維(wéi)漿等固(gù)液兩相(xiang)特性液(yè)☂️體時, 固(gu)體顆粒(lì)或者氣(qì)泡與電(dian)極發生(shēng)摩擦, 在(zai)電極表(biao)面的電(dian)化學電(dian)動勢突(tū)然變化(huà), 電磁流(liu)量計傳(chuán)感器 輸(shū)出信号(hào)輸出尖(jian)峰脈沖(chong)狀幹擾(rao)。在低頻(pin)勵磁情(qíng)況下, 泥(ní)漿幹擾(rao)産生的(de)尖脈沖(chong)數量級(ji)大, 極大(dà)地影響(xiǎng)流量的(de)準确測(ce)量,在實(shi)際❄️設計(jì)中,采用(yòng)多種信(xìn)号處理(li)混合❌方(fāng)式抑制(zhì)噪聲,信(xin)号處理(li)原理🆚如(rú)圖 3所示(shì)。

    流量計(jì) 正常運(yùn)行時,尖(jian)峰脈沖(chòng)噪聲出(chu)現的概(gài)率小,被(bèi)測液體(tǐ)流速不(bú)會在短(duan)時間内(nei)變化,基(ji)于以上(shang)特性,對(duì)流量信(xìn)号進行(hang)限幅濾(lǜ)波處理(lǐ): 當前輸(shu)入信号(hao)相對上(shang)🏃🏻‍♂️周期輸(shū)☔入信号(hao)超出噪(zao)💔聲容限(xiàn)範圍, 該(gāi)信号被(bèi)認爲是(shì)噪聲信(xin)号,不再(zai)進⛷️一步(bu)計算♊。滑(hua)動平均(jun1)濾波是(shì)處理流(liu)量信号(hao)經常采(cǎi)用的信(xin)号處理(li)辦法,可(kě)以有效(xiào)降低采(cai)樣誤🌍差(chà); 滑動平(píng)均濾波(bo)🏃‍♂️函數的(de)脈沖響(xiǎng)👈應時間(jian)是受滑(hua)動窗口(kǒu)數控制(zhì)的, 如果(guǒ)能動态(tai)調整窗(chuāng)口數目(mù),那麽響(xiǎng)應速度(dù)就會大(da)大提高(gāo);在應用(yong)中使用(yòng)改進的(de)滑動平(píng)均濾波(bō)函數,通(tong)過響應(ying)時間控(kòng)制器控(kong)制滑動(dong)窗口數(shù)🏃🏻,當響應(ying)時間超(chāo)過設定(dìng)值時,将(jiāng)窗口數(shu)設置爲(wei)1,使輸出(chu)信号迅(xun)✔️速變化(huà),獲得較(jiao)好的動(dong)态性能(néng)。

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