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管道式電磁流量計(jì)自適應(yīng)*化噪聲抵消系統(tǒng)研究

點(diǎn)擊次數(shù):2139 發(fā)布時(shí)間:2021-01-01 13:35:09
摘要:管道式電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。測(cè)量時(shí),金屬電*與電解質(zhì)會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生*化噪聲。*化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號(hào)幅值,使電*輸出信號(hào)信噪比較低;*化噪聲存在漂移的現(xiàn)象,會(huì)影響管道式電磁流量計(jì)變送器的信號(hào)調(diào)理工作,限制電路的放大倍數(shù)增加ADC采樣位數(shù)、電路成本、功耗等。對(duì)此,提出了一種基于前饋控制的自適應(yīng)*化噪聲抵消方案,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路,通過硬件電路實(shí)時(shí)提取和抵消*化噪聲,*大地提高了電*輸出信號(hào)信噪比。通過試驗(yàn),驗(yàn)證了該方案不但能有效濾除*化噪聲,而且能提高信號(hào)調(diào)理電路的放大倍數(shù)、減少ADC的采樣位數(shù)、減少電路的成本和功耗。
引言
管道式電磁流量計(jì)是一種根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表,廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)。信號(hào)測(cè)量時(shí),傳感器電*拾取流量信號(hào)和噪聲信號(hào)。流量信號(hào)幅值一般為幾十到數(shù)百微伏。而噪聲信號(hào)中的*化噪聲存在漂移的現(xiàn)象,幅值一般在幾毫伏到數(shù)百毫伏區(qū)問變化,也有可能達(dá)到數(shù)伏川。兩者幅值的巨大差異以及*化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵(lì)磁的方式消除,*大地影響了信噪比。
為了提高管道式電磁流量計(jì)傳感器輸出信號(hào)的信噪比,目前,國內(nèi)外主要有四種解決方案。
①*化噪聲補(bǔ)償?shù)姆桨?。根?jù)*化噪聲緩慢變化的特點(diǎn),采用不勵(lì)磁時(shí)段*化噪聲來補(bǔ)償勵(lì)磁時(shí)段的*化噪聲。但是,由于*化噪聲的不規(guī)律性,會(huì)導(dǎo)致管道式電磁流量計(jì)的零點(diǎn)較差。
②低通濾波反饋的方案。根據(jù)*化噪聲所處的頻帶略低于流量信號(hào)的特點(diǎn),采用一階低通濾波器提取*化噪聲,并進(jìn)行反饋補(bǔ)償。但是,一階低通濾波器的過渡帶很寬,會(huì)使流量信號(hào)出現(xiàn)畸變的現(xiàn)象。因此,該方案被用在瞬態(tài)勵(lì)磁中,尚未應(yīng)用于商用儀表。
③采用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digitalconverter, ADC)的方案。利用32位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接采集信號(hào),然后通過數(shù)字信號(hào)處理方法提取出流量信號(hào)。但該方案增加了程序的復(fù)雜性。同時(shí),高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率與采樣率成反比。因此,為了保證較高的分辨率,只能使用很低的勵(lì)磁頻率。
④闌值控制的偏置調(diào)節(jié)方法。當(dāng)信號(hào)超過設(shè)定的閉值時(shí),數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter, DAC )模塊輸出偏置調(diào)節(jié)電壓,將傳感器輸出信號(hào)調(diào)整到0附近。但這種調(diào)節(jié)方法會(huì)使流量信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)跳變,對(duì)后續(xù)的梳狀帶通濾波造成影響,導(dǎo)致輸出信號(hào)出現(xiàn)間斷性錯(cuò)誤。
為此,本文分析*化噪聲產(chǎn)生的具體原因及分布特性,提出前饋控制的自適應(yīng)*化噪聲抵消方案?;谠摲桨福兄屏?strong>管道式電磁流量計(jì)變送器中的信號(hào)調(diào)理電路;并用研制的調(diào)理電路替換課題組研制的管道式電磁流量計(jì)變送器中的調(diào)理電路,形成一套完整的管道式電磁流量計(jì)變送器,進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

*化噪聲主要源于電*與電解質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)。金屬電*帶電的正離子逐漸溶解于所測(cè)量的電解質(zhì)流體,自身帶負(fù)電荷,致使電解質(zhì)流體中的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移,形成復(fù)雜的電解雙層結(jié)構(gòu)。雙電層之間產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),從而在電解質(zhì)流體和電*之間形成電位差。這個(gè)電位差就是*化電勢(shì)。若兩電*結(jié)構(gòu)完全相同,則*化電勢(shì)會(huì)相互抵消。但由于兩電*表面的結(jié)構(gòu)差異,*化電勢(shì)會(huì)由共模電壓轉(zhuǎn)為差模電壓,并藕合在信號(hào)上。該*化電勢(shì)被認(rèn)為是直流分量〔1,4-6]O而且,電*表面上的灰塵或放電離子等沉積物會(huì)隨著時(shí)間的推移緩慢累積。當(dāng)有流動(dòng)的電解質(zhì)流體出現(xiàn)或電解質(zhì)流體流速發(fā)生變化時(shí),這些累積的沉積物會(huì)被慢慢撕開。在這一過程中,*化電勢(shì)大小會(huì)發(fā)生隨機(jī)噪聲為主,主要分布于零頻附近的低頻區(qū)域,幾乎不與流量信號(hào)頻段重疊。當(dāng)勵(lì)磁頻率為2.5一5 Hz l81,可以用一個(gè)過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提取*化噪聲。
2 *化噪聲抵消方案
2.1 抵消原理

根據(jù)*化噪聲的特性,同時(shí)考慮到硬件系統(tǒng)處理噪聲更具實(shí)時(shí)性與可靠性,提出一種基于前饋控制的自適應(yīng)*化噪聲抵消方案,并用硬件實(shí)現(xiàn)。噪聲抵消方法原理如圖2所示。
電*輸出信號(hào)S(t)包含流量信號(hào),(t)、*化噪聲n1(t)和高頻噪聲n2(t),如式(1)所示:
S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
電*輸出信號(hào)S(t)經(jīng)過前置差分放大器A,后,得到信號(hào)A1.S(t)。由于*化噪聲n, (1)頻段與流量信號(hào),(t)頻段存在很好的區(qū)分度,那么信號(hào)A,-S(t)經(jīng)過一個(gè)低頻濾波器H, ((0),就可以將其中的*化噪聲N, (I)提取出來。
n,(,)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
以*化噪聲n, (1)作為前饋量,經(jīng)過運(yùn)算放大器A2,用信號(hào)A, S(t)減去n, (t),就可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)*化噪聲抵消,得到不含有*化噪聲的信號(hào)S,(t)。
s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
再經(jīng)過低通濾波器叢(。)濾除高頻噪聲n2(t),就可以得到*終輸人ADC的信號(hào)S2(t)。
S2(t)=Si(t)·從(。)=A1A2·s(t)(4)
*后,在軟件中通過梳狀帶通濾波和幅值解調(diào)等信號(hào)處理方法,濾除工頻干擾和微分干擾,就可以得到流速值。
2.2 硬件電路研制
根據(jù)前饋控制的自適應(yīng)*化噪聲抵消原理,設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路2,以實(shí)現(xiàn)*化噪聲的濾除。信號(hào)調(diào)理電路2主要包括前置差分放大電路、*化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放大電路三部分。調(diào)理電路如圖3所示。
①前置差分放大電路。
前置差分放大電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和共模噪聲的抑制。電路采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失調(diào)漂移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分放大電路如圖4所示。

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