電磁流量計由于其可靠性高、耐腐蝕性強、測量精度高、容易變更測量范圍等特點,目前在石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)得到了廣泛的應用;特別是在能源短缺的今天,電磁流量計的發(fā)展為資源的科學管理提供了重要的基礎技術(shù)支持。然而,科學技術(shù)的迅速發(fā)展對電磁流量計提出了更高、更新的要求,尤其是在流量測量的精確度和穩(wěn)定性方面。電磁流量計中干擾信號與流量信號混合在一起,不僅成分復雜而且有的干擾信號數(shù)量級與流量信號相當,此外噪聲進入微處理器可能造成系統(tǒng)運行異常,在這種情況下,如何抑制干擾成為研制和使用電磁流量計的一項關(guān)鍵技術(shù)。

1電磁流量計中噪聲的產(chǎn)生機理及對策

電磁流量計工作原理基于法拉第電磁感應定律,通過測量導電流體在磁場中的感應電動勢來推算流體流量。勵磁磁場、感應電動勢采集電極、信號運算放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器都容易受到工作現(xiàn)場的電場和磁場輻射耦合,因此電磁耦合是流量測量中最主要的干擾方式;其次被測液體的電化學反應和泥漿干擾是流量測量的另一噪聲來源。

1.1微分干擾產(chǎn)生機理及對策

在現(xiàn)行的電磁流量計設計中,低頻矩形波勵磁方式結(jié)合了直流勵磁和交流勵磁兩者的優(yōu)點,成為主要勵磁方式之一。在低頻勵磁方式下,其干擾主要表現(xiàn)為:由勵磁電流突變產(chǎn)生的微分干擾信號[1]。理想勵磁磁場信號為低頻矩形波,實際上隨著勵磁電流變化(dI/dt)在磁場上產(chǎn)生微分干擾信號,隨著電流的穩(wěn)定,干擾信號隨之消失,因此同步采樣技術(shù)可以有效抑制微分干擾信號。實際設計中,模數(shù)轉(zhuǎn)化器使用AD公司的24位SigmaDelta模數(shù)轉(zhuǎn)化器AD7714。AD7714可以分別采用硬件和軟件方式進行采樣開始時間控制,從而實現(xiàn)同步采樣。采用軟件方式時,當控制寄存器中FSYNC位為邏輯1時,模數(shù)轉(zhuǎn)換器處于復位狀態(tài);向該位寫邏輯0時,器件開始采樣輸入信號。在應用中,低頻勵磁信號由MSP430單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生,同時產(chǎn)生采樣信號。如圖1所示,采樣開始時間滯后勵磁信號1/4個周期。

1.2工頻串模干擾產(chǎn)生機理及對策

在電磁流量計的工作現(xiàn)場存在大量工頻信號,疊加在勵磁回路、電極、前端放大器的工頻干擾噪聲對流量的準確測量造成極大影響。其中輻射耦合到勵磁回路的工頻輻射磁場(包括其諧波)造成勵磁磁場波動,影響流量測量。當流體流速較小時,工頻干擾信號與有效流量信號在同一數(shù)量級,嚴重影響測量結(jié)果。

已知工頻耦合噪聲基波頻率為50Hz,因此可以采用模擬或數(shù)字濾波器使濾波器帶寬限制在50Hz以內(nèi)以抑制噪聲。在實際應用中使用SigmaDelta模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7714內(nèi)部包含的數(shù)字濾波模塊,數(shù)字濾波器相對模擬濾波器除具有靈活性高、參數(shù)設置方便等特點之外,還可以降低A/D轉(zhuǎn)換期間引入的噪聲。AD7714數(shù)字濾波器為(sinx/x)3低通濾波器,其在頻域的傳遞函數(shù)為:

式中:fs為采樣頻率;AD7714采樣頻率為1912kHz;N為濾波采樣個數(shù);f為數(shù)字濾波器響應頻率。通過設定濾波采樣個數(shù)可以改變數(shù)字濾波器的截止頻率和一次陷波頻率。在本設計中綜合考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換速度和去除噪聲性能,設置N值使濾波器截止頻率為50Hz,濾波器頻域響應如圖2所示,濾波器對工頻50Hz及其偶次諧波有很好的抑制作用。

除使用數(shù)字濾波器外,在A/D輸入端設置RC模擬低通濾波器還可以帶來其他作用。在實際測量觀察到的流量信號中存在尖脈沖噪聲,可能使模數(shù)轉(zhuǎn)換器飽和,導致數(shù)字濾波器失效,使用模擬濾波器可以提前剔除這些信號。

1.3共模干擾、串擾產(chǎn)生機理及對策

共模干擾的產(chǎn)生主要是由于電磁屏蔽缺陷、接地不良、雜散電容等引起返回電流不平衡。共模干擾可能導致電路某些參考電位變化,是造成電磁流量計零點漂移的原因之一;同時共模信號產(chǎn)生很高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化。串擾是由于印刷電路板設計電磁兼容性考慮不足造成信號質(zhì)量下降,特別是高速走線和模擬電路易受到影響。

對由共模干擾信號導致的參考電位變化,應用中流量電壓采用差分形式,通過雙絞線送入放大器,前端放大器選用高共模抑制比、低漂移、高輸入阻抗的運放,可以有效抑制共模干擾。此外,電磁流量計電路板設計符合電磁兼容性要求降低串擾對信號的影響:使用滿足功能要求的速率盡可能低的邏輯器件。選用在邏輯狀態(tài)變換過程中輸入電流消耗更小的元件。盡可能選擇表面封裝的元器件。合理安排元件布局,模擬與數(shù)字部分隔離,防止數(shù)字信號影響模擬信號。適當配置去耦電容,選擇合適的電容容量,去耦電容盡量靠近元器件。對于敏感信號回路,如時鐘信號、模擬輸入信號嚴格控制回路面積。鋪設地平面提供低阻抗信號回路,加強屏蔽效果。

1.4其他干擾對策

電化學極化電動勢干擾是被測液體中電解質(zhì)在感應電場作用下在電極表面極化產(chǎn)生的,是電磁流量計零點漂移的主要原因之一。采用交流勵磁方式可以有效地減小極化電動勢,此外在應用中微處理器運算時將兩次流量電壓采樣值相減,這樣不但可以減小極化電動勢,而且可以補償由共模干擾帶來的零點漂移。

泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相特性液體時,固體顆粒或者氣泡與電極發(fā)生摩擦,在電極表面的電化學電動勢突然變化,電磁流量計傳感器輸出信號輸出尖峰脈沖狀干擾。在低頻勵磁情況下,泥漿干擾產(chǎn)生的尖脈沖數(shù)量級大,極大地影響流量的準確測量,在實際設計中,采用多種信號處理混合方式抑制噪聲,信號處理原理如圖3所示。

流量計正常運行時,尖峰脈沖噪聲出現(xiàn)的概率小,被測液體流速不會在短時間內(nèi)變化,基于以上特性,對流量信號進行限幅濾波處理:當前輸入信號相對上周期輸入信號超出噪聲容限范圍,該信號被認為是噪聲信號,不再進一步計算。

滑動平均濾波是處理流量信號經(jīng)常采用的信號處理辦法,可以有效降低采樣誤差;滑動平均濾波函數(shù)的脈沖響應時間是受滑動窗口數(shù)控制的,如果能動態(tài)調(diào)整窗口數(shù)目,那么響應速度就會大大提高;在應用中使用改進的滑動平均濾波函數(shù),通過響應時間控制器控制滑動窗口數(shù),當響應時間超過設定值時,將窗口數(shù)設置為1,使輸出信號迅速變化,獲得較好的動態(tài)性能。