電磁流量計(jì)中噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策

電磁流量計(jì)由于其可靠性高、耐腐蝕性強(qiáng)、測(cè)量精度高、容易變更測(cè)量范圍等特點(diǎn),目前在石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用;特別是在能源短缺的今天,電磁流量計(jì)的發(fā)展為資源的科學(xué)管理提供了重要的基礎(chǔ)技術(shù)支持。然而,科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)電磁流量計(jì)提出了更高、更新的要求,尤其是在流量測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性方面。電磁流量計(jì)中干擾信號(hào)與流量信號(hào)混合在一起,不僅成分復(fù)雜而且有的干擾信號(hào)數(shù)量級(jí)與流量信號(hào)相當(dāng),此外噪聲進(jìn)入微處理器可能造成系統(tǒng)運(yùn)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(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1電磁流量計(jì)中噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策

電磁流量計(jì)工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律,通過測(cè)量導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)推算流體流量。勵(lì)磁磁場(chǎng)、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)采集電極、信號(hào)運(yùn)算放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器都容易受到工作現(xiàn)場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)輻射耦合,因此電磁耦合是流量測(cè)量中最主要的干擾方式;其次被測(cè)液體的電化學(xué)反應(yīng)和泥漿干擾是流量測(cè)量的另一噪聲來(lái)源。

1.1微分干擾產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策

在現(xiàn)行的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)中,低頻矩形波勵(lì)磁方式結(jié)合了直流勵(lì)磁和交流勵(lì)磁兩者的優(yōu)點(diǎn),成為主要?jiǎng)?lì)磁方式之一。在低頻勵(lì)磁方式下,其干擾主要表現(xiàn)為:由勵(lì)磁電流突變產(chǎn)生的微分干擾信號(hào)[1]。理想勵(lì)磁磁場(chǎng)信號(hào)為低頻矩形波,實(shí)際上隨著勵(lì)磁電流變化(dI/dt)在磁場(chǎng)上產(chǎn)生微分干擾信號(hào),隨著電流的穩(wěn)定,干擾信號(hào)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(hào)。實(shí)際設(shè)計(jì)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(jìn)行采樣開始時(shí)間控制,從而實(shí)現(xiàn)同步采樣。采用軟件方式時(shí),當(dāng)控制寄存器中FSYNC位為邏輯1時(shí),模數(shù)轉(zhuǎn)換器處于復(fù)位狀態(tài);向該位寫邏輯0時(shí),器件開始采樣輸入信號(hào)。在應(yīng)用中,低頻勵(lì)磁信號(hào)由MSP430單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生,同時(shí)產(chǎn)生采樣信號(hào)。如圖1所示,采樣開始時(shí)間滯后勵(lì)磁信號(hào)1/4個(gè)周期。

1.2工頻串模干擾產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策

在電磁流量計(jì)的工作現(xiàn)場(chǎng)存在大量工頻信號(hào),疊加在勵(lì)磁回路、電極、前端放大器的工頻干擾噪聲對(duì)流量的準(zhǔn)確測(cè)量造成極大影響。其中輻射耦合到勵(lì)磁回路的工頻輻射磁場(chǎng)(包括其諧波)造成勵(lì)磁磁場(chǎng)波動(dòng),影響流量測(cè)量。當(dāng)流體流速較小時(shí),工頻干擾信號(hào)與有效流量信號(hào)在同一數(shù)量級(jí),嚴(yán)重影響測(cè)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(shí)際應(yīng)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(duì)模擬濾波器除具有靈活性高、參數(shù)設(shè)置方便等特點(diǎn)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(gè)數(shù);f為數(shù)字濾波器響應(yīng)頻率。通過設(shè)定濾波采樣個(gè)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(shè)計(jì)中綜合考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換速度和去除噪聲性能,設(shè)置N值使濾波器截止頻率為50Hz,濾波器頻域響應(yīng)如圖2所示,濾波器對(duì)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(shè)置RC模擬低通濾波器還可以帶來(lái)其他作用。在實(shí)際測(cè)量觀察到的流量信號(hào)中存在尖脈沖噪聲,可能使模數(shù)轉(zhuǎn)換器飽和,導(dǎo)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(hào)。

1.3共模干擾、串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)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(dǎo)致電路某些參考電位變化,是造成電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的原因之一;同時(shí)共模信號(hào)產(chǎn)生很高的輻射電場(chǎng)使電路的電磁兼容性惡化。串?dāng)_是由于印刷電路板設(shè)計(jì)電磁兼容性考慮不足造成信號(hào)質(zhì)量下降,特別是高速走線和模擬電路易受到影響。

對(duì)由共模干擾信號(hào)導(dǎo)致的參考電位變化,應(yīng)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(yùn)放,可以有效抑制共模干擾。此外,電磁流量計(jì)電路板設(shè)計(jì)符合電磁兼容性要求降低串?dāng)_對(duì)信號(hào)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(hào)影響模擬信號(hào)。適當(dāng)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(duì)于敏感信號(hào)回路,如時(shí)鐘信號(hào)、模擬輸入信號(hào)嚴(yán)格控制回路面積。鋪設(shè)地平面提供低阻抗信號(hào)回路,加強(qiáng)屏蔽效果。

1.4其他干擾對(duì)策

電化學(xué)極化電動(dòng)勢(shì)干擾是被測(cè)液體中電解質(zhì)在感應(yīng)電場(chǎng)作用下在電極表面極化產(chǎn)生的,是電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的主要原因之一。采用交流勵(lì)磁方式可以有效地減小極化電動(dòng)勢(shì),此外在應(yīng)用中微處理器運(yùn)算時(shí)將兩次流量電壓采樣值相減,這樣不但可以減小極化電動(dòng)勢(shì),而且可以補(bǔ)償由共模干擾帶來(lái)的零點(diǎn)漂移。

泥漿干擾是在測(cè)量泥漿、纖維漿等固液兩相特性液體時(shí),固體顆?；蛘邭馀菖c電極發(fā)生摩擦,在電極表面的電化學(xué)電動(dòng)勢(shì)突然變化,電磁流量計(jì)傳感器輸出信號(hào)輸出尖峰脈沖狀干擾。在低頻勵(lì)磁情況下,泥漿干擾產(chǎn)生的尖脈沖數(shù)量級(jí)大,極大地影響流量的準(zhǔn)確測(cè)量,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,采用多種信號(hào)處理混合方式抑制噪聲,信號(hào)處理原理如圖3所示。

流量計(jì)正常運(yùn)行時(shí),尖峰脈沖噪聲出現(xiàn)的概率小,被測(cè)液體流速不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)變化,基于以上特性,對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行限幅濾波處理:當(dāng)前輸入信號(hào)相對(duì)上周期輸入信號(hào)超出噪聲容限范圍,該信號(hào)被認(rèn)為是噪聲信號(hào),不再進(jìn)一步計(jì)算。

滑動(dòng)平均濾波是處理流量信號(hào)經(jīng)常采用的信號(hào)處理辦法,可以有效降低采樣誤差;滑動(dòng)平均濾波函數(shù)的脈沖響應(yīng)時(shí)間是受滑動(dòng)窗口數(shù)控制的,如果能動(dòng)態(tài)調(diào)整窗口數(shù)目,那么響應(yīng)速度就會(huì)大大提高;在應(yīng)用中使用改進(jìn)的滑動(dòng)平均濾波函數(shù),通過響應(yīng)時(shí)間控制器控制滑動(dòng)窗口數(shù),當(dāng)響應(yīng)時(shí)間超過設(shè)定值時(shí),將窗口數(shù)設(shè)置為1,使輸出信號(hào)迅速變化,獲得較好的動(dòng)態(tài)性能。