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如何消除（chú）自來水流量計信號中的工頻幹擾問題
點擊次數：2001 發布時間：2020-08-03 06:24:19
隨著微（wēi）電子技術的發展 ,自來水（shuǐ）流量計的技術性能有了進一步的提高（gāo） ,應用也越來越廣泛 。由於（yú）其（qí）具有對（duì）液體適（shì）應性較強的特點 ,在現代工業生（shēng）產中 ,成為測量流體流量的*選儀表。在現行的（de）自來水流量計中 ,低頻（pín）矩（jǔ）形波勵磁（cí）方式已成為（wéi）主要（yào）的勵磁方式 ,為了解決工頻幹擾問（wèn）題 ,實現對流體流速感應電勢 e ab 信號的準確測量 ,需利用以下基本關係（xì）:
①勵磁周期為工頻周期的整數倍,即勵磁頻率為50 n Hz(n 為偶數);
②正負勵（lì）磁下的同相位采（cǎi）樣。圖（tú）1 是對應低頻矩形波勵磁形式下的典型電勢（shì）信（xìn）號形式,按上（shàng）述關係在一個勵磁周期下 ,若（ruò）假設 t 1 和 t 2 點為工頻幹擾的（de）等（děng）效幹擾點 , 且采樣寬度 T =T 1 =T 2 ,則 e ab 的基本算式為
上（shàng）式說明自來水流量計的工頻幹擾在理論上有（yǒu）了可克服的途徑（jìng） ,但其方法是以同相位(t 1 =t 2 ), 同寬度采樣(T 1 =T 2 =T)為前提的 。顯然在實際情況下, 是不可能完全滿足這兩個前提的 ,采樣的相位與寬（kuān）度不可避免地存在著（zhe）誤差, 如何減少采（cǎi）樣誤差正是本（běn）文所要討論的問題。
1 工頻幹擾對流量信號的影響
當流體流速較大時, 工（gōng）頻幹擾可以忽略, 並（bìng）不是（shì）沒有,而是影響不敏感 ,這是相對感應電勢的值與（yǔ）工頻幹擾的大小比較而言的 ;而當激勵電流減小(減小勵磁電功率)或流體流速較小（xiǎo）時 ,發現工頻幹擾值在（zài）與（yǔ）反映流速的（de）信（xìn）號（hào）值在同一個數量級上, 這時工頻幹擾又顯得（dé）十分敏感。
圖2 即為（wéi）小（xiǎo）流量 、激勵電流 <70 mA 時, 利用反饋式信號放大處理方法放大了 104數量級（jí）倍的信（xìn）號波形（xíng）。從圖中可以看出工頻幹擾在實際信號中占的比例（lì）相當大 ,如果不正確地消除工頻幹擾 ,就無法得到令（lìng）人滿意的測量結果。
2 信號采樣方法的分析
長期以來, 在對自來水流量計進行信號處理時, 人們往往忽（hū）略了對信號（hào）采樣方法的分析 。實際上 ,采樣的區域、寬度、對稱（chēng）度及采樣的起（qǐ）始點的選取 , 特別是（shì）在小流量（liàng）情況下, 對自來（lái）水流量計（jì）的測（cè）量精度有較大（dà）的影響。為了說明問題, 下麵對勵磁（cí）頻率為工（gōng）頻的兩分頻和四分頻（pín）的情況進行分（fèn）析 。
2.1 采樣頻（pín）率為工頻的（de）兩分頻
采（cǎi）樣頻（pín）率為工頻（pín）的兩分頻（pín）如圖 3 所示 。
設為信號采（cǎi）樣起始相位角 ;T 為采樣寬度;ξ為采樣寬度（dù）誤差 ,令(為采樣相位誤差), 則其采樣信號誤差為
2.2 采樣頻率為工頻的四分頻
圖4(a)～ (c)直觀地描述了不同采樣寬度及采樣起始點位置對（duì）流量信號的影響 。設為信號采樣起始相位角,令為相位差 ;為采樣寬度誤差 都很小 ,可視為無窮小 。圖4(a)的采（cǎi）樣寬度為誤差為
圖4(b)的采樣寬度也為但是采樣起始點向左平移了2,誤差為
圖4(c)的采樣寬度為 2誤差為
從以上算式可以（yǐ）看出（chū） ,3 種采樣（yàng）範圍都存在著誤差,就采樣（yàng）誤（wù）差而言, 圖 4(a)近似於二階無窮小, 圖 4(b)似（sì）於（yú）一階無窮小 , 圖 4(c)近似於三階無窮小。因此采樣起始點（diǎn）及寬度如圖 4(c)時誤差 E *小 。對於六分頻、八分頻等情況,同樣有上述的結論。
3 實（shí）際信號波形（xíng）的分析
就圖 2的實際信號波形（xíng）(采（cǎi）樣頻率為工頻的四分頻)而言, 信噪比（bǐ）大約達到了 50%, 當假設正勵磁時間段的采樣起始點比負勵磁時間段滯後 1 ms, 即相位差Δ為 0.1π, 按上述 3 種采樣範圍 , 得到的采樣誤差分（fèn）別為（wéi） 0.049、0.309、0.000;如果（guǒ）假設正（zhèng）勵（lì）磁時間段的采樣寬度比負勵磁時間段大 0.1π, 即 ξ為0.1π,同（tóng）樣按 3種（zhǒng）情況進（jìn）行采樣 , 得到的采樣誤差分別為 0.024、0.155、0.155 ;如（rú）果同時考慮（lǜ）上述兩種情況(假設條（tiáo）件（jiàn）不（bú）變),得到的采樣誤差分別為 0.120、0.448、0.139。由此可以看出,在采樣寬度及采樣起始點位置存在誤差時,圖（tú） 4(c)所示的采樣方法無論在哪一種情況下都能更（gèng）好地克（kè）服工頻幹擾 ,同理論（lùn）分析的結果相一致（zhì）。
4 結（jié）束語
由上麵的分析不難發現 ,在對自來水流量（liàng）計進行信號處理時（shí） ,采樣寬度與采樣起始點對測（cè）量精度（dù）有著較大的影響 ,對采樣範圍的正確選取（qǔ） ,將有利於電磁流量
計的測量（liàng）精度的提高 。
利用上述采樣（yàng）方法進行信（xìn）號處理時 , 可以更好地消除工頻幹擾, 使測（cè）量時具有高精度（dù）和超寬量程, 現（xiàn）在的 自來水流（liú）量計即為實現了*大動態量程範圍為（wéi）0.001～ 10 m s 的（de）正負雙向流量測（cè）量、精度達 0.5%RS(流速在 0.1～ 10 m s), 誤差 <0.000 5 m s(流速 <0.1 m s)的高性能自來水流量計。
①勵磁周期為工頻周期的整數倍,即勵磁頻率為50 n Hz(n 為偶數);
②正負勵（lì）磁下的同相位采（cǎi）樣。圖（tú）1 是對應低頻矩形波勵磁形式下的典型電勢（shì）信（xìn）號形式,按上（shàng）述關係在一個勵磁周期下 ,若（ruò）假設 t 1 和 t 2 點為工頻幹擾的（de）等（děng）效幹擾點 , 且采樣寬度 T =T 1 =T 2 ,則 e ab 的基本算式為
上（shàng）式說明自來水流量計的工頻幹擾在理論上有（yǒu）了可克服的途徑（jìng） ,但其方法是以同相位(t 1 =t 2 ), 同寬度采樣(T 1 =T 2 =T)為前提的 。顯然在實際情況下, 是不可能完全滿足這兩個前提的 ,采樣的相位與寬（kuān）度不可避免地存在著（zhe）誤差, 如何減少采（cǎi）樣誤差正是本（běn）文所要討論的問題。
1 工頻幹擾對流量信號的影響
當流體流速較大時, 工（gōng）頻幹擾可以忽略, 並（bìng）不是（shì）沒有,而是影響不敏感 ,這是相對感應電勢的值與（yǔ）工頻幹擾的大小比較而言的 ;而當激勵電流減小(減小勵磁電功率)或流體流速較小（xiǎo）時 ,發現工頻幹擾值在（zài）與（yǔ）反映流速的（de）信（xìn）號（hào）值在同一個數量級上, 這時工頻幹擾又顯得（dé）十分敏感。
圖2 即為（wéi）小（xiǎo）流量 、激勵電流 <70 mA 時, 利用反饋式信號放大處理方法放大了 104數量級（jí）倍的信（xìn）號波形（xíng）。從圖中可以看出工頻幹擾在實際信號中占的比例（lì）相當大 ,如果不正確地消除工頻幹擾 ,就無法得到令（lìng）人滿意的測量結果。
2 信號采樣方法的分析
長期以來, 在對自來水流量計進行信號處理時, 人們往往忽（hū）略了對信號（hào）采樣方法的分析 。實際上 ,采樣的區域、寬度、對稱（chēng）度及采樣的起（qǐ）始點的選取 , 特別是（shì）在小流量（liàng）情況下, 對自來（lái）水流量計（jì）的測（cè）量精度有較大（dà）的影響。為了說明問題, 下麵對勵磁（cí）頻率為工（gōng）頻的兩分頻和四分頻（pín）的情況進行分（fèn）析 。
2.1 采樣頻（pín）率為工頻的（de）兩分頻
采（cǎi）樣頻（pín）率為工頻（pín）的兩分頻（pín）如圖 3 所示 。
設為信號采（cǎi）樣起始相位角 ;T 為采樣寬度;ξ為采樣寬度（dù）誤差 ,令(為采樣相位誤差), 則其采樣信號誤差為
2.2 采樣頻率為工頻的四分頻
圖4(a)～ (c)直觀地描述了不同采樣寬度及采樣起始點位置對（duì）流量信號的影響 。設為信號采樣起始相位角,令為相位差 ;為采樣寬度誤差 都很小 ,可視為無窮小 。圖4(a)的采（cǎi）樣寬度為誤差為
圖4(b)的采樣寬度也為但是采樣起始點向左平移了2,誤差為
圖4(c)的采樣寬度為 2誤差為
從以上算式可以（yǐ）看出（chū） ,3 種采樣（yàng）範圍都存在著誤差,就采樣（yàng）誤（wù）差而言, 圖 4(a)近似於二階無窮小, 圖 4(b)似（sì）於（yú）一階無窮小 , 圖 4(c)近似於三階無窮小。因此采樣起始點（diǎn）及寬度如圖 4(c)時誤差 E *小 。對於六分頻、八分頻等情況,同樣有上述的結論。
3 實（shí）際信號波形（xíng）的分析
就圖 2的實際信號波形（xíng）(采（cǎi）樣頻率為工頻的四分頻)而言, 信噪比（bǐ）大約達到了 50%, 當假設正勵磁時間段的采樣起始點比負勵磁時間段滯後 1 ms, 即相位差Δ為 0.1π, 按上述 3 種采樣範圍 , 得到的采樣誤差分（fèn）別為（wéi） 0.049、0.309、0.000;如果（guǒ）假設正（zhèng）勵（lì）磁時間段的采樣寬度比負勵磁時間段大 0.1π, 即 ξ為0.1π,同（tóng）樣按 3種（zhǒng）情況進（jìn）行采樣 , 得到的采樣誤差分別為 0.024、0.155、0.155 ;如（rú）果同時考慮（lǜ）上述兩種情況(假設條（tiáo）件（jiàn）不（bú）變),得到的采樣誤差分別為 0.120、0.448、0.139。由此可以看出,在采樣寬度及采樣起始點位置存在誤差時,圖（tú） 4(c)所示的采樣方法無論在哪一種情況下都能更（gèng）好地克（kè）服工頻幹擾 ,同理論（lùn）分析的結果相一致（zhì）。
4 結（jié）束語
由上麵的分析不難發現 ,在對自來水流量（liàng）計進行信號處理時（shí） ,采樣寬度與采樣起始點對測（cè）量精度（dù）有著較大的影響 ,對采樣範圍的正確選取（qǔ） ,將有利於電磁流量
計的測量（liàng）精度的提高 。
利用上述采樣（yàng）方法進行信（xìn）號處理時 , 可以更好地消除工頻幹擾, 使測（cè）量時具有高精度（dù）和超寬量程, 現（xiàn）在的 自來水流（liú）量計即為實現了*大動態量程範圍為（wéi）0.001～ 10 m s 的（de）正負雙向流量測（cè）量、精度達 0.5%RS(流速在 0.1～ 10 m s), 誤差 <0.000 5 m s(流速 <0.1 m s)的高性能自來水流量計。