酒（jiǔ）精（jīng）流量計（jì）的抗幹擾措施及其效果分（fèn）析
點擊次數：2140 發布時間：2020-08-15 06:01:37
摘要：為了（le）抑製和（hé）排除酒精流量計測（cè）量過程中的幹擾，提高信噪比，提高測量的精確度和穩定性，討論了酒精流量計幾類幹擾噪聲產生的物理機理和（hé）特征（zhēng），簡要闡述了酒精流量計的幾種硬件和軟件方麵的抗幹擾技術。硬件方麵設計了（le）高精度低功耗的矩形波激磁電路，並從激磁電路（lù）中引出A/D轉換器（qì）的參考電壓，提高了A/ D轉換結果（guǒ）的抗幹擾能力。軟件方麵主要采用“計算斜率（lǜ）法（fǎ）”和（hé）“正負差值法（fǎ）”相結合的（de）方法消除零點漂移。實驗表（biǎo）明，這些方法在智能酒精流量計的測量過（guò）程中取得了明顯的效果。
酒（jiǔ）精流量計是利（lì）用法（fǎ）拉（lā）*電磁（cí）感應定律來測量導電液體的體積（jī）流量的儀表，具有很多突出的優點，例如：無可動部件，不會產生壓力損失和堵（dǔ）塞管道；測量導電介質的流量，不受溫（wēn）度、黏度、密（mì）度、壓力、雷諾數以及在一定範圍內（nèi）電導率變化的影響；測量原理為線性，精度高，測量範圍大；耐腐蝕性好並且（qiě）可測量正反流速等等。但在實際測量中，幹擾（rǎo）信號與（yǔ）有用的信號混（hún）在一（yī）起，它們不僅成分複雜，而且有時候幹擾（rǎo）信號還會比流量信號大。在這種情況下怎樣抑製和排（pái）除這些幹擾，提高信（xìn）噪比，提高測量的精確度和穩定性就成了研製和使用酒精流量計（jì）的一個技術（shù）關鍵。
以往的酒精流量計的設（shè）計很多還有待改進，例如：激磁電路基（jī）本采用模擬式恒流源，功（gōng）耗大的同時也引入了幹擾，並且精確度不高；轉（zhuǎn）換器大多使用8位或（huò）16位的單（dān）片（piàn）機，較為複雜的算法就難以實現或響（xiǎng）應時間過慢；抗幹擾主要集中在硬件電路的設計等。本（běn）係統采（cǎi）用32位（wèi）ARM處理器，提高數據處理能力和算法複雜度（dù）；並設計了低功耗的激磁電路（lù），同時利用反饋原（yuán）理消除（chú）激勵電流不穩定對A/D轉換結果的影響並在軟件（jiàn）算法和硬件電路方麵提出了有效的消除零點漂移以及其他幹擾（rǎo）的措施，使酒（jiǔ）精流量計測量精度更為提高（gāo）。
1、酒精流量計的測量原理（lǐ）
由法拉*電磁（cí）感應定律可（kě）知，當導（dǎo）體在磁場中做（zuò）切割磁力線（xiàn）運動時，在導體兩端就產生感應電動勢。設在磁場強度為B的均勻磁場中放置一個垂直於磁場方向的直徑為D的管道（dào），當導電液（yè）體在管道中流動時，導電液體切割磁力線，就（jiù）會在和磁場及流動方向垂直的方向產生感應電動勢。如果在管道截麵（miàn）上垂直於（yú）磁場（chǎng）的直徑（jìng）兩端安裝一對電*，兩電（diàn）*之間就會產生感應電動勢。如管道（dào）內流速v為（wéi）軸對（duì）稱分（fèn）布，不考慮感應電動（dòng）勢的正負可得：
其中，B為磁感應強度，A為磁通量變化（huà）麵積，D為導體長度，dl為被測介質（zhì）運動的距離，v為被測介質運動的速度，U為感應電動勢（shì）。
所測液體（tǐ）的體積流量為：
式（shì）（1）說明，導體在磁場內作（zuò）切割磁力線運動，導體兩端產生的感應電動勢（shì）的大小與磁感應強度B成正比，與導體的長度D成正比，與導體運動的速度v成正比（bǐ）。由式（2）可知液體的體（tǐ）積流量與感應電（diàn）動（dòng）勢成正比，這就是酒精流（liú）量計的（de）設計原理。
2、酒精流量計中的幹擾源分析
傳感器提供給轉換器的（de）流量信號是電*間（jiān）的電位（wèi）差，即一種電壓信號（hào）。在實際測量中，由於（yú）電磁感應、靜電感應以及電化學電勢等原（yuán）因，電*上所得到的電壓不僅僅是與流（liú）速成（chéng）比例的電動勢，也包含各種各樣的幹擾成分在（zài）內。
*先（xiān）酒精流量計工（gōng）作現場（chǎng）存在大量的工頻信號，耦合在激磁回路、電*、前端放大器的工頻幹擾（rǎo）噪聲對流量測量的準確性造成*大的影響。其次，在低頻矩形波激磁方式下，其幹擾主要表現為由激磁電流突變產生的（de）微分幹擾（rǎo）信號，隨著電流的穩定，幹擾信號隨之消失；另外，由於電磁流量傳感器的“變壓器效應”，會產生相位上與流量信號相（xiàng）差90°的正交幹擾信號；此外，由於電磁屏蔽缺陷，接地（dì）不良，雜散電容等引起返回電流不平衡產生共（gòng）模幹擾，它（tā）可能（néng）導致電路某些參考電位變化，是造成酒（jiǔ）精流量計零點漂移的原因之一，同時產生高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化；串模幹擾是由（yóu）於印刷電路板設計電磁兼容性考（kǎo）慮不足（zú）造成的信號質量下降，特（tè）別是高速走線和模擬電（diàn）路易受到影響；還有就是電化學*化電動勢幹擾，它（tā）是被（bèi）測液（yè）體中電解質在感應電場作用下在電*表麵*化產生，是酒精流量計零（líng）點漂移的主要原因。
3、酒精流量計的抗幹擾措施及其效果（guǒ）分析
3.1高（gāo）精度的激磁電路的設計
該係統采（cǎi）用6.25Hz的雙*性低頻矩形波激磁，這種激磁方式不僅可以克服直流激磁（cí）產生（shēng）的電**化效應，也可以克服工頻正弦波激磁產生的正交幹擾影響。
以往的激磁電路的設（shè）計（jì）都是采用恒流源和可控開關電路組成。恒流源是（shì）由電壓基準（zhǔn）、比較放大、控製調（diào）整和采樣等部分組成的直流（liú）負反饋自動調節係統，常用（yòng）的激磁電路就是用串聯調整型恒流電源盒控製開關組成的，如圖1。其中Vref是（shì）參考電壓，Rs是采樣電阻，Is為流過Rs的電流，就是所（suǒ）需的恒流（liú），RL為電磁流量傳感器線圈，K1、K2、K3、K4為可（kě）控開關，以達（dá）到使線圈（quān）RL中流經正負交換的電流，對傳感器激磁。
由理想運算放（fàng）大器“虛短（duǎn）”原（yuán）理可知：
由（yóu）此可知，要想獲得一個穩定的輸出電流（liú）Is，*先，必須要提供一個高精度的基準電壓和高精度采樣（yàng）電阻。由於運放在調整控製過程中的作用，運放的增益直接影響輸出電流（liú）的精度，高增益和低漂移的（de）運放是必要的選擇（zé）。由於采樣電阻與（yǔ）負載串（chuàn）連，流過的電流通常比較大，因此局部溫度也會隨之上升，導致元器件溫度上升，恒流源的溫度穩定性變壞，采樣電阻Rs隨溫度或其他環境參（cān）數的變化而改變（biàn），勢必影響Is的精度。其次，恒流電源的（de）輸出（chū）電流全部流過（guò）調整管，因此調整管上的功耗也很大，必須選擇（zé）大功率的晶體管，然而大功率（lǜ）晶體（tǐ）管（guǎn）需要較大的基*驅動電流，以滿足對運放有較高驅動能力的要（yào）求。再次，雙*型三*管的漏電（diàn）流和電流放大（dà）係數對溫度比較敏感，溫度穩定性較差。還有，電壓電流變換器使用的負反饋閉（bì）環控製，電流穩定度與放大（dà）器放大倍數有直接關係，在大功率（lǜ）電源裏基本上是倒數關係。運（yùn）放的溫度漂移和失調對電路（lù）的精度和溫度穩定性有很大的（de）影響。
為此，設計了一個新型的激磁電路，並將激勵電流反饋到A/D轉換器，以消除激勵電流不穩定對A/D轉換結果的影響，如圖2。
其中+24V是由220V的交流電通過變（biàn）壓、整流、濾波（bō）之後，輸入可調集成穩壓器LM317，通過高（gāo）精度的（de）滑（huá）動變阻器調節而得到的恒壓源。LM317保證1.5A輸出電流，典型線性調整率0.01%，典型負載調整（zhěng）率0.1%，80dB紋（wén）波抑製比，輸出短路保護，過流、過熱保護（hù），調整管安全（quán）工作區保護。係統（tǒng）的（de）微控製器采用ARM7芯片（piàn）STR710，通過它的I/O端口控製圖2中的P2.8和P2.9，ARM7芯片STR710進行控製，使端口P2輸出正負24V交變的矩形波，從而對傳感器激磁。另（lìng）外，Vref（+）接該係統A/D轉換器的參考輸入端VREF（+）。
整個電路的工作過程為：當P2.9為高電平（píng）時，Q1、Q2、Q3、Q4導通（tōng），此時（shí）Q5的基*電流為零，Q5截止，此時P2的端口2輸出+24V的電壓。此時P2.8為低電平，Q6、Q7、Q8、Q9，此時有電流流經（jīng）Q10基*，並（bìng）使其基*和發射級導通，Q10的功能相（xiàng）當（dāng）於一個二（èr）*管的作（zuò）用，此時P1端口沒（méi）有（yǒu）電壓輸出。那麽，A/D轉換器（qì）的（de）參考輸（shū）入端Vref（+）為：
其中，Vp2是P2端口輸（shū）出電壓幅值的絕對值（zhí），此處應該是+24V。整個（gè）電路是對稱（chēng）的，且R15=R20，當P2.9為低電平，P2.8為高電平時，P2的端口2無電（diàn）壓輸出，端口1輸出（chū）+24V的電壓，Vref（+）值不變，如此周而複始輸出頻率為6.25Hz的（de）的（de）雙*性（xìng）矩（jǔ）形波。用（yòng）Multisim仿真結（jié）果如圖3所示。
此外，把Vref（+）作為A/D轉（zhuǎn）換器的參考（kǎo）輸入（rù），可以大大提高係統的溫度穩定（dìng）性。A/D轉換的結果可表示為：
其（qí）中，Vin為經放大、濾波處理過的電壓信號（hào），也（yě）是A/D轉換器的輸入信號，Vout為傳感器（qì）輸出的原（yuán）始流量信號，K0為信號放大倍數。
由公式（1）可知：
通電螺線管（guǎn）線（xiàn）圈（quān）產生的磁場為：
其中，μ0為真空磁導率，N為傳感（gǎn）器線圈匝（zā）數，I為流過線圈的電流，l為線圈的長度。
由圖2可知：
把（bǎ）式（7）、（8）、（9）帶入式（6）可得：
由式（11）、（12）可知在保證R21精度的前提下，A/D轉換的結果隻與液體的流（liú）速有關，不受電磁流量傳感器線圈電阻變化的影響。該電路通過MCU控製三*管的通（tōng）斷得到激磁信號，三*管的為電流控製（zhì）元件，該電路實現了小（xiǎo）電流控製大電壓，三*管的功（gōng）耗低，電路的響應速度快（kuài），溫度穩定性好（hǎo），抗幹擾能力強（qiáng），對酒精流量計整體精度的提高起到了決定性（xìng）的作用。
3.2微分幹擾和工頻幹擾的消除
信號中往往同時存在微分幹擾和工頻幹擾信號，在信（xìn）號處理電路中（zhōng）的低通濾波往往很（hěn）難將工頻幹擾完全濾出。本係統采用（yòng）了同步（bù）采（cǎi）樣和工頻補償技術，以抑製流量信號電勢中混入工頻幹擾和工頻電（diàn）源頻率波動產生工頻幹擾，並有效去除微分幹擾。同步采樣技術，采樣開始時間滯（zhì）後激磁（cí）信號1/4個周期（qī），其采樣脈寬為工頻（pín）周期的偶（ǒu）數倍，消除微分幹擾的同時使流量（liàng）信（xìn）號電勢中工頻幹擾平均值等於零，以消除工頻幹擾的影響；工頻電源的頻率波動補償是保證頻率的動態波動中，激磁電源和采樣脈衝得（dé）以同步調整，真正實現同步采樣（yàng）技術和同步激磁技術，同步A/D轉換，降低了微分幹擾和工頻幹擾的影響。
3.3零點漂移消除
所謂零點漂移，就是當（dāng）傳感器的輸入信（xìn）號（hào）為零時，放大器的輸出並不是零。零點漂移的信號會在各級放大（dà）的電路間（jiān）傳遞，經過多級放大後，在輸出端成為較大的信（xìn）號（hào），由於傳感器輸出的有用（yòng）信號較弱（ruò），零點漂移就可能將有用信號淹沒，使電路無法正常工（gōng）作。零點漂移可分為基線零點漂移和斜率零點漂移。對（duì）於零點漂移的（de）抑製，該（gāi）係統采用軟硬件（jiàn）相結合的措施。硬件電路方麵，采（cǎi）用三（sān）運放的差動電（diàn）路輸入，實現對大內阻的（de）微弱信（xìn）號采集，並有效抑製了共模信（xìn）號的引（yǐn）入。一級放大電路之後采用隔直電容，濾除基線零點漂移，防止直流信號過大，超出A/D轉換（huàn）的輸入範圍。
有時（shí）硬件的方法是不可能完全滿足係統的要求的，必須（xū）結合軟件的方法才能更好地達到係統的要求，也就是現在所說的軟件即是虛擬（nǐ）硬件。結合硬件采用軟件的方法簡單易行（háng），可以很好消除（chú）采集（jí）數據中的（de）零點漂移，並且其成本（běn）比用硬件的方法低，改進軟（ruǎn）件的算法可以方便實現對係統的改進。對於該係統的零點漂移，采用“計算斜率法”和“正負差值（zhí）法（fǎ）”相結合的方法可以很有效地（dì）消除基線零點（diǎn）漂移（yí）和斜率零點漂移對酒精流量計精度的影響。
圖4為經過信號處理（lǐ）和同（tóng）步采樣（yàng）後的信號，同時存在基線零點漂移和斜率零點漂（piāo）移。斜率零點漂移則多（duō）見於積分係統，隨著時間的推移，積分器（qì）的零點可能會出現**間累加漂移（yí）。此外，外界的環境（jìng）溫度的變化也是斜率零點漂移產生的重要原因。
鑒於斜率零點漂移產生（shēng）的機理，可以在標定的時候確定零點漂移的斜率K。也就是在管道液體靜止不動（dòng）流量為（wéi）零的時候對輸出（chū）信號進（jìn）行（háng）采樣，設從時間t1進行采樣，采樣曆時Δt，經過一（yī）段時間（jiān）後又從t2開始采樣，曆時Δt後采樣結束。分別得到兩組離散的信號x1到xn和x1到（dào）xn，分別除去*大值、*小值後對剩下（n-2）個值進行平均，得：
那麽斜率零點漂移的斜（xié）率為（wéi）：
對於基線零點漂移，“正負差值法”是比較有效便捷的選擇，它（tā）不需要直接消除信號中的基線零點漂移，而（ér）是通過算法上去掉基線零點漂移對（duì）測量結果的影響。該係統中，激磁信號的頻率（lǜ）為6.25Hz，由於所測量的液體（tǐ）流速不會有明顯的突變，所以在信號的一個周期0.16s內，可以采用一個波峰減去波穀的（de）均值來表（biǎo）示此時的流量信號，也即如圖3中|y4-y1|其中y4是從nT+T/4到nT+T/2采樣結果的算術（shù）平（píng）均值，y1是從到（n+1）T進行（háng）采樣結果的算術平均值。但是（shì）由於斜率零（líng）點漂移（yí）的存在，會出（chū）現（xiàn）如圖3中|y3-y2|的誤差（chà），所以需要利用（yòng）式（15）的結果對（duì）該誤差進行修正，修正（zhèng）後的（de）結果也就是此時管道中液體感應出（chū）的電動勢為（wéi）：
對於式（shì）（16）結果，去除了工頻幹擾、微分幹擾、零點漂移的影響，大大提高了酒精流量計的測量精度。
3.4其他去（qù）除幹（gàn）擾的措施
對於（yú）由電（diàn）磁流量傳感器的“變壓器效應”所（suǒ）產生的正交（jiāo）幹擾（rǎo），采用（yòng）“變（biàn）送器調零法”來消除，這個方法既方（fāng）便又實用。
軟件設計方麵，采用了數字濾波技術，它能完成模擬濾波（bō）不（bú）能完成的功能，很容易剔出脈衝（chōng）幹擾，消除數字電路毛刺（cì），提高（gāo）A/D轉換的抗（kàng）工頻幹擾能（néng）力以及輸入微處理器數字的可靠性。此外，還采（cǎi）用了掉電保護技術，軟件（jiàn）指（zhǐ）令冗餘（yú）措（cuò）施（shī），軟件陷阱抗幹擾方法以及看門狗技術（shù），這些措施的采用有效地排除了智能酒精流量計微（wēi）處理器失控。
在PCB電路板製作上，采用數字地與模擬地（dì）分開（kāi）走線並加（jiā）粗（cū），*後用0歐電阻單點相連。數字（zì）電源與模擬電源也分開供電，合（hé）理加裝了去藕（ǒu）電容，並協調好不同類型IC的點評匹配。數字（zì）信（xìn）號和（hé）模擬信（xìn）號分開走線（xiàn），有效防止了（le）並行走線產生寄生電容和（hé）共生電（diàn）容。選擇高性能的抗幹擾芯片，這是抗幹擾技術重要環節。
在酒精流量計的安裝方麵，使傳感器的外殼應接地，並且將流量調節（jiē）閥門放在流（liú）量計的下遊（yóu），垂直安裝（若水平（píng）安裝的流量計應保證上遊10倍直（zhí）徑，下遊5倍直徑（jìng）的直管段），這樣達到整流的目的，從而減小（xiǎo）了（le）流速分布不均對測量精度的影響。減短信號傳送電纜，否則由電纜分布電容引起（qǐ）的負載效應就會增大測量誤差（chà），也增加了信號受到幹擾的可能。
4、結束語
智能酒精流量計多種抗幹擾技術的采用，大大抑製和消除了幹擾信號對有用信（xìn）號的影響（xiǎng），增強了酒精流量計的抗幹擾能力，經酒精流量計製作樣機反（fǎn）複實驗證明，測量精度可達（dá）到0.5%，提高了以往測（cè）量的精度和可靠性。
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以往的酒精流量計的設（shè）計很多還有待改進，例如：激磁電路基（jī）本采用模擬式恒流源，功（gōng）耗大的同時也引入了幹擾，並且精確度不高；轉（zhuǎn）換器大多使用8位或（huò）16位的單（dān）片（piàn）機，較為複雜的算法就難以實現或響（xiǎng）應時間過慢；抗幹擾主要集中在硬件電路的設計等。本（běn）係統采（cǎi）用32位（wèi）ARM處理器，提高數據處理能力和算法複雜度（dù）；並設計了低功耗的激磁電路（lù），同時利用反饋原（yuán）理消除（chú）激勵電流不穩定對A/D轉換結果的影響並在軟件（jiàn）算法和硬件電路方麵提出了有效的消除零點漂移以及其他幹擾（rǎo）的措施，使酒（jiǔ）精流量計測量精度更為提高（gāo）。
1、酒精流量計的測量原理（lǐ）
由法拉*電磁（cí）感應定律可（kě）知，當導（dǎo）體在磁場中做（zuò）切割磁力線（xiàn）運動時，在導體兩端就產生感應電動勢。設在磁場強度為B的均勻磁場中放置一個垂直於磁場方向的直徑為D的管道（dào），當導電液（yè）體在管道中流動時，導電液體切割磁力線，就（jiù）會在和磁場及流動方向垂直的方向產生感應電動勢。如果在管道截麵（miàn）上垂直於（yú）磁場（chǎng）的直徑（jìng）兩端安裝一對電*，兩電（diàn）*之間就會產生感應電動勢。如管道（dào）內流速v為（wéi）軸對（duì）稱分（fèn）布，不考慮感應電動（dòng）勢的正負可得：
其中，B為磁感應強度，A為磁通量變化（huà）麵積，D為導體長度，dl為被測介質（zhì）運動的距離，v為被測介質運動的速度，U為感應電動勢（shì）。
所測液體（tǐ）的體積流量為：
式（shì）（1）說明，導體在磁場內作（zuò）切割磁力線運動，導體兩端產生的感應電動勢（shì）的大小與磁感應強度B成正比，與導體的長度D成正比，與導體運動的速度v成正比（bǐ）。由式（2）可知液體的體（tǐ）積流量與感應電（diàn）動（dòng）勢成正比，這就是酒精流（liú）量計的（de）設計原理。
2、酒精流量計中的幹擾源分析
傳感器提供給轉換器的（de）流量信號是電*間（jiān）的電位（wèi）差，即一種電壓信號（hào）。在實際測量中，由於（yú）電磁感應、靜電感應以及電化學電勢等原（yuán）因，電*上所得到的電壓不僅僅是與流（liú）速成（chéng）比例的電動勢，也包含各種各樣的幹擾成分在（zài）內。
*先（xiān）酒精流量計工（gōng）作現場（chǎng）存在大量的工頻信號，耦合在激磁回路、電*、前端放大器的工頻幹擾（rǎo）噪聲對流量測量的準確性造成*大的影響。其次，在低頻矩形波激磁方式下，其幹擾主要表現為由激磁電流突變產生的（de）微分幹擾（rǎo）信號，隨著電流的穩定，幹擾信號隨之消失；另外，由於電磁流量傳感器的“變壓器效應”，會產生相位上與流量信號相（xiàng）差90°的正交幹擾信號；此外，由於電磁屏蔽缺陷，接地（dì）不良，雜散電容等引起返回電流不平衡產生共（gòng）模幹擾，它（tā）可能（néng）導致電路某些參考電位變化，是造成酒（jiǔ）精流量計零點漂移的原因之一，同時產生高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化；串模幹擾是由（yóu）於印刷電路板設計電磁兼容性考（kǎo）慮不足（zú）造成的信號質量下降，特（tè）別是高速走線和模擬電（diàn）路易受到影響；還有就是電化學*化電動勢幹擾，它（tā）是被（bèi）測液（yè）體中電解質在感應電場作用下在電*表麵*化產生，是酒精流量計零（líng）點漂移的主要原因。
3、酒精流量計的抗幹擾措施及其效果（guǒ）分析
3.1高（gāo）精度的激磁電路的設計
該係統采（cǎi）用6.25Hz的雙*性低頻矩形波激磁，這種激磁方式不僅可以克服直流激磁（cí）產生（shēng）的電**化效應，也可以克服工頻正弦波激磁產生的正交幹擾影響。
以往的激磁電路的設（shè）計（jì）都是采用恒流源和可控開關電路組成。恒流源是（shì）由電壓基準（zhǔn）、比較放大、控製調（diào）整和采樣等部分組成的直流（liú）負反饋自動調節係統，常用（yòng）的激磁電路就是用串聯調整型恒流電源盒控製開關組成的，如圖1。其中Vref是（shì）參考電壓，Rs是采樣電阻，Is為流過Rs的電流，就是所（suǒ）需的恒流（liú），RL為電磁流量傳感器線圈，K1、K2、K3、K4為可（kě）控開關，以達（dá）到使線圈（quān）RL中流經正負交換的電流，對傳感器激磁。
由理想運算放（fàng）大器“虛短（duǎn）”原（yuán）理可知：
由（yóu）此可知，要想獲得一個穩定的輸出電流（liú）Is，*先，必須要提供一個高精度的基準電壓和高精度采樣（yàng）電阻。由於運放在調整控製過程中的作用，運放的增益直接影響輸出電流（liú）的精度，高增益和低漂移的（de）運放是必要的選擇（zé）。由於采樣電阻與（yǔ）負載串（chuàn）連，流過的電流通常比較大，因此局部溫度也會隨之上升，導致元器件溫度上升，恒流源的溫度穩定性變壞，采樣電阻Rs隨溫度或其他環境參（cān）數的變化而改變（biàn），勢必影響Is的精度。其次，恒流電源的（de）輸出（chū）電流全部流過（guò）調整管，因此調整管上的功耗也很大，必須選擇（zé）大功率的晶體管，然而大功率（lǜ）晶體（tǐ）管（guǎn）需要較大的基*驅動電流，以滿足對運放有較高驅動能力的要（yào）求。再次，雙*型三*管的漏電（diàn）流和電流放大（dà）係數對溫度比較敏感，溫度穩定性較差。還有，電壓電流變換器使用的負反饋閉（bì）環控製，電流穩定度與放大（dà）器放大倍數有直接關係，在大功率（lǜ）電源裏基本上是倒數關係。運（yùn）放的溫度漂移和失調對電路（lù）的精度和溫度穩定性有很大的（de）影響。
為此，設計了一個新型的激磁電路，並將激勵電流反饋到A/D轉換器，以消除激勵電流不穩定對A/D轉換結果的影響，如圖2。
其中+24V是由220V的交流電通過變（biàn）壓、整流、濾波（bō）之後，輸入可調集成穩壓器LM317，通過高（gāo）精度的（de）滑（huá）動變阻器調節而得到的恒壓源。LM317保證1.5A輸出電流，典型線性調整率0.01%，典型負載調整（zhěng）率0.1%，80dB紋（wén）波抑製比，輸出短路保護，過流、過熱保護（hù），調整管安全（quán）工作區保護。係統（tǒng）的（de）微控製器采用ARM7芯片（piàn）STR710，通過它的I/O端口控製圖2中的P2.8和P2.9，ARM7芯片STR710進行控製，使端口P2輸出正負24V交變的矩形波，從而對傳感器激磁。另（lìng）外，Vref（+）接該係統A/D轉換器的參考輸入端VREF（+）。
整個電路的工作過程為：當P2.9為高電平（píng）時，Q1、Q2、Q3、Q4導通（tōng），此時（shí）Q5的基*電流為零，Q5截止，此時P2的端口2輸出+24V的電壓。此時P2.8為低電平，Q6、Q7、Q8、Q9，此時有電流流經（jīng）Q10基*，並（bìng）使其基*和發射級導通，Q10的功能相（xiàng）當（dāng）於一個二（èr）*管的作（zuò）用，此時P1端口沒（méi）有（yǒu）電壓輸出。那麽，A/D轉換器（qì）的（de）參考輸（shū）入端Vref（+）為：
其中，Vp2是P2端口輸（shū）出電壓幅值的絕對值（zhí），此處應該是+24V。整個（gè）電路是對稱（chēng）的，且R15=R20，當P2.9為低電平，P2.8為高電平時，P2的端口2無電（diàn）壓輸出，端口1輸出（chū）+24V的電壓，Vref（+）值不變，如此周而複始輸出頻率為6.25Hz的（de）的（de）雙*性（xìng）矩（jǔ）形波。用（yòng）Multisim仿真結（jié）果如圖3所示。
此外，把Vref（+）作為A/D轉（zhuǎn）換器的參考（kǎo）輸入（rù），可以大大提高係統的溫度穩定（dìng）性。A/D轉換的結果可表示為：
其（qí）中，Vin為經放大、濾波處理過的電壓信號（hào），也（yě）是A/D轉換器的輸入信號，Vout為傳感器（qì）輸出的原（yuán）始流量信號，K0為信號放大倍數。
由公式（1）可知：
通電螺線管（guǎn）線（xiàn）圈（quān）產生的磁場為：
其中，μ0為真空磁導率，N為傳感（gǎn）器線圈匝（zā）數，I為流過線圈的電流，l為線圈的長度。
由圖2可知：
把（bǎ）式（7）、（8）、（9）帶入式（6）可得：
由式（11）、（12）可知在保證R21精度的前提下，A/D轉換的結果隻與液體的流（liú）速有關，不受電磁流量傳感器線圈電阻變化的影響。該電路通過MCU控製三*管的通（tōng）斷得到激磁信號，三*管的為電流控製（zhì）元件，該電路實現了小（xiǎo）電流控製大電壓，三*管的功（gōng）耗低，電路的響應速度快（kuài），溫度穩定性好（hǎo），抗幹擾能力強（qiáng），對酒精流量計整體精度的提高起到了決定性（xìng）的作用。
3.2微分幹擾和工頻幹擾的消除
信號中往往同時存在微分幹擾和工頻幹擾信號，在信（xìn）號處理電路中（zhōng）的低通濾波往往很（hěn）難將工頻幹擾完全濾出。本係統采用（yòng）了同步（bù）采（cǎi）樣和工頻補償技術，以抑製流量信號電勢中混入工頻幹擾和工頻電（diàn）源頻率波動產生工頻幹擾，並有效去除微分幹擾。同步采樣技術，采樣開始時間滯（zhì）後激磁（cí）信號1/4個周期（qī），其采樣脈寬為工頻（pín）周期的偶（ǒu）數倍，消除微分幹擾的同時使流量（liàng）信（xìn）號電勢中工頻幹擾平均值等於零，以消除工頻幹擾的影響；工頻電源的頻率波動補償是保證頻率的動態波動中，激磁電源和采樣脈衝得（dé）以同步調整，真正實現同步采樣（yàng）技術和同步激磁技術，同步A/D轉換，降低了微分幹擾和工頻幹擾的影響。
3.3零點漂移消除
所謂零點漂移，就是當（dāng）傳感器的輸入信（xìn）號（hào）為零時，放大器的輸出並不是零。零點漂移的信號會在各級放大（dà）的電路間（jiān）傳遞，經過多級放大後，在輸出端成為較大的信（xìn）號（hào），由於傳感器輸出的有用（yòng）信號較弱（ruò），零點漂移就可能將有用信號淹沒，使電路無法正常工（gōng）作。零點漂移可分為基線零點漂移和斜率零點漂移。對（duì）於零點漂移的（de）抑製，該（gāi）係統采用軟硬件（jiàn）相結合的措施。硬件電路方麵，采（cǎi）用三（sān）運放的差動電（diàn）路輸入，實現對大內阻的（de）微弱信（xìn）號采集，並有效抑製了共模信（xìn）號的引（yǐn）入。一級放大電路之後采用隔直電容，濾除基線零點漂移，防止直流信號過大，超出A/D轉換（huàn）的輸入範圍。
有時（shí）硬件的方法是不可能完全滿足係統的要求的，必須（xū）結合軟件的方法才能更好地達到係統的要求，也就是現在所說的軟件即是虛擬（nǐ）硬件。結合硬件采用軟件的方法簡單易行（háng），可以很好消除（chú）采集（jí）數據中的（de）零點漂移，並且其成本（běn）比用硬件的方法低，改進軟（ruǎn）件的算法可以方便實現對係統的改進。對於該係統的零點漂移，采用“計算斜率法”和“正負差值（zhí）法（fǎ）”相結合的方法可以很有效地（dì）消除基線零點（diǎn）漂移（yí）和斜率零點漂移對酒精流量計精度的影響。
圖4為經過信號處理（lǐ）和同（tóng）步采樣（yàng）後的信號，同時存在基線零點漂移和斜率零點漂（piāo）移。斜率零點漂移則多（duō）見於積分係統，隨著時間的推移，積分器（qì）的零點可能會出現**間累加漂移（yí）。此外，外界的環境（jìng）溫度的變化也是斜率零點漂移產生的重要原因。
鑒於斜率零點漂移產生（shēng）的機理，可以在標定的時候確定零點漂移的斜率K。也就是在管道液體靜止不動（dòng）流量為（wéi）零的時候對輸出（chū）信號進（jìn）行（háng）采樣，設從時間t1進行采樣，采樣曆時Δt，經過一（yī）段時間（jiān）後又從t2開始采樣，曆時Δt後采樣結束。分別得到兩組離散的信號x1到xn和x1到（dào）xn，分別除去*大值、*小值後對剩下（n-2）個值進行平均，得：
那麽斜率零點漂移的斜（xié）率為（wéi）：
對於基線零點漂移，“正負差值法”是比較有效便捷的選擇，它（tā）不需要直接消除信號中的基線零點漂移，而（ér）是通過算法上去掉基線零點漂移對（duì）測量結果的影響。該係統中，激磁信號的頻率（lǜ）為6.25Hz，由於所測量的液體（tǐ）流速不會有明顯的突變，所以在信號的一個周期0.16s內，可以采用一個波峰減去波穀的（de）均值來表（biǎo）示此時的流量信號，也即如圖3中|y4-y1|其中y4是從nT+T/4到nT+T/2采樣結果的算術（shù）平（píng）均值，y1是從到（n+1）T進行（háng）采樣結果的算術平均值。但是（shì）由於斜率零（líng）點漂移（yí）的存在，會出（chū）現（xiàn）如圖3中|y3-y2|的誤差（chà），所以需要利用（yòng）式（15）的結果對（duì）該誤差進行修正，修正（zhèng）後的（de）結果也就是此時管道中液體感應出（chū）的電動勢為（wéi）：
對於式（shì）（16）結果，去除了工頻幹擾、微分幹擾、零點漂移的影響，大大提高了酒精流量計的測量精度。
3.4其他去（qù）除幹（gàn）擾的措施
對於（yú）由電（diàn）磁流量傳感器的“變壓器效應”所（suǒ）產生的正交（jiāo）幹擾（rǎo），采用（yòng）“變（biàn）送器調零法”來消除，這個方法既方（fāng）便又實用。
軟件設計方麵，采用了數字濾波技術，它能完成模擬濾波（bō）不（bú）能完成的功能，很容易剔出脈衝（chōng）幹擾，消除數字電路毛刺（cì），提高（gāo）A/D轉換的抗（kàng）工頻幹擾能（néng）力以及輸入微處理器數字的可靠性。此外，還采（cǎi）用了掉電保護技術，軟件（jiàn）指（zhǐ）令冗餘（yú）措（cuò）施（shī），軟件陷阱抗幹擾方法以及看門狗技術（shù），這些措施的采用有效地排除了智能酒精流量計微（wēi）處理器失控。
在PCB電路板製作上，采用數字地與模擬地（dì）分開（kāi）走線並加（jiā）粗（cū），*後用0歐電阻單點相連。數字（zì）電源與模擬電源也分開供電，合（hé）理加裝了去藕（ǒu）電容，並協調好不同類型IC的點評匹配。數字（zì）信（xìn）號和（hé）模擬信（xìn）號分開走線（xiàn），有效防止了（le）並行走線產生寄生電容和（hé）共生電（diàn）容。選擇高性能的抗幹擾芯片，這是抗幹擾技術重要環節。
在酒精流量計的安裝方麵，使傳感器的外殼應接地，並且將流量調節（jiē）閥門放在流（liú）量計的下遊（yóu），垂直安裝（若水平（píng）安裝的流量計應保證上遊10倍直（zhí）徑，下遊5倍直徑（jìng）的直管段），這樣達到整流的目的，從而減小（xiǎo）了（le）流速分布不均對測量精度的影響。減短信號傳送電纜，否則由電纜分布電容引起（qǐ）的負載效應就會增大測量誤差（chà），也增加了信號受到幹擾的可能。
4、結束語
智能酒精流量計多種抗幹擾技術的采用，大大抑製和消除了幹擾信號對有用信（xìn）號的影響（xiǎng），增強了酒精流量計的抗幹擾能力，經酒精流量計製作樣機反（fǎn）複實驗證明，測量精度可達（dá）到0.5%，提高了以往測（cè）量的精度和可靠性。
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