基於（yú）智能型汙水（shuǐ）流量計的電*幹擾信號仿真研究
點擊次（cì）數：2299 發布時間：2021-08-19 08:00:56
摘要：傳統智能型汙水流量計在消除微分幹擾時大多數采用在硬件（jiàn）電路（lù）上消除或（huò）者避開微分幹擾時段進行采樣，很少研究影響幹擾的原因（yīn）。基於真實電（diàn）*情況，建立電*回路測量模型並基於模型進行電*信號仿真，研究了傳感器參（cān）數和電*參數變化對微分幹擾（rǎo）的影響。 結果表明，當參數取值不同時尖峰（fēng）幹擾也不相同，從而為（wéi）研究和消除幹擾減小測量誤差提供理（lǐ）論依據。
智（zhì）能型（xíng）汙水流量計是基於法拉*電磁感應定（dìng）律的流量儀表， 主要由傳感器和變（biàn）送器組成，傳（chuán）感器將待（dài）測流體轉換成（chéng）電信號，變送器對電信號進行（háng）一係列的處理轉換成實際對應的流量。 理想情況下電*上感應出的電勢與流體流速成正比， 但（dàn）在實際中電*信號摻雜許多幹擾信號，主要（yào）的幹擾（rǎo）為微分（fèn）幹擾、同向幹擾、工頻幹擾（rǎo）、共模幹擾、串模幹擾、漿液幹擾和*化幹擾（rǎo）等。 為確保流量計測量準確性須對幹擾進行抑製， 如采用交流勵磁克服*化幹擾、高共模抑製比差分放大器克服共模幹擾、勵磁頻率為工頻整數倍克服工頻幹擾、良（liáng）好接地技術和（hé）靜電屏蔽克服串模幹擾（rǎo）、漿（jiāng）液噪聲符合 1 ／ f 特性可通過（guò）提高勵磁頻（pín）率加以克（kè）服。
經（jīng）上述（shù）信號處（chù）理方法之後電*上（shàng）主要的幹擾為微分（fèn）幹擾。 當（dāng）采用交流勵磁時（shí），由於存在勵磁線圈（quān）等效電感，勵磁切換過程中勵磁電（diàn）流存（cún）在漸變過程，在這一過程中磁感應強度處於非穩定狀態，變化的磁場穿過由被測流（liú）體、測量電*、電*引出線和變送器共同組成的閉合回路， 實際（jì）中該（gāi）回路不可能與磁力線保持平（píng）行，此時勵磁（cí）線圈相當於變壓器的初級線圈，閉（bì）合回路等價於（yú）隻有一匝（zā）的次級線圈且回路大小可等效為回路電感。 根據“變壓器效應”會產生一個尖峰即微分（fèn）幹（gàn）擾疊加在電*上，影（yǐng）響流量的測量。
1 微分（fèn）幹擾相關研究（jiū）
當前國內外許多專家學者對微分（fèn）噪聲消除做了大量研究，周真等（děng）提出建立電*間信號數學（xué）模型的方法（fǎ），成功分（fèn）離（lí）交流微分幹擾信號和直流流量信號，分離後的幹擾信號經過濾波器濾除；何小克提出數模混合*優相關濾波法，方波勵磁（cí）時微分信號和參考信號相（xiàng）乘後通過低（dī）通濾波（bō）器，其值為零消除幹擾（rǎo），正弦波勵磁時幹擾信號與流量信號相位相差 90°互相關函數為零（líng）特性消除幹（gàn）擾，但文中（zhōng）並未考慮參考信號帶來的（de）誤差影響，需要額外引入補償裝置修（xiū）正誤差；付（fù）振江利用相敏解調技術，施加與流量信號基波同頻的解調（diào）方波控製信號使解調後的幹擾波形麵（miàn）積大（dà）小相（xiàng）等方向（xiàng）相反平均（jun1）值為（wéi）零（líng）；李飛采用變送器調零法，調整電位器的中心觸點找到（dào）一個平衡（héng）點（diǎn）使兩個回（huí）路電流抵消（xiāo）消除幹擾；周美蘭等
提出在硬件電路上加（jiā）入模擬開關， 幹擾尖（jiān）峰到來時斷開模擬（nǐ）開關避（bì）免幹擾進（jìn）入後級（jí）電路，尖峰過去重新打開模擬開關；K．Saito 等提（tí）出漂移校正（zhèng）法，先以（yǐ）高勵磁頻率（lǜ）進行勵磁，在勵磁過程中插入低勵磁（cí）頻率（lǜ）提取用於漂移校正的（de）非固定微分（fèn）噪聲分量，但在插入的低勵磁頻率段漿液噪聲較（jiào）大（dà）且很難將漿液噪（zào）聲與（yǔ）流量信號分離，此時的校正因子非單純的非固定噪聲分量，改進措施是長時間取平均值得到穩定因（yīn）子。 傳統方法是同步采樣保（bǎo）持法，即在磁場穩定階段采樣。 其他消除幹擾的方（fāng）法有設置幹擾補償（cháng）機（jī）構、控製勵磁電流變化率減小幹擾幅值、矩形波（bō）代替梯（tī）形波、希爾伯特黃變換結合傅裏葉變換和程控增益技（jì）術等。經上述對現有的文（wén）獻分析與總結可知， 當前消除微分噪聲主（zhǔ）要從信號處理方（fāng）麵入手，並未對影響噪聲的因素加以（yǐ）研究（jiū）。 本文建立電（diàn）*測量回路等效模型（xíng），給出仿真模型搭建、參數取值（zhí）和仿真結（jié）果分析。
2 電*測量回路模（mó）型建立
2．1 測量回路等效模型
測量（liàng）電*與流體（tǐ）介質接觸時會發生電化學反應在電*－溶液界（jiè）麵形成阻抗，通常由（yóu）法拉*阻抗與雙電（diàn）層電容並聯組（zǔ）成。 法拉*過程分為電荷傳遞過程和擴散過程，相應的法拉*阻（zǔ）抗由電荷傳遞電阻與擴散阻抗（kàng）串聯組成。一般智能型汙水流量計的勵磁頻（pín）率大於1Hz，而擴散阻抗（kàng）發生在更低頻率內，不考慮擴散過程，電*等效阻抗為電荷傳遞（dì）電阻與雙電層電（diàn）容並聯後再與電*接觸（chù）電阻串聯。 基（jī）於電*阻抗建立的電*等效測（cè）量回路如圖 1 所示。圖中：Rs1 和 Rs2 為電荷傳遞（dì）電阻；C1 和 C2 為雙電層電容；Rt為兩（liǎng）個測量（liàng）電*間的接觸電阻滿（mǎn）足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵磁線圈（quān）等效電感；L1 為閉合回路等效（xiào）電（diàn）感；R1 和 R2 為（wéi）放大器輸入電阻；P1和 P2 為由（yóu）“變壓器效應”疊加在測量電*上的微分（fèn）幹擾；U1 為流體切割磁力線產生的感應（yīng）電勢；Ue 為勵磁電（diàn）壓。 假設磁感應（yīng）強度由勵磁電流決定且成正（zhèng）比關係（xì）即 B＝aI，忽略串模等幹擾則電*間電壓為感應電勢與微分幹擾的疊加（jiā），基本方程如下：
2．2 參數取值
電*上的感應電動勢在沒有經過放大之前一般很小， 取值在幾毫（háo）伏到（dào）幾百毫伏之內，本次仿真中流速感應電勢取 10mV。放大器的輸入電阻遠遠大於內阻，文獻中給出（chū）電荷傳遞電阻為 Rs＝50Ω。 電*接觸電阻與溶液電導率有關一般取 Rt＝15kΩ。雙電 層 電 容 C1＝20μF。 將各（gè）參數值代入到式（7）中，可得 k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情況兩個（gè）電*參數取值相等， 實際中兩者會存在差異對於電* B 可 取 K1＝0．997，T1＝9．75×10－4，T2＝9．74×10－4。
3 基於 MATLAB 的電*信號仿（fǎng）真
3．1 仿（fǎng）真模型
本文基於 Matlab 中 Siumlink 對電*信號進行仿真，勵磁方式為三值（zhí）波勵（lì）磁，勵磁頻率 f＝25Hz，傳感器（qì）參（cān）數 D＝40mm、Rx＝88．8Ω、Lx＝162mH，勵（lì）磁（cí）係統參（cān）數（shù） Ue＝100V、穩（wěn）態電（diàn）流（liú） I0＝200mA。基於電*測量回路搭（dā）建的仿真模型如圖 2 所示，圖中（zhōng）信號模塊 pulsGenerator 通過加法器、乘法器得到勵磁電流。由（yóu）公式（1），在（zài）固定流速下感（gǎn）應電勢與（yǔ）勵（lì）磁電流成正比，通過增加 Gain1 模塊得到感應電勢信號（hào）。 對勵磁電流進行求導即（jí）經（jīng）模塊 Derivative 得到微分噪聲， 其中（zhōng） Gain 值與 Lx 和 L1 相關。 感應電勢與噪聲經Add1 疊加之後得（dé）到電*信號 E1（t）。 scope 觀察輸出信號（hào）波形。仿真波形（xíng）和真實波形如圖 3 所示。 將傳感器（qì）參數代入到勵磁電流穩態調節時間公式中，得電流上升時間為 360μs，測得實際上升時間為 390μs，兩者（zhě）相差（chà）不大，驗證了仿真模型的正確性。
3．2 仿真實驗
仿真試（shì）驗中，設（shè）定線圈（quān）等效電感取值範圍為 162～212mH，間隔 10mH；閉合回路等效電感範圍 0．2～1mH，間隔為 0．2mH；雙電層電容、接觸電阻隨流體電導率變化而變化，電導率（lǜ）增大接觸電阻和雙電層電容減小而電荷傳遞（dì）電阻增大。可設定電（diàn）*接觸電阻、雙電層電容和電荷傳遞電（diàn）阻範圍分別為 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由公式（7）知（zhī），可用 T2 表（biǎo）示上述三者關係。 仿真參（cān）數取值不同情（qíng）況下，通過 MATLAB 工（gōng）具（jù）箱（xiāng）對（duì）仿真測量得到的幹擾峰值進行曲線擬合畫出相應的曲線圖。 其中仿真數據和相對應的（de）曲線方（fāng）程如表 1～表 4 所示，曲線圖如圖 4～圖 6。
3．3 仿真結果（guǒ）分析
圖 4 為改變勵磁線圈等效電感其它值保持不變時測（cè）得的幹擾結果，可以看出，當線圈等效電感取值不同時，幹擾峰值存在（zài）變化，電感（gǎn）越大線圈中電流上升（下降）時間越長，微（wēi）分幹擾越大。圖 5 為改變測量回路等效電感即等價於（yú）改變（biàn）交變磁力線穿過測量回路等效麵積時測得的幹擾結果， 隨著值增大幹擾呈逐漸（jiàn）增大（dà）的（de）趨勢。 因此要避免電*走線偏離，盡量保持回路與磁力線平行以減小幹擾。
圖 6 為電*等效阻抗值變化時測得的幹擾結果， 當溶液電導率改變時（shí）電*等效阻（zǔ）抗值變化， 同樣會對微分噪聲產生（shēng）較大影響。 電導（dǎo）率越大幹（gàn）擾峰值越小。
4 結束語（yǔ）
本文運用 MATLAB 仿真軟件對智能型汙水流量計電*信號進行建模仿真，通過該模型分析勵磁線圈（quān）等效（xiào）電感、閉合回路和電*等效阻（zǔ）抗（kàng）取值（zhí）變化情況下（xià）微分幹擾變化， 得到影響微分幹擾原因， 從而為後續研究及消除幹擾（rǎo）得到（dào）真實流量信號減小（xiǎo）測量誤（wù）差提供理論依據。
智能型電磁汙水流量計和（hé）超聲流量計在（zài）汙水處理廠的應用 智能型汙水流量計勵（lì）磁控製方案設計 基於智能型汙水流量計的電*幹擾信號仿（fǎng）真研究 詳談智能型汙（wū）水流量計*次運（yùn）用在尿素水解（jiě）係（xì）統中的應用 智能汙水處理流量計輸出信號出現波動的三個*常見原因 **需求對智能（néng）汙水流量計流量設備的影響（xiǎng）力很強 智能型汙水流（liú）量計,汙水流量（liàng）計量表（biǎo） 關（guān）於智能汙水流量計的運行原理及應用領域解析 智能型汙水流量計,耐腐蝕汙水流量計 智能（néng）型汙水流量計,電鍍汙水流（liú）量計（jì） 智能型電磁汙水處（chù）理流量計運行中存在（zài）的主要問題及處理方法 智能型汙水流量計（jì）,汙水（shuǐ）管道流（liú）量測量儀器 智（zhì）能（néng）型汙水流量（liàng）計價格 智能型汙水流量計 智（zhì）能型汙水流量（liàng）計,電廠汙水流（liú）量計 智能型汙（wū）水流量計,汙水流量（liàng）計生產廠家 智能型（xíng）汙水流量計,市政汙水流量計
智（zhì）能型（xíng）汙水流量計是基於法拉*電磁感應定（dìng）律的流量儀表， 主要由傳感器和變（biàn）送器組成，傳（chuán）感器將待（dài）測流體轉換成（chéng）電信號，變送器對電信號進行（háng）一係列的處理轉換成實際對應的流量。 理想情況下電*上感應出的電勢與流體流速成正比， 但（dàn）在實際中電*信號摻雜許多幹擾信號，主要（yào）的幹擾（rǎo）為微分（fèn）幹擾、同向幹擾、工頻幹擾（rǎo）、共模幹擾、串模幹擾、漿液幹擾和*化幹擾（rǎo）等。 為確保流量計測量準確性須對幹擾進行抑製， 如采用交流勵磁克服*化幹擾、高共模抑製比差分放大器克服共模幹擾、勵磁頻率為工頻整數倍克服工頻幹擾、良（liáng）好接地技術和（hé）靜電屏蔽克服串模幹擾（rǎo）、漿（jiāng）液噪聲符合 1 ／ f 特性可通過（guò）提高勵磁頻（pín）率加以克（kè）服。
經（jīng）上述（shù）信號處（chù）理方法之後電*上（shàng）主要的幹擾為微分（fèn）幹擾。 當（dāng）采用交流勵磁時（shí），由於存在勵磁線圈（quān）等效電感，勵磁切換過程中勵磁電（diàn）流存（cún）在漸變過程，在這一過程中磁感應強度處於非穩定狀態，變化的磁場穿過由被測流（liú）體、測量電*、電*引出線和變送器共同組成的閉合回路， 實際（jì）中該（gāi）回路不可能與磁力線保持平（píng）行，此時勵磁（cí）線圈相當於變壓器的初級線圈，閉（bì）合回路等價於（yú）隻有一匝（zā）的次級線圈且回路大小可等效為回路電感。 根據“變壓器效應”會產生一個尖峰即微分（fèn）幹（gàn）擾疊加在電*上，影（yǐng）響流量的測量。
1 微分（fèn）幹擾相關研究（jiū）
當前國內外許多專家學者對微分（fèn）噪聲消除做了大量研究，周真等（děng）提出建立電*間信號數學（xué）模型的方法（fǎ），成功分（fèn）離（lí）交流微分幹擾信號和直流流量信號，分離後的幹擾信號經過濾波器濾除；何小克提出數模混合*優相關濾波法，方波勵磁（cí）時微分信號和參考信號相（xiàng）乘後通過低（dī）通濾波（bō）器，其值為零消除幹擾（rǎo），正弦波勵磁時幹擾信號與流量信號相位相差 90°互相關函數為零（líng）特性消除幹（gàn）擾，但文中（zhōng）並未考慮參考信號帶來的（de）誤差影響，需要額外引入補償裝置修（xiū）正誤差；付（fù）振江利用相敏解調技術，施加與流量信號基波同頻的解調（diào）方波控製信號使解調後的幹擾波形麵（miàn）積大（dà）小相（xiàng）等方向（xiàng）相反平均（jun1）值為（wéi）零（líng）；李飛采用變送器調零法，調整電位器的中心觸點找到（dào）一個平衡（héng）點（diǎn）使兩個回（huí）路電流抵消（xiāo）消除幹擾；周美蘭等
提出在硬件電路上加（jiā）入模擬開關， 幹擾尖（jiān）峰到來時斷開模擬（nǐ）開關避（bì）免幹擾進（jìn）入後級（jí）電路，尖峰過去重新打開模擬開關；K．Saito 等提（tí）出漂移校正（zhèng）法，先以（yǐ）高勵磁頻率（lǜ）進行勵磁，在勵磁過程中插入低勵磁（cí）頻率（lǜ）提取用於漂移校正的（de）非固定微分（fèn）噪聲分量，但在插入的低勵磁頻率段漿液噪聲較（jiào）大（dà）且很難將漿液噪（zào）聲與（yǔ）流量信號分離，此時的校正因子非單純的非固定噪聲分量，改進措施是長時間取平均值得到穩定因（yīn）子。 傳統方法是同步采樣保（bǎo）持法，即在磁場穩定階段采樣。 其他消除幹擾的方（fāng）法有設置幹擾補償（cháng）機（jī）構、控製勵磁電流變化率減小幹擾幅值、矩形波（bō）代替梯（tī）形波、希爾伯特黃變換結合傅裏葉變換和程控增益技（jì）術等。經上述對現有的文（wén）獻分析與總結可知， 當前消除微分噪聲主（zhǔ）要從信號處理方（fāng）麵入手，並未對影響噪聲的因素加以（yǐ）研究（jiū）。 本文建立電（diàn）*測量回路等效模型（xíng），給出仿真模型搭建、參數取值（zhí）和仿真結（jié）果分析。
2 電*測量回路模（mó）型建立
2．1 測量回路等效模型
測量（liàng）電*與流體（tǐ）介質接觸時會發生電化學反應在電*－溶液界（jiè）麵形成阻抗，通常由（yóu）法拉*阻抗與雙電（diàn）層電容並聯組（zǔ）成。 法拉*過程分為電荷傳遞過程和擴散過程，相應的法拉*阻（zǔ）抗由電荷傳遞電阻與擴散阻抗（kàng）串聯組成。一般智能型汙水流量計的勵磁頻（pín）率大於1Hz，而擴散阻抗（kàng）發生在更低頻率內，不考慮擴散過程，電*等效阻抗為電荷傳遞（dì）電阻與雙電層電（diàn）容並聯後再與電*接觸（chù）電阻串聯。 基（jī）於電*阻抗建立的電*等效測（cè）量回路如圖 1 所示。圖中：Rs1 和 Rs2 為電荷傳遞（dì）電阻；C1 和 C2 為雙電層電容；Rt為兩（liǎng）個測量（liàng）電*間的接觸電阻滿（mǎn）足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵磁線圈（quān）等效電感；L1 為閉合回路等效（xiào）電（diàn）感；R1 和 R2 為（wéi）放大器輸入電阻；P1和 P2 為由（yóu）“變壓器效應”疊加在測量電*上的微分（fèn）幹擾；U1 為流體切割磁力線產生的感應（yīng）電勢；Ue 為勵磁電（diàn）壓。 假設磁感應（yīng）強度由勵磁電流決定且成正（zhèng）比關係（xì）即 B＝aI，忽略串模等幹擾則電*間電壓為感應電勢與微分幹擾的疊加（jiā），基本方程如下：
2．2 參數取值
電*上的感應電動勢在沒有經過放大之前一般很小， 取值在幾毫（háo）伏到（dào）幾百毫伏之內，本次仿真中流速感應電勢取 10mV。放大器的輸入電阻遠遠大於內阻，文獻中給出（chū）電荷傳遞電阻為 Rs＝50Ω。 電*接觸電阻與溶液電導率有關一般取 Rt＝15kΩ。雙電 層 電 容 C1＝20μF。 將各（gè）參數值代入到式（7）中，可得 k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情況兩個（gè）電*參數取值相等， 實際中兩者會存在差異對於電* B 可 取 K1＝0．997，T1＝9．75×10－4，T2＝9．74×10－4。
3 基於 MATLAB 的電*信號仿（fǎng）真
3．1 仿（fǎng）真模型
本文基於 Matlab 中 Siumlink 對電*信號進行仿真，勵磁方式為三值（zhí）波勵（lì）磁，勵磁頻率 f＝25Hz，傳感器（qì）參（cān）數 D＝40mm、Rx＝88．8Ω、Lx＝162mH，勵（lì）磁（cí）係統參（cān）數（shù） Ue＝100V、穩（wěn）態電（diàn）流（liú） I0＝200mA。基於電*測量回路搭（dā）建的仿真模型如圖 2 所示，圖中（zhōng）信號模塊 pulsGenerator 通過加法器、乘法器得到勵磁電流。由（yóu）公式（1），在（zài）固定流速下感（gǎn）應電勢與（yǔ）勵（lì）磁電流成正比，通過增加 Gain1 模塊得到感應電勢信號（hào）。 對勵磁電流進行求導即（jí）經（jīng）模塊 Derivative 得到微分噪聲， 其中（zhōng） Gain 值與 Lx 和 L1 相關。 感應電勢與噪聲經Add1 疊加之後得（dé）到電*信號 E1（t）。 scope 觀察輸出信號（hào）波形。仿真波形（xíng）和真實波形如圖 3 所示。 將傳感器（qì）參數代入到勵磁電流穩態調節時間公式中，得電流上升時間為 360μs，測得實際上升時間為 390μs，兩者（zhě）相差（chà）不大，驗證了仿真模型的正確性。
3．2 仿真實驗
仿真試（shì）驗中，設（shè）定線圈（quān）等效電感取值範圍為 162～212mH，間隔 10mH；閉合回路等效電感範圍 0．2～1mH，間隔為 0．2mH；雙電層電容、接觸電阻隨流體電導率變化而變化，電導率（lǜ）增大接觸電阻和雙電層電容減小而電荷傳遞（dì）電阻增大。可設定電（diàn）*接觸電阻、雙電層電容和電荷傳遞電（diàn）阻範圍分別為 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由公式（7）知（zhī），可用 T2 表（biǎo）示上述三者關係。 仿真參（cān）數取值不同情（qíng）況下，通過 MATLAB 工（gōng）具（jù）箱（xiāng）對（duì）仿真測量得到的幹擾峰值進行曲線擬合畫出相應的曲線圖。 其中仿真數據和相對應的（de）曲線方（fāng）程如表 1～表 4 所示，曲線圖如圖 4～圖 6。
3．3 仿真結果（guǒ）分析
圖 4 為改變勵磁線圈等效電感其它值保持不變時測（cè）得的幹擾結果，可以看出，當線圈等效電感取值不同時，幹擾峰值存在（zài）變化，電感（gǎn）越大線圈中電流上升（下降）時間越長，微（wēi）分幹擾越大。圖 5 為改變測量回路等效電感即等價於（yú）改變（biàn）交變磁力線穿過測量回路等效麵積時測得的幹擾結果， 隨著值增大幹擾呈逐漸（jiàn）增大（dà）的（de）趨勢。 因此要避免電*走線偏離，盡量保持回路與磁力線平行以減小幹擾。
圖 6 為電*等效阻抗值變化時測得的幹擾結果， 當溶液電導率改變時（shí）電*等效阻（zǔ）抗值變化， 同樣會對微分噪聲產生（shēng）較大影響。 電導（dǎo）率越大幹（gàn）擾峰值越小。
4 結束語（yǔ）
本文運用 MATLAB 仿真軟件對智能型汙水流量計電*信號進行建模仿真，通過該模型分析勵磁線圈（quān）等效（xiào）電感、閉合回路和電*等效阻（zǔ）抗（kàng）取值（zhí）變化情況下（xià）微分幹擾變化， 得到影響微分幹擾原因， 從而為後續研究及消除幹擾（rǎo）得到（dào）真實流量信號減小（xiǎo）測量誤（wù）差提供理論依據。
下（xià）一篇：智能型（xíng）汙水流量計價格