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基於汙水處理進出（chū）水口流（liú）量計的（de）電*幹擾信號仿真研究
點擊次數：2294 發布時間：2021-09-06 08:13:24
摘要（yào）：傳統（tǒng）汙水處理進出水口流量計在消除微分幹擾時大（dà）多數采用在硬件電路上消除或者避開微（wēi）分（fèn）幹擾時段進行（háng）采樣，很少研究影響幹擾的原（yuán）因。基於真實電*情況，建立電*回路測量模型並基於模型進行電*信號（hào）仿真，研究（jiū）了傳感（gǎn）器（qì）參數（shù）和（hé）電*參（cān）數變化對微分幹擾的（de）影響。 結果表明，當參數取值不同時尖峰幹擾也不相同，從而為研究和（hé）消除幹擾減小測量誤差提供理論依據。
汙（wū）水處理流量計是基於法拉*電（diàn）磁感應定律的流量儀表， 主要由傳感器和變送器組成，傳感器將（jiāng）待測流體轉換成電信號，變送器對電信號進行（háng）一（yī）係列的處理轉換成實際對應（yīng）的（de）流量。 理想情況下電*上感應出的電勢（shì）與流體流速成正比， 但在實際中電（diàn）*信號（hào）摻雜許多幹擾信號（hào），主要的幹擾為微分幹擾、同（tóng）向幹擾、工頻幹擾、共模幹擾、串模幹擾、漿液幹擾和*化（huà）幹擾等。 為確保流量計（jì）測量（liàng）準確性須對幹擾進行抑製， 如采用交（jiāo）流勵磁克服*化（huà）幹擾、高共模（mó）抑製（zhì）比差分放大器克服共模幹擾（rǎo）、勵磁（cí）頻率為工頻整數倍（bèi）克服工頻幹擾、良好接地技術和靜（jìng）電屏蔽克服串模幹擾、漿液噪（zào）聲符合 1 ／ f 特性可通過提高勵（lì）磁頻率加以克服。
經上述信號處理方法之後（hòu）電*上主要的幹擾為（wéi）微分幹（gàn）擾。 當采用（yòng）交流勵磁時，由於存在勵磁線圈等效電感，勵（lì）磁切（qiē）換過程（chéng）中勵磁電流存在漸變（biàn）過程，在這一過程中磁感應強度處於非穩定狀態（tài），變化的磁場穿過由被（bèi）測流體、測量電*、電*引出（chū）線（xiàn）和（hé）變送器共同組（zǔ）成（chéng）的閉合回路， 實際中該回路不可能與磁力線保持（chí）平行（háng），此時勵磁線圈相當於變壓器的初級線圈，閉合回（huí）路等價於隻有一匝的次級線圈且回路（lù）大小可等效為（wéi）回路（lù）電感。 根（gēn）據“變壓器效應”會產生（shēng）一個尖峰即微分幹擾疊加在（zài）電*上，影響流（liú）量的測量。
1 微分幹擾相關研究
當前國內外許多專家學者（zhě）對（duì）微（wēi）分噪聲消除做了（le）大量研究，周真等提出建立（lì）電*間信號數學模型的方法，成功分離交流微分幹擾（rǎo）信（xìn）號和直流流（liú）量信號（hào），分離後的（de）幹擾信號經過（guò）濾波器濾除；何小克提出數模混合*優相關濾波法，方（fāng）波勵磁時微分信號和參考信號相乘後通過低通濾波器，其（qí）值為零消除幹擾（rǎo），正弦波勵磁時幹擾信號與流量信號相（xiàng）位相差 90°互相關函數為（wéi）零特性消除幹擾，但文中並未考（kǎo）慮參考信號帶來的誤差影響，需要額外引入補償裝置修（xiū）正（zhèng）誤差；付振江利（lì）用相敏解調技術（shù），施加與流量信號基波同頻的解調方波控製信號（hào）使解調（diào）後的（de）幹擾波（bō）形麵積大小相等方向相反平均值為零；李飛（fēi）采用變（biàn）送器調（diào）零法，調整電位器的（de）中心觸點找到一個平衡點使兩個回路電流抵消消除幹擾；周美蘭（lán）等
提出在硬件電路上（shàng）加入模擬開關， 幹擾尖峰到來時斷開模擬開關避免幹擾進入後級電路，尖峰過去重新打開模擬（nǐ）開關；K．Saito 等提出漂（piāo）移校正法，先以高勵磁頻率進行（háng）勵磁，在（zài）勵磁過程中插入低勵磁頻率提（tí）取用於（yú）漂移校正的非固定微分噪聲分量，但在插入的低勵磁頻率段漿液噪聲較大且很難將漿液噪聲與流量信號分離，此時的校正因子非單純的非（fēi）固定噪聲分量，改進措施是長時間取平（píng）均值得到穩定因子。 傳統方法是同步采（cǎi）樣保持法，即在（zài）磁場穩定階（jiē）段采樣。 其他消（xiāo）除幹擾的方法有設置幹（gàn）擾補償機構、控（kòng）製勵磁電（diàn）流變化（huà）率減小幹擾幅值、矩形波代替梯形波、希（xī）爾伯特黃變換結合傅裏葉變換和程控（kòng）增益技術等。經上述對現（xiàn）有的文獻分析與總（zǒng）結可（kě）知， 當前消除微分噪聲主（zhǔ）要從信號處理方麵入手，並未（wèi）對影響噪（zào）聲的因素加以（yǐ）研究。 本文建立電*測量回（huí）路（lù）等效模型，給出仿真模型搭（dā）建（jiàn）、參數取值（zhí）和仿真結果分（fèn）析。
2 電*測量回路模型（xíng）建立
2．1 測量（liàng）回路等效模型（xíng）
測量電（diàn）*與流體（tǐ）介質接觸（chù）時會發生電化學反應在電（diàn）*－溶液界（jiè）麵形（xíng）成阻抗（kàng），通常由法拉*阻抗與雙電（diàn）層電容並聯（lián）組成。 法拉*過程分為電荷傳（chuán）遞過程和擴散過程，相應的法拉*阻（zǔ）抗由電荷傳遞電阻與（yǔ）擴散阻抗（kàng）串聯組成。一般汙水（shuǐ）處（chù）理進出水（shuǐ）口（kǒu）流量計的勵磁（cí）頻率大於1Hz，而擴散阻抗發生（shēng）在更低頻率內，不考慮擴散過程，電*等效阻抗為電荷傳遞（dì）電阻與雙電層電容（róng）並聯後再與電*接（jiē）觸電阻串聯（lián）。 基於（yú）電*阻抗建立的電*等效測量回路如（rú）圖 1 所示。圖（tú）中：Rs1 和 Rs2 為電荷傳遞（dì）電阻；C1 和 C2 為雙電層電容（róng）；Rt為兩個測量電*間的接觸電阻滿足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為（wéi）勵磁線圈等效電感（gǎn）；L1 為閉合回路等效電感；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（zài）測量電*上的微分幹擾；U1 為流體切割磁力線產生的感應電勢；Ue 為勵磁電壓。 假設磁感應強度由勵磁電流（liú）決定且成正比關係（xì）即 B＝aI，忽略（luè）串模等幹擾則電（diàn）*間電壓（yā）為感應電勢與微分幹擾的疊加，基（jī）本方程如（rú）下（xià）：
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（zhí）在幾毫伏（fú）到幾百毫伏之（zhī）內，本（běn）次仿真中（zhōng）流速感應電勢取 10mV。放大器的輸入電（diàn）阻遠遠大於內阻，文獻中給（gěi）出電荷傳遞電（diàn）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。 將各參數值代入到式（7）中，可得（dé） k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情況兩個電*參數取值（zhí）相等， 實際中兩者會存在差異（yì）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*信號仿真（zhēn）
3．1 仿真模型
本文基於 Matlab 中 Siumlink 對電*信號進行仿真，勵磁方式為三值波勵磁，勵磁頻率 f＝25Hz，傳（chuán）感器參數 D＝40mm、Rx＝88．8Ω、Lx＝162mH，勵（lì）磁係統參數 Ue＝100V、穩態電流（liú） I0＝200mA。基（jī）於電*測量回路搭建的仿（fǎng）真模型如圖 2 所（suǒ）示，圖中信號模（mó）塊 pulsGenerator 通過加法器、乘法器得到勵磁電（diàn）流。由公式（shì）（1），在固（gù）定流速下感應電勢與勵磁電流成正比，通過增加 Gain1 模塊得到感應電勢信號。 對勵磁電流進行求導即（jí）經模塊 Derivative 得到微分（fèn）噪聲， 其（qí）中 Gain 值與 Lx 和 L1 相關。 感應電勢與噪聲（shēng）經Add1 疊加之後（hòu）得（dé）到電*信號 E1（t）。 scope 觀察輸出信號波形。仿真波形和（hé）真實波形如圖 3 所示。 將傳感（gǎn）器參數代入到勵（lì）磁電（diàn）流穩態調節（jiē）時間公式中，得電流上升時間為 360μs，測得實際上升時間為 390μs，兩者相差不大（dà），驗（yàn）證了仿真模（mó）型的正確性。
3．2 仿真實驗
仿真試驗中，設定線圈等效電感（gǎn）取值範圍為（wéi） 162～212mH，間隔 10mH；閉合回路（lù）等效電（diàn）感範圍 0．2～1mH，間隔為 0．2mH；雙電層電容、接觸電阻隨流體（tǐ）電導率變化而變化，電導率增大接觸電阻和雙電層電容減小而電荷傳遞電阻增大（dà）。可（kě）設定電*接（jiē）觸電阻、雙電層電（diàn）容和電荷傳遞電阻範圍分別為 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由（yóu）公式（7）知，可用 T2 表示上述三者關係。 仿真參數取值不同情況（kuàng）下，通過 MATLAB 工具（jù）箱對仿（fǎng）真測量得到的幹擾峰值進行曲線擬合畫出（chū）相應的曲線圖。 其中仿真數據（jù）和相對應（yīng）的曲線（xiàn）方程如表 1～表 4 所示，曲線圖如圖 4～圖 6。
3．3 仿真結（jié）果分析
圖 4 為改變勵磁（cí）線圈等效電感（gǎn）其它值保持不變時測得的幹擾結果，可以看出，當線圈（quān）等效電（diàn）感取值（zhí）不同時，幹擾（rǎo）峰值存（cún）在變化，電感越大線圈中電流上升（下降）時間越長，微分幹擾（rǎo）越大。圖 5 為改變（biàn）測量回路等效電（diàn）感即等價於改變交變磁力線穿過測量回路等效麵積時測得的幹（gàn）擾結果， 隨著值增大幹擾呈逐漸增大的趨勢。 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（rǎo）結果， 當溶液電導率改變時電*等效阻抗值變化， 同樣會對微分噪聲產生較大影響。 電導率越大幹（gàn）擾峰值越小（xiǎo）。
4 結束語
本文運用 MATLAB 仿真軟件對汙水處理進出水口流量計電*信號進行建模仿真，通過該模型分析勵磁線（xiàn）圈等效電感、閉合回（huí）路和電*等效阻抗取值變（biàn）化情況下微分幹擾變化， 得到影響微分幹擾原因， 從而為（wéi）後續研究及消除幹（gàn）擾得到真實流（liú）量信號減小測量誤差提供理論依據。
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經上述信號處理方法之後（hòu）電*上主要的幹擾為（wéi）微分幹（gàn）擾。 當采用（yòng）交流勵磁時，由於存在勵磁線圈等效電感，勵（lì）磁切（qiē）換過程（chéng）中勵磁電流存在漸變（biàn）過程，在這一過程中磁感應強度處於非穩定狀態（tài），變化的磁場穿過由被（bèi）測流體、測量電*、電*引出（chū）線（xiàn）和（hé）變送器共同組（zǔ）成（chéng）的閉合回路， 實際中該回路不可能與磁力線保持（chí）平行（háng），此時勵磁線圈相當於變壓器的初級線圈，閉合回（huí）路等價於隻有一匝的次級線圈且回路（lù）大小可等效為（wéi）回路（lù）電感。 根（gēn）據“變壓器效應”會產生（shēng）一個尖峰即微分幹擾疊加在（zài）電*上，影響流（liú）量的測量。
1 微分幹擾相關研究
當前國內外許多專家學者（zhě）對（duì）微（wēi）分噪聲消除做了（le）大量研究，周真等提出建立（lì）電*間信號數學模型的方法，成功分離交流微分幹擾（rǎo）信（xìn）號和直流流（liú）量信號（hào），分離後的（de）幹擾信號經過（guò）濾波器濾除；何小克提出數模混合*優相關濾波法，方（fāng）波勵磁時微分信號和參考信號相乘後通過低通濾波器，其（qí）值為零消除幹擾（rǎo），正弦波勵磁時幹擾信號與流量信號相（xiàng）位相差 90°互相關函數為（wéi）零特性消除幹擾，但文中並未考（kǎo）慮參考信號帶來的誤差影響，需要額外引入補償裝置修（xiū）正（zhèng）誤差；付振江利（lì）用相敏解調技術（shù），施加與流量信號基波同頻的解調方波控製信號（hào）使解調（diào）後的（de）幹擾波（bō）形麵積大小相等方向相反平均值為零；李飛（fēi）采用變（biàn）送器調（diào）零法，調整電位器的（de）中心觸點找到一個平衡點使兩個回路電流抵消消除幹擾；周美蘭（lán）等
提出在硬件電路上（shàng）加入模擬開關， 幹擾尖峰到來時斷開模擬開關避免幹擾進入後級電路，尖峰過去重新打開模擬（nǐ）開關；K．Saito 等提出漂（piāo）移校正法，先以高勵磁頻率進行（háng）勵磁，在（zài）勵磁過程中插入低勵磁頻率提（tí）取用於（yú）漂移校正的非固定微分噪聲分量，但在插入的低勵磁頻率段漿液噪聲較大且很難將漿液噪聲與流量信號分離，此時的校正因子非單純的非（fēi）固定噪聲分量，改進措施是長時間取平（píng）均值得到穩定因子。 傳統方法是同步采（cǎi）樣保持法，即在（zài）磁場穩定階（jiē）段采樣。 其他消（xiāo）除幹擾的方法有設置幹（gàn）擾補償機構、控（kòng）製勵磁電（diàn）流變化（huà）率減小幹擾幅值、矩形波代替梯形波、希（xī）爾伯特黃變換結合傅裏葉變換和程控（kòng）增益技術等。經上述對現（xiàn）有的文獻分析與總（zǒng）結可（kě）知， 當前消除微分噪聲主（zhǔ）要從信號處理方麵入手，並未（wèi）對影響噪（zào）聲的因素加以（yǐ）研究。 本文建立電*測量回（huí）路（lù）等效模型，給出仿真模型搭（dā）建（jiàn）、參數取值（zhí）和仿真結果分（fèn）析。
2 電*測量回路模型（xíng）建立
2．1 測量（liàng）回路等效模型（xíng）
測量電（diàn）*與流體（tǐ）介質接觸（chù）時會發生電化學反應在電（diàn）*－溶液界（jiè）麵形（xíng）成阻抗（kàng），通常由法拉*阻抗與雙電（diàn）層電容並聯（lián）組成。 法拉*過程分為電荷傳（chuán）遞過程和擴散過程，相應的法拉*阻（zǔ）抗由電荷傳遞電阻與（yǔ）擴散阻抗（kàng）串聯組成。一般汙水（shuǐ）處（chù）理進出水（shuǐ）口（kǒu）流量計的勵磁（cí）頻率大於1Hz，而擴散阻抗發生（shēng）在更低頻率內，不考慮擴散過程，電*等效阻抗為電荷傳遞（dì）電阻與雙電層電容（róng）並聯後再與電*接（jiē）觸電阻串聯（lián）。 基於（yú）電*阻抗建立的電*等效測量回路如（rú）圖 1 所示。圖（tú）中：Rs1 和 Rs2 為電荷傳遞（dì）電阻；C1 和 C2 為雙電層電容（róng）；Rt為兩個測量電*間的接觸電阻滿足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為（wéi）勵磁線圈等效電感（gǎn）；L1 為閉合回路等效電感；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（zài）測量電*上的微分幹擾；U1 為流體切割磁力線產生的感應電勢；Ue 為勵磁電壓。 假設磁感應強度由勵磁電流（liú）決定且成正比關係（xì）即 B＝aI，忽略（luè）串模等幹擾則電（diàn）*間電壓（yā）為感應電勢與微分幹擾的疊加，基（jī）本方程如（rú）下（xià）：
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（zhí）在幾毫伏（fú）到幾百毫伏之（zhī）內，本（běn）次仿真中（zhōng）流速感應電勢取 10mV。放大器的輸入電（diàn）阻遠遠大於內阻，文獻中給（gěi）出電荷傳遞電（diàn）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。 將各參數值代入到式（7）中，可得（dé） k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情況兩個電*參數取值（zhí）相等， 實際中兩者會存在差異（yì）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*信號仿真（zhēn）
3．1 仿真模型
本文基於 Matlab 中 Siumlink 對電*信號進行仿真，勵磁方式為三值波勵磁，勵磁頻率 f＝25Hz，傳（chuán）感器參數 D＝40mm、Rx＝88．8Ω、Lx＝162mH，勵（lì）磁係統參數 Ue＝100V、穩態電流（liú） I0＝200mA。基（jī）於電*測量回路搭建的仿（fǎng）真模型如圖 2 所（suǒ）示，圖中信號模（mó）塊 pulsGenerator 通過加法器、乘法器得到勵磁電（diàn）流。由公式（shì）（1），在固（gù）定流速下感應電勢與勵磁電流成正比，通過增加 Gain1 模塊得到感應電勢信號。 對勵磁電流進行求導即（jí）經模塊 Derivative 得到微分（fèn）噪聲， 其（qí）中 Gain 值與 Lx 和 L1 相關。 感應電勢與噪聲（shēng）經Add1 疊加之後（hòu）得（dé）到電*信號 E1（t）。 scope 觀察輸出信號波形。仿真波形和（hé）真實波形如圖 3 所示。 將傳感（gǎn）器參數代入到勵（lì）磁電（diàn）流穩態調節（jiē）時間公式中，得電流上升時間為 360μs，測得實際上升時間為 390μs，兩者相差不大（dà），驗（yàn）證了仿真模（mó）型的正確性。
3．2 仿真實驗
仿真試驗中，設定線圈等效電感（gǎn）取值範圍為（wéi） 162～212mH，間隔 10mH；閉合回路（lù）等效電（diàn）感範圍 0．2～1mH，間隔為 0．2mH；雙電層電容、接觸電阻隨流體（tǐ）電導率變化而變化，電導率增大接觸電阻和雙電層電容減小而電荷傳遞電阻增大（dà）。可（kě）設定電*接（jiē）觸電阻、雙電層電（diàn）容和電荷傳遞電阻範圍分別為 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由（yóu）公式（7）知，可用 T2 表示上述三者關係。 仿真參數取值不同情況（kuàng）下，通過 MATLAB 工具（jù）箱對仿（fǎng）真測量得到的幹擾峰值進行曲線擬合畫出（chū）相應的曲線圖。 其中仿真數據（jù）和相對應（yīng）的曲線（xiàn）方程如表 1～表 4 所示，曲線圖如圖 4～圖 6。
3．3 仿真結（jié）果分析
圖 4 為改變勵磁（cí）線圈等效電感（gǎn）其它值保持不變時測得的幹擾結果，可以看出，當線圈（quān）等效電（diàn）感取值（zhí）不同時，幹擾（rǎo）峰值存（cún）在變化，電感越大線圈中電流上升（下降）時間越長，微分幹擾（rǎo）越大。圖 5 為改變（biàn）測量回路等效電（diàn）感即等價於改變交變磁力線穿過測量回路等效麵積時測得的幹（gàn）擾結果， 隨著值增大幹擾呈逐漸增大的趨勢。 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（rǎo）結果， 當溶液電導率改變時電*等效阻抗值變化， 同樣會對微分噪聲產生較大影響。 電導率越大幹（gàn）擾峰值越小（xiǎo）。
4 結束語
本文運用 MATLAB 仿真軟件對汙水處理進出水口流量計電*信號進行建模仿真，通過該模型分析勵磁線（xiàn）圈等效電感、閉合回（huí）路和電*等效阻抗取值變（biàn）化情況下微分幹擾變化， 得到影響微分幹擾原因， 從而為（wéi）後續研究及消除幹（gàn）擾得到真實流（liú）量信號減小測量誤差提供理論依據。
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