印染廢水流量計的抗幹擾措施及其效果分析

摘要：為了抑製和排除印染廢（fèi）水流量計測量過程中的幹擾，提高信（xìn）噪比，提高測量的精確度（dù）和穩定性，討論了（le）印染（rǎn）廢水流量計幾類幹擾噪聲產生的物理機理和特征，簡要闡述了印染廢水流量計的幾種硬件和軟件方（fāng）麵的抗幹擾技術。硬件方（fāng）麵（miàn）設計了高（gāo）精度低功（gōng）耗（hào）的矩形波激磁電路，並從激磁（cí）電路（lù）中引（yǐn）出A/D轉換器的（de）參考電壓，提（tí）高了A/ D轉換結果的（de）抗幹擾能力。軟件方麵主要采（cǎi）用“計算斜率法”和“正負差值法（fǎ）”相結合的方（fāng）法消除零點漂移（yí）。實（shí）驗表明，這些（xiē）方法在智能印（yìn）染廢水流量計的測（cè）量過程中取（qǔ）得了明顯的效果。
印染廢水流量計是利用法（fǎ）拉*電磁感應定律來測量導電液體的（de）體積流（liú）量的儀（yí）表，具有很多突出的優點，例如：無可動部件（jiàn），不會產生壓（yā）力損失和堵塞（sāi）管道；測量導電介質的流量，不受溫度、黏度、密度、壓力、雷諾數以及（jí）在一定範圍內電導（dǎo）率（lǜ）變化的影（yǐng）響；測量原理為線（xiàn）性，精度高，測量範（fàn）圍大；耐腐蝕性好並且可測量正反流速等等。但在實際測（cè）量中，幹擾（rǎo）信號與有用的信號混在一起，它們不僅成分複雜，而（ér）且有時候幹擾信號還會比流量信號大。在這種情（qíng）況下怎樣抑製和排（pái）除這些幹擾，提高信（xìn）噪比，提（tí）高測量（liàng）的精確度和（hé）穩定性（xìng）就成了研製和使用印染廢水流量（liàng）計的（de）一個技術關鍵。
以往的印染廢水流量計的設計很多還有待改進，例如：激磁電路基本采用模擬（nǐ）式恒流源，功耗大的同時（shí）也（yě）引入（rù）了幹擾，並（bìng）且精確度不高；轉換器大多使用8位（wèi）或16位的單片機，較為複雜的算法就難以實現或響應時（shí）間過慢；抗幹擾主要集中在硬件電路的設計等。本（běn）係統采用32位ARM處理器，提高數據（jù）處（chù）理能力和算法複雜（zá）度；並設計了低功耗的激磁電路，同時利用反饋原理消除激勵電流（liú）不穩定對A/D轉換（huàn）結果的影響並在軟件算法和（hé）硬件電路方麵提出了有（yǒu）效的消除（chú）零點漂移以及其他幹擾（rǎo）的措施（shī），使印染廢水（shuǐ）流量計測量精度更（gèng）為提高。
1、印染廢水流量計的測（cè）量（liàng）原理
由（yóu）法拉*電磁感應定律可知（zhī），當導體在磁場中做（zuò）切割磁力線運動時，在導體兩端就產生感應電動勢。設在磁場強（qiáng）度為B的均勻（yún）磁（cí）場中（zhōng）放（fàng）置一個垂直於磁場方向的直徑（jìng）為D的管道，當導電液體在管道中流動（dòng）時，導電液體切割磁力線，就會在和（hé）磁場及流動方向垂（chuí）直的方（fāng）向（xiàng）產生感應電（diàn）動勢。如果在管道截麵上（shàng）垂直於磁場的直徑兩端安裝一對電*，兩電（diàn）*之間就會產生感應電（diàn）動勢。如管（guǎn）道內流速v為軸對稱（chēng）分布，不考慮感應電動勢的正負可得：

其中，B為（wéi）磁（cí）感應強度，A為磁通（tōng）量變化麵積，D為導（dǎo）體長度，dl為被測介質運動的距離，v為被測介質運動的速度，U為感應電動勢。
所測液體的體積流量為：

式（shì）（1）說明，導體在磁場內作切（qiē）割磁（cí）力線運動（dòng），導體兩端產生的感應電動勢的大（dà）小與磁感應強度（dù）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。由式（shì）（2）可（kě）知液體的體積流量與感應電動（dòng）勢成正比，這就是印染廢水流量計（jì）的設計（jì）原理。
2、印染廢水流量計（jì）中（zhōng）的幹擾源分析
傳感器（qì）提供（gòng）給轉換器的（de）流量信號是電*間（jiān）的電位差，即一種電壓信號。在實際測量中，由於電磁感應、靜電感應以及電化學電勢等原因（yīn），電*上所得（dé）到的（de）電壓不僅僅是與流速成比例的電動勢，也包含各種各樣的幹（gàn）擾成分（fèn）在內。
*先印染廢水流量計工（gōng）作現場（chǎng）存在大量的工頻信（xìn）號，耦合在激（jī）磁回路、電*、前端（duān）放大器的工頻幹（gàn）擾噪聲對流量測量的準確性（xìng）造成*大的影響。其次，在低頻（pín）矩形波激磁方式（shì）下，其幹擾主要表現為由激磁電流突變產生的微分幹擾信號，隨著電流（liú）的穩定，幹擾信號隨之消失；另外（wài），由於電磁流（liú）量傳感器的“變壓器效（xiào）應”，會產生相位上與流量信號相差90°的正交幹擾信號；此外（wài），由於電磁屏蔽缺陷，接地不良，雜散電容等引起返（fǎn）回電流不平衡產生共模幹擾，它（tā）可能導致電路某些參考電位變化，是造成（chéng）印染廢水流量計（jì）零點（diǎn）漂移的原因之一，同時產生高的（de）輻（fú）射電場使電路的電磁兼容性惡化；串模幹擾是由於印刷電路板設計電磁兼容性考慮不（bú）足造成的信（xìn）號質量下降，特別是高（gāo）速走線和模擬電路易受到影響；還有就是電化學*化電動勢幹擾，它是被測（cè）液體中電解質在感應電場作用下在電*表麵*化產生，是印染廢（fèi）水流量計零點漂移的主要原因。
3、印（yìn）染（rǎn）廢水流量計的抗幹擾措施及其效果分析
3.1高精度的激（jī）磁電路的設計
該（gāi）係統采用6.25Hz的雙（shuāng）*性（xìng）低頻矩形波激磁，這種激磁方式不僅可以克服直流激磁產生（shēng）的電**化效應（yīng），也可以克服工頻正（zhèng）弦波（bō）激磁產生的正交幹擾影響。
以往的激磁電路的設計都是采用恒流源和可控（kòng）開（kāi）關電路組成。恒流源（yuán）是由電壓基準（zhǔn）、比較放大、控製調整和（hé）采樣等（děng）部分組成的直流負（fù）反饋自動調節係統，常用的激磁電路就是用串聯調整型恒流電（diàn）源盒（hé）控製開（kāi）關組成的，如圖1。其中Vref是參考電壓，Rs是采樣電阻，Is為流過Rs的（de）電流，就是所（suǒ）需的（de）恒流，RL為電磁流量傳感器線圈，K1、K2、K3、K4為可控（kòng）開關，以達到（dào）使線圈RL中流經正負交換的電流（liú），對傳感器激磁。

由理想運算放大器“虛（xū）短”原理可知：

由此可知，要想獲得一個（gè）穩定（dìng）的輸出電流Is，*先，必須要提供（gòng）一個高精度的基準電壓和高精度采樣電阻。由於運放在調整控製過（guò）程中的作用，運放的增益直接影響輸出電流的精度，高增益和低（dī）漂移的運放是必要（yào）的選擇。由於采樣電阻與負載串連，流過的電流通常比較大，因（yīn）此局部溫（wēn）度也會隨之上升，導致元器件溫度上（shàng）升，恒流源的溫度穩定性變壞，采樣電阻Rs隨溫（wēn）度或其他環境參數的變化而（ér）改變，勢必影響Is的精度。其次，恒流電源的輸出電流全部（bù）流過調整管，因（yīn）此調整管上的功（gōng）耗也很大，必須選（xuǎn）擇大功率的晶體（tǐ）管（guǎn），然而大功率晶體管需要較大的基*驅動電（diàn）流，以滿足對運放有較高驅動能力的要求。再次，雙*型三*管的漏（lòu）電流和電流放大（dà）係數對溫度（dù）比較敏（mǐn）感，溫度穩定性較差。還有，電（diàn）壓電流變（biàn）換（huàn）器使用的負反饋閉環控製，電流穩定度與放大器放大倍數有（yǒu）直接關係，在大（dà）功率電源裏基本上是倒（dǎo）數關（guān）係。運放的溫度漂移和失調對電路的精度和溫度穩定性有（yǒu）很大的影響。
為（wéi）此，設計了一個新型的激（jī）磁電路，並（bìng）將激（jī）勵電流反（fǎn）饋到A/D轉換器，以消除激（jī）勵電流不穩定（dìng）對A/D轉換結果的影（yǐng）響，如圖2。

其中+24V是由220V的交流（liú）電通過變壓、整流、濾波之（zhī）後，輸（shū）入可調集成穩壓器LM317，通過高（gāo）精度的滑動變阻器（qì）調節而得到的恒壓源。LM317保（bǎo）證1.5A輸出電流，典型線性（xìng）調（diào）整率0.01%，典型負載調整率0.1%，80dB紋波抑製（zhì）比，輸出（chū）短路保護，過流、過熱（rè）保護，調整管安全工（gōng）作區保護。係統的（de）微控製器采用ARM7芯片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。另外，Vref（+）接該係統A/D轉換器的參（cān）考輸入端VREF（+）。
整個電（diàn）路的工作過（guò）程為：當P2.9為高電平時，Q1、Q2、Q3、Q4導通，此時Q5的基*電流為零，Q5截止，此（cǐ）時P2的端口2輸出+24V的電壓。此時P2.8為低電（diàn）平，Q6、Q7、Q8、Q9，此時有電流流經Q10基*，並使其基*和發射級（jí）導通，Q10的功能（néng）相當於一個二*管的作用，此時P1端口沒有電壓輸出。那麽，A/D轉換器的參考輸入端Vref（+）為：

其中，Vp2是P2端口（kǒu）輸出電壓幅值的絕對值，此處應該是+24V。整個電路是對稱的，且R15=R20，當P2.9為低電平，P2.8為高電平（píng）時，P2的端口2無電（diàn）壓（yā）輸出，端口（kǒu）1輸（shū）出+24V的電壓，Vref（+）值不變，如此周而複始輸出頻率為6.25Hz的的雙*性（xìng）矩（jǔ）形（xíng）波。用Multisim仿（fǎng）真結果如圖3所示。

此外（wài），把Vref（+）作為（wéi）A/D轉換器的參考輸入，可以大大提高係統的溫度穩定性。A/D轉換的結果（guǒ）可表示為：

其中，Vin為經放大、濾波（bō）處理過的電壓信號，也是A/D轉換器的輸入信號，Vout為傳感器輸出的原始流量信號，K0為信號放（fàng）大倍數。
由公式（shì）（1）可知：

通電（diàn）螺線管線圈產生的磁場為：

其中，μ0為真空（kōng）磁導率，N為傳感器線圈匝數，I為流過線圈的電流（liú），l為線圈的長度。
由圖2可知：

把式（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速有關（guān），不受電磁流（liú）量傳感器線圈電阻（zǔ）變化的影響。該電路通過MCU控製三*管的（de）通斷得到激磁信號，三（sān）*管的為電流控製元件，該電路實現了小電流控製大電壓，三*管的功耗低，電路的響應速度快，溫度穩定性（xìng）好，抗幹擾能力強，對印染廢水流量計整體（tǐ）精度的提高（gāo）起到了決定性的作用。
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（pín）幹擾信號，在信號處理電路中的低通濾波往往很難將（jiāng）工（gōng）頻幹擾完全濾出（chū）。本係統采用了同步采樣和工頻補償技術，以抑製（zhì）流（liú）量信號電勢中混入工頻幹擾和工頻電源頻率（lǜ）波動產生工頻幹擾，並（bìng）有效去除微分幹擾。同步采樣（yàng）技術，采樣開始時間滯後激磁信號1/4個（gè）周（zhōu）期，其采樣（yàng）脈寬為工頻周期的偶數倍，消除微分（fèn）幹擾的同時使流量信號電勢中工頻幹擾（rǎo）平均值等（děng）於零，以消除（chú）工頻幹擾的影響；工頻（pín）電源的頻率波動補償是保證（zhèng）頻率的動態波動中，激磁電源和采樣脈衝得以同步調整，真（zhēn）正（zhèng）實現同步采樣技術和同步激（jī）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，就是當傳感器的輸入信號為零時，放大（dà）器的輸出並不是零。零點漂移的信（xìn）號會在各級放大的電（diàn）路間傳遞，經（jīng）過多（duō）級放大後，在輸出端成（chéng）為較（jiào）大的信號，由（yóu）於傳感器輸出的有用信號較弱，零點漂移就（jiù）可能將有用信（xìn）號淹沒，使電路無法正常工作。零（líng）點漂移可分為基（jī）線零點漂移和斜率零點漂移（yí）。對於零點漂移的抑製，該係統采用軟硬件相（xiàng）結合（hé）的措施。硬件電路方麵，采用三運放的差動電（diàn）路輸入，實現對大（dà）內阻的微弱信號采集，並有效抑製了共模信號的引入。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轉換的輸入範（fàn）圍。
有時硬件的方（fāng）法是不可能完全滿足係統的要求的，必須結合軟件的方法才能更（gèng）好地（dì）達到係統的要求，也就是現在（zài）所（suǒ）說的軟件即是虛擬硬件。結合硬件采用軟件的方法簡單易行，可以很好消除采集數據中的零（líng）點漂移，並且其成本比（bǐ）用硬件的方法低，改進軟件的算法可以方（fāng）便實現對係統的改進。對於該係（xì）統的零點漂移，采用“計算斜率法（fǎ）”和（hé）“正負（fù）差值法”相（xiàng）結合的方法可以很有效（xiào）地消除基線零點（diǎn）漂移（yí）和斜率零點漂移對印染廢水流量計精度的（de）影響。
圖4為經過信號處（chù）理和同步采（cǎi）樣後的（de）信號（hào），同時存（cún）在基線零點漂移和斜率零點漂移。斜率零點漂移則多見於積分係統，隨著時間的推移，積分（fèn）器的零點可能會（huì）出現（xiàn）**間累加漂移。此外，外（wài）界的環境溫度的（de）變化也（yě）是斜率零（líng）點漂移產生的重要原因（yīn）。

鑒（jiàn）於斜（xié）率零點漂（piāo）移產生的機理，可以在標定的時候（hòu）確定零（líng）點漂（piāo）移的（de）斜率K。也就是在管道液體靜止不動流量為零的時候對輸出信號進行（háng）采樣，設從時間t1進行采樣，采（cǎi）樣（yàng）曆時Δt，經過一段時間後（hòu）又從t2開始采樣，曆時Δt後采樣（yàng）結束。分別得到兩組離散的信號x1到xn和x1到xn，分別除去*大值、*小值後對剩下（n-2）個值進（jìn）行平均，得：

那麽斜率零點漂移的斜（xié）率為：

對於基線零點漂移，“正負差（chà）值法”是比較（jiào）有效便捷的選擇，它不需要直接消除信號（hào）中的基線（xiàn）零點漂移，而是通過算法上去掉基線零點漂移對測量結果的影（yǐng）響。該係統中，激磁信號的頻率為6.25Hz，由於所測量的液體流速不會有明顯的突變，所以在信號的一（yī）個周期0.16s內，可以采用一個波峰減去波穀（gǔ）的均值來表示此時的流量信號，也即如圖3中|y4-y1|其（qí）中y4是從nT+T/4到nT+T/2采樣結（jié）果的算術平（píng）均值，y1是從到（n+1）T進行采樣結果的算術平均值。但是由於斜率零點漂移的存在，會出現如圖3中|y3-y2|的誤差，所以需要利用式（15）的結果對該（gāi）誤差進行修（xiū）正，修正後的結果也就是此時管道中液（yè）體感應出的電動勢為：

對於式（shì）（16）結果，去除了工頻幹擾、微分幹擾、零點漂移（yí）的影響，大（dà）大提（tí）高（gāo）了印染廢水流量計的測量精度。
3.4其他去除（chú）幹擾的措施
對（duì）於由電磁流量傳感器的“變壓器效應”所產生的正交幹擾，采（cǎi）用“變送器調零法”來（lái）消除，這個方（fāng）法既方（fāng）便又實用。
軟件設計方麵（miàn），采用了數字濾波技術，它（tā）能完成模（mó）擬濾波（bō）不能完成的功能，很容易剔出脈衝幹擾，消除數字（zì）電路毛刺，提高A/D轉換的抗（kàng）工頻幹擾能力以（yǐ）及輸入微處理器數字的可靠性。此外，還采用了掉電保護技術，軟件指令冗餘措施，軟件陷阱抗幹擾方法以及看門狗技術，這（zhè）些（xiē）措施的采用有效地排除了智能印染廢水流量計微處理器失控。
在PCB電路板製作上，采用數字地與模擬地分（fèn）開走線並（bìng）加粗（cū），*後用0歐電阻單點相連（lián）。數字電源與（yǔ）模擬電源也分開供電，合理加裝了去藕（ǒu）電容，並協調好不同（tóng）類型IC的點評（píng）匹（pǐ）配。數字信號和模擬信號分（fèn）開走線（xiàn），有效防止了並行走線（xiàn）產生寄（jì）生電容（róng）和共生電（diàn）容。選擇高性能的抗幹擾芯片，這是抗幹擾（rǎo）技術重要（yào）環節。
在印（yìn）染（rǎn）廢水流量計的安（ān）裝方麵，使傳感器的外殼（ké）應接地，並（bìng）且（qiě）將流量調（diào）節（jiē）閥門（mén）放在流量計的下遊（yóu），垂直安裝（zhuāng）（若水平安裝的流量計應保證上遊10倍（bèi）直徑，下遊5倍直徑的直管段），這樣達到整流的目的，從而減（jiǎn）小了流速（sù）分布不均對測量精度的影響。減短（duǎn）信號（hào）傳送電纜，否則（zé）由電纜（lǎn）分布電（diàn）容（róng）引起的負載效應就會增大測（cè）量誤差，也增加了信號受到幹擾的可能。
4、結（jié）束語
智能印染廢水流量（liàng）計多（duō）種抗幹擾（rǎo）技術的采用，大大抑製和消除了幹擾信號對有用信號的影響，增強了印染廢水流量計的抗幹擾能（néng）力，經印染廢（fèi）水流量計製作樣機反複實驗證明，測量精度可達到0.5%，提高了以往測量的精度和可靠性。

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