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管道式電磁（cí）流量計自適應*化噪聲抵消係統研究
點擊次數：2330 發布時間：2021-01-01 13:35:09
摘要：管道式電（diàn）磁流量計是一種應用廣泛的測量導電液體（tǐ）體積流量的儀表。測（cè）量時，金屬電*與電解質會發生電化學反應，產生*化噪聲。*化噪聲幅值（zhí）遠高於流（liú）量信號幅值，使電*輸（shū）出信（xìn）號信噪比較低;*化噪聲存在（zài）漂移的現象，會（huì）影響管道式電磁流（liú）量計變送器的信號調理工作（zuò），限製電路的放大倍數增加ADC采樣位數、電路成本、功耗等。對此，提出了一種基於前饋控製的（de）自適應*化噪聲抵消方案，設計了相應的信號調理電路，通過硬件電路實時提取和抵消（xiāo）*化噪聲，*大地提高了電*輸出信號信噪比。通過試驗，驗證了該方案（àn）不（bú）但能有效濾除*化（huà）噪聲，而且能提高（gāo）信號調理電（diàn）路的（de）放大倍數、減少ADC的采（cǎi）樣位數、減少電路的成本和功耗。
引言
管道式電磁流量計是一種根據法拉*電磁感（gǎn）應定律測量導電液體體積流量的儀表，廣泛應用於石油、化工、冶金、造紙（zhǐ）等行業。信號測量時，傳感器（qì）電*拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般（bān）為幾十到數（shù）百微伏。而噪聲信號中（zhōng）的*化（huà）噪聲存在漂移的現象，幅值一般在幾毫伏到數百毫伏區問變化，也有可能（néng）達到數伏川。兩者幅值的巨大差異以及*化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵磁的方式消除，*大地影響（xiǎng）了信噪比。
為了（le）提高管道式電磁流（liú）量計（jì）傳感器（qì）輸出信（xìn）號的信噪比，目前，國內（nèi）外主要有四（sì）種解決（jué）方案。
①*化（huà）噪聲補（bǔ）償的（de）方案。根據*化噪聲緩（huǎn）慢變化的特點，采用不勵（lì）磁（cí）時段*化噪聲（shēng）來補償勵磁時（shí）段的*化噪聲。但是，由於*化噪聲的不規律性，會導致管道式電磁流量計的零點較差。
②低通濾（lǜ）波反饋的方案。根據*化噪聲所處的頻帶略低於流量信號的特點，采用一階低通濾波器提取（qǔ）*化噪聲，並進行反饋補償。但（dàn）是（shì），一階低通濾波器的過（guò）渡帶很寬，會（huì）使流（liú）量信號出現畸變的現象。因此，該方案被用在瞬態勵磁中，尚未（wèi）應用於商用儀表（biǎo）。
③采用高精度的模數轉換器(analog to digitalconverter, ADC)的方案。利用32位高精度的模數轉換器直接采集信號，然後通過數字信號處理方法提取出流量信號。但該方案增加了程序的複雜性（xìng）。同時，高精度的模數轉換（huàn）器（qì）的分辨率與采樣率成反比。因此，為了保證較高的分辨率，隻（zhī）能使用很低的勵磁頻率（lǜ）。
④闌值控製的偏置調節（jiē）方法。當信號超過設定的閉值時，數（shù）字（zì）信號處理器（qì）(digital signal processor,DSP)控製數模轉換器(digital to analog converter, DAC )模塊輸出（chū）偏置調節電壓（yā），將傳感器輸出信號調整到0附近（jìn）。但這種調節方（fāng）法（fǎ）會使流量信號產生一個跳（tiào）變，對（duì）後續的梳狀帶通濾波造成影響，導致輸出信（xìn）號出現間斷性錯誤。
為此，本文分析*化噪聲產生的具體原因及分布特性，提出（chū）前饋控製（zhì）的自適（shì）應*化噪（zào）聲抵消方案。基於該方案，研製了管道式電磁流量計變（biàn）送（sòng）器中的信號調理電路;並用研製的調理（lǐ）電路替換課題組（zǔ）研（yán）製的管道式電磁流量計變送器中的調理電路，形成一套完整的管道式電磁流量計（jì）變（biàn）送（sòng）器，進行驗證（zhèng）試驗。
*化噪聲主要源於電*與電解質的電化學反應。金屬電*帶（dài）電的正離子逐漸溶解於所測量的電解質流體，自身帶負電荷，致使電解質流體中的（de）正負電（diàn）荷中心發生相對位移，形成複雜的電解雙層結構（gòu）。雙電層之（zhī）間產生一個（gè）電場，從而在電解質（zhì）流體和電*之間形成（chéng）電位差。這個電（diàn）位差就是*化電（diàn）勢。若兩電*結構完全相同，則*化（huà）電勢會相互抵消。但由於兩電*表麵的結構差異（yì），*化電勢會由共模電壓（yā）轉為（wéi）差模電壓，並藕合在信號上。該*化電勢被認為是直流分量（liàng）〔1,4-6]O而且，電*表麵上的灰塵或放電離子（zǐ）等沉積物會隨著時間的推移緩慢累積。當有流動的電解質流體出現或電解質流體流速發生（shēng）變化時，這（zhè）些累積（jī）的沉（chén）積物會被（bèi）慢慢撕開。在這一過程中，*化電勢大小會發生隨（suí）機噪聲為主，主（zhǔ）要分布於零頻附近的低頻（pín）區域，幾乎不與流（liú）量信號頻（pín）段重（chóng）疊。當勵磁頻率（lǜ）為2.5一5 Hz l81，可以用一個過渡帶（dài）特性較陡的高階低通濾波器來提取*化噪聲（shēng）。
2 *化噪聲（shēng）抵消方案
2.1 抵消原理
根據*化噪聲的特性，同時考慮到硬件係（xì）統處理噪聲更具實時性與可靠性，提出一種基（jī）於前饋控製（zhì）的自適應*化噪聲抵消方案（àn），並用硬件實現。噪（zào）聲抵消方法原理（lǐ）如圖2所示。
電*輸出信號S(t)包含流量信號，(t)、*化（huà）噪聲n1(t)和高頻噪聲n2(t)，如式(1)所示:
S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
電*輸出信號S(t)經過前置差分放大器（qì）A，後，得到信號A1.S(t)。由於*化噪聲n, (1)頻段與（yǔ）流量信號，(t)頻段存在很好的區分度，那麽信（xìn）號（hào）A,-S(t)經過一個低頻濾波器H, ((0)，就可以將其中的*化（huà）噪聲N, (I)提取出來。
n,(，)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
以*化噪聲n, (1)作為前饋量，經過運算放大器A2，用信號A, S(t)減去n, (t)，就可以實現自適（shì）應*化噪聲抵（dǐ）消，得到（dào）不含有*化噪聲的信（xìn）號S,(t)。
s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
再經過低通濾波器（qì）叢（cóng）(。)濾除高頻噪聲n2(t)，就可以得到*終輸人ADC的信號S2(t)。
S2(t)=Si(t)·從(。)=A1A2·s(t)(4)
*後，在軟件中通過梳狀帶通濾波和幅值解調等信（xìn）號處理方法，濾除工頻幹擾和微（wēi）分幹（gàn）擾，就（jiù）可以得（dé）到流速值。
2.2 硬件電路研製
根據前饋控製的自適應*化（huà）噪聲抵消原理，設（shè）計了信號（hào）調理電路2，以（yǐ）實現*化噪聲的濾除。信號調理電路2主要包括前置差分（fèn）放大電路、*化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放（fàng）大（dà）電路三（sān）部分。調理電（diàn）路（lù）如圖3所示。
①前置差分放大電路。
前置差分放大（dà）電路（lù）主要實現信號的放大和（hé）共模噪聲的抑製。電路采（cǎi）用具有高共模抑製比、高增益精度、低失調漂（piāo）移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分（fèn）放大電路如圖4所示。
管道（dào）式電磁流（liú）量計的基本（běn）原理（lǐ）技術特點與使用安裝要求 管道電磁流量計安裝規範 停機狀態下的管道式（shì）電磁流量計保養方（fāng）法 管道電磁流量計,dn250電磁流量計 電磁管道流量計,電磁式流量計 管道式電磁流量計,高壓電磁流量計 一體管道式電磁流量計 關於管道式電磁流量計好與壞有（yǒu）哪些重要的檢查要領 管道電磁流量計在化工企業水源節能中（zhōng）的安裝與（yǔ）使用 詳述管（guǎn）道式電磁流量計的產品特點及未（wèi）來四個方麵的發展趨勢 用於控製管道電磁流（liú）量計使用中（zhōng）低噪音的（de）信號（hào）電纜結構設計說明 管道式電磁流量計廠家在（zài）工業管（guǎn）道測量中選型安裝調試（shì）的常（cháng）規要求 管（guǎn）道式電磁流量計,電磁管道流量計 管道式電磁流量計在注入液流量測量采集與數據分析中的應用 管道（dào）式電磁流量計在化工回用水處（chù）理工程設計的選型應用（yòng） 管道電磁流量（liàng）計在（zài）煙草定量加水係統改造及PLC係統設（shè）計 管道（dào）式電磁流量（liàng）計自適應*化噪聲抵消係統研（yán）究 運用管道式電磁流量計實時監（jiān）控注水井裏麵液（yè）位變化 管道電磁流量計在汙水處理（lǐ）對自動控製技術的應用分析 關於（yú）管（guǎn）道式電磁流量計的原理局限性及優缺點與如何使用 關於電磁管道流量計的常見故障原因分析與解決方案 關於管道式電磁流量（liàng）計在石油化工裝置調試及注意事項 關於管道（dào）式電磁流量（liàng）計（jì）在鋁廠測量中的應用 管道（dào）電磁流量計出口壓力異常原因分析及建議 運用電磁管道流量計測量水流變化判斷水泵是否（fǒu）正常工作 電磁管道（dào）流量計的勵磁幹（gàn）擾分（fèn）析與抗（kàng）幹擾方法
引言
管道式電磁流量計是一種根據法拉*電磁感（gǎn）應定律測量導電液體體積流量的儀表，廣泛應用於石油、化工、冶金、造紙（zhǐ）等行業。信號測量時，傳感器（qì）電*拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般（bān）為幾十到數（shù）百微伏。而噪聲信號中（zhōng）的*化（huà）噪聲存在漂移的現象，幅值一般在幾毫伏到數百毫伏區問變化，也有可能（néng）達到數伏川。兩者幅值的巨大差異以及*化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵磁的方式消除，*大地影響（xiǎng）了信噪比。
為了（le）提高管道式電磁流（liú）量計（jì）傳感器（qì）輸出信（xìn）號的信噪比，目前，國內（nèi）外主要有四（sì）種解決（jué）方案。
①*化（huà）噪聲補（bǔ）償的（de）方案。根據*化噪聲緩（huǎn）慢變化的特點，采用不勵（lì）磁（cí）時段*化噪聲（shēng）來補償勵磁時（shí）段的*化噪聲。但是，由於*化噪聲的不規律性，會導致管道式電磁流量計的零點較差。
②低通濾（lǜ）波反饋的方案。根據*化噪聲所處的頻帶略低於流量信號的特點，采用一階低通濾波器提取（qǔ）*化噪聲，並進行反饋補償。但（dàn）是（shì），一階低通濾波器的過（guò）渡帶很寬，會（huì）使流（liú）量信號出現畸變的現象。因此，該方案被用在瞬態勵磁中，尚未（wèi）應用於商用儀表（biǎo）。
③采用高精度的模數轉換器(analog to digitalconverter, ADC)的方案。利用32位高精度的模數轉換器直接采集信號，然後通過數字信號處理方法提取出流量信號。但該方案增加了程序的複雜性（xìng）。同時，高精度的模數轉換（huàn）器（qì）的分辨率與采樣率成反比。因此，為了保證較高的分辨率，隻（zhī）能使用很低的勵磁頻率（lǜ）。
④闌值控製的偏置調節（jiē）方法。當信號超過設定的閉值時，數（shù）字（zì）信號處理器（qì）(digital signal processor,DSP)控製數模轉換器(digital to analog converter, DAC )模塊輸出（chū）偏置調節電壓（yā），將傳感器輸出信號調整到0附近（jìn）。但這種調節方（fāng）法（fǎ）會使流量信號產生一個跳（tiào）變，對（duì）後續的梳狀帶通濾波造成影響，導致輸出信（xìn）號出現間斷性錯誤。
為此，本文分析*化噪聲產生的具體原因及分布特性，提出（chū）前饋控製（zhì）的自適（shì）應*化噪（zào）聲抵消方案。基於該方案，研製了管道式電磁流量計變（biàn）送（sòng）器中的信號調理電路;並用研製的調理（lǐ）電路替換課題組（zǔ）研（yán）製的管道式電磁流量計變送器中的調理電路，形成一套完整的管道式電磁流量計（jì）變（biàn）送（sòng）器，進行驗證（zhèng）試驗。
*化噪聲主要源於電*與電解質的電化學反應。金屬電*帶（dài）電的正離子逐漸溶解於所測量的電解質流體，自身帶負電荷，致使電解質流體中的（de）正負電（diàn）荷中心發生相對位移，形成複雜的電解雙層結構（gòu）。雙電層之（zhī）間產生一個（gè）電場，從而在電解質（zhì）流體和電*之間形成（chéng）電位差。這個電（diàn）位差就是*化電（diàn）勢。若兩電*結構完全相同，則*化（huà）電勢會相互抵消。但由於兩電*表麵的結構差異（yì），*化電勢會由共模電壓（yā）轉為（wéi）差模電壓，並藕合在信號上。該*化電勢被認為是直流分量（liàng）〔1,4-6]O而且，電*表麵上的灰塵或放電離子（zǐ）等沉積物會隨著時間的推移緩慢累積。當有流動的電解質流體出現或電解質流體流速發生（shēng）變化時，這（zhè）些累積（jī）的沉（chén）積物會被（bèi）慢慢撕開。在這一過程中，*化電勢大小會發生隨（suí）機噪聲為主，主（zhǔ）要分布於零頻附近的低頻（pín）區域，幾乎不與流（liú）量信號頻（pín）段重（chóng）疊。當勵磁頻率（lǜ）為2.5一5 Hz l81，可以用一個過渡帶（dài）特性較陡的高階低通濾波器來提取*化噪聲（shēng）。
2 *化噪聲（shēng）抵消方案
2.1 抵消原理
根據*化噪聲的特性，同時考慮到硬件係（xì）統處理噪聲更具實時性與可靠性，提出一種基（jī）於前饋控製（zhì）的自適應*化噪聲抵消方案（àn），並用硬件實現。噪（zào）聲抵消方法原理（lǐ）如圖2所示。
電*輸出信號S(t)包含流量信號，(t)、*化（huà）噪聲n1(t)和高頻噪聲n2(t)，如式(1)所示:
S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
電*輸出信號S(t)經過前置差分放大器（qì）A，後，得到信號A1.S(t)。由於*化噪聲n, (1)頻段與（yǔ）流量信號，(t)頻段存在很好的區分度，那麽信（xìn）號（hào）A,-S(t)經過一個低頻濾波器H, ((0)，就可以將其中的*化（huà）噪聲N, (I)提取出來。
n,(，)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
以*化噪聲n, (1)作為前饋量，經過運算放大器A2，用信號A, S(t)減去n, (t)，就可以實現自適（shì）應*化噪聲抵（dǐ）消，得到（dào）不含有*化噪聲的信（xìn）號S,(t)。
s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
再經過低通濾波器（qì）叢（cóng）(。)濾除高頻噪聲n2(t)，就可以得到*終輸人ADC的信號S2(t)。
S2(t)=Si(t)·從(。)=A1A2·s(t)(4)
*後，在軟件中通過梳狀帶通濾波和幅值解調等信（xìn）號處理方法，濾除工頻幹擾和微（wēi）分幹（gàn）擾，就（jiù）可以得（dé）到流速值。
2.2 硬件電路研製
根據前饋控製的自適應*化（huà）噪聲抵消原理，設（shè）計了信號（hào）調理電路2，以（yǐ）實現*化噪聲的濾除。信號調理電路2主要包括前置差分（fèn）放大電路、*化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放（fàng）大（dà）電路三（sān）部分。調理電（diàn）路（lù）如圖3所示。
①前置差分放大電路。
前置差分放大（dà）電路（lù）主要實現信號的放大和（hé）共模噪聲的抑製。電路采（cǎi）用具有高共模抑製比、高增益精度、低失調漂（piāo）移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分（fèn）放大電路如圖4所示。
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