摘 要：采(cai)用帶阻濾波(bō)的信号處理(lǐ)方法，處理低(di)頻矩形波勵(lì)磁📐下由傳感(gǎn)器輸出的信(xin)号，有效抑制(zhi)工頻幹擾。結(jie)果表明，系統(tong)🔅測量精度優(you)于0.4％，達到了工(gong)業測量标準(zhǔn)。
0 引言
電磁流(liú)量計
原理爲(wèi)法拉第電磁(ci)感應定律，主(zhu)要由流量常(chang)感器和變送(sòng)器📧組成。電磁(cí)流量計有許(xu)多良好性能(néng)，如結構簡單(dān)、較強的耐腐(fu)蝕性、較高的(de)穩定性、較高(gao)的精度等，在(zai)給供水🌂、鋼鐵(tiě)、石❄️油、煤炭、化(huà)工、醫療、航海(hai)、農業灌溉等(deng)領⭐域有着廣(guǎng)泛應用［1］。流🐅量(liàng)傳感器的主(zhu)要作用是當(dang)流經導管内(nei)的導電液體(ti)做切割磁感(gǎn)線運🔞動時，會(hui)産生電動勢(shì)，将導電液體(tǐ)的體積流量(liang)🛀轉換成需要(yao)的電信号，再(zài)傳送給變送(song)器作進一步(bù)處理。變送器(qi)主要由勵磁(cí)電路、濾波電(diàn)路、前置❤️放大(dà)調整電路、采(cai)樣電路、電流(liú)信号輸出電(diàn)路及脈沖信(xin)号輸出電路(lù)組成。
電磁流(liú)量技術的發(fā)展主要體現(xian)在勵磁方案(àn)改進和信号(hao)處🍉理算法優(you)化方面。電磁(cí)流量計的勵(li)磁方🍓案直接(jie)決定了其抗(kàng)幹擾性能和(hé)零點的穩定(ding)性。信号處理(lǐ)⭐的重點是幹(gàn)擾噪聲去除(chú)，其中主要的(de)幹擾是工頻(pin)幹擾、同相幹(gan)擾、正交幹擾(rao)、極化現象、白(bái)噪聲💋幹擾和(hé)零點偏移。采(cai)用直流勵磁(ci)方案，将不會(huì)産生渦流效(xiao)應，并且有着(zhe)較小的正交(jiao)幹擾和同相(xiang)幹擾🐕；采用正(zheng)弦波勵磁方(fang)案，可以很好(hǎo)地控制極化(hua)現象産生，并(bìng)有着良好的(de)抗噪能力；采(cai)用低頻矩形(xing)波勵磁方案(àn)，兼㊙️顧直流勵(lì)磁和正弦波(bo)勵磁的優點(diǎn)，因此應用廣(guang)泛。
本文采取(qu)低頻矩形波(bō)勵磁方案。可(kě)導電的流體(tǐ)切割磁感線(xiàn)，從而在電極(ji)上會有電動(dòng)勢産生，但是(shì)電壓十分弱(ruo)，流量傳感器(qì)的🍉輸出信号(hào)會受工頻幹(gàn)擾，帶來較低(dī)的信噪比，特(te)别是在導電(dian)液體流速較(jiào)低的情形下(xià)，有效的流量(liàng)信号可能完(wán)全被噪聲信(xìn)号🔱覆蓋。本文(wen)在采取低頻(pín)矩形波勵磁(cí)條💚件下，在現(xiàn)有⛱️信号處理(li)方法的基礎(chu)上，采取巴特(te)沃斯帶阻濾(lü)波信号處理(lǐ)方法，可🛀🏻以有(yǒu)效消除50HZ的工(gōng)頻幹擾［2］，以此(cǐ)來提高流量(liang)傳感器輸出(chu)信号的信噪(zao)比，并在MSP430上實(shí)現，可有效處(chù)理水流量信(xin)号。通過👅标準(zhun)表标定實驗(yan)，擁有較爲理(lǐ)想的測量精(jing)度和重複性(xing)。
1 帶阻濾波方(fang)法
1.1 算法原理(li)及推導
流量(liang)傳感器的輸(shu)出信号和被(bei)測導電液體(tǐ)的流速之🐆間(jian)存在一定的(de)線性關系。在(zai)理想條件下(xia)，采用低頻矩(ju)👉形波‼️勵磁方(fāng)式時，從流量(liàng)傳感器輸出(chu)信号，頻率和(hé)勵磁電流☀️相(xiàng)同，并且輸出(chu)信号的幅值(zhí)和導電液體(tǐ)的流速之間(jian)成比例關系(xi)。但是，實際中(zhōng)，流量傳感器(qi)的輸出信号(hào)會受到多種(zhǒng)噪聲的幹擾(rǎo)，經常會摻雜(za)着如微分📱幹(gàn)擾、串共模幹(gàn)擾、同相幹擾(rao)等幹擾，使流(liu)量信号和噪(zao)聲不能很好(hao)分離，可用方(fang)程（1）表示［3］：
式中(zhong)，BDV是模拟流量(liang)信号。通過對(dui)流量傳感器(qi)輸出信号進(jìn)行分析，可以(yi)發現輸出信(xin)号有着較寬(kuān)的頻率範圍(wéi)，所以采用💯常(cháng)規的低通濾(lü)波很難将噪(zao)聲去除。針對(duì)流量傳感器(qì)輸出信号的(de)特點，利☔用現(xian)有的模拟濾(lǜ)波器設計公(gōng)式，實現巴特(tè)沃斯帶阻濾(lǜ)波器的設計(ji)，其系統傳遞(dì)函數可以表(biǎo)示爲：
因此，設(she)計巴特沃斯(sī)帶阻濾波器(qì)的實質就是(shi)要明确帶寬(kuān)，并确定階數(shù)N，在MATLAB中完成濾(lü)波器的設計(jì)，并找出系數(shu)B、a，使💰其滿足預(yu)設的技術要(yao)求。
1.2 濾波器實(shí)現
電磁流量(liàng)計的頻率輸(shū)出範圍由實(shi)際應用場景(jing)決定⭐，本文假(jia)設其範圍0～100HZ。依(yi)據奈奎斯特(te)抽樣定理，爲(wèi)了無失🏃真地(di)恢複出采樣(yàng)信号，取樣頻(pin)率爲采樣頻(pin)率的2倍，即200HZ。爲(wèi)了去除50HZ工頻(pin)幹擾，選取49HZ的(de)下限截止頻(pín)率🏒；選取51HZ的上(shàng)限截止頻率(lü)；折疊頻率爲(wèi)采樣🥰頻率的(de)1/2，取💚Ｍ＝100；對通帶頻(pin)率作歸一化(huà)處理，取Ｗｐ
衰減(jiǎn)取值3dB，即ｐ＝3；阻帶(dai)頻率取值20dB，即(jí)s=20；确定階數N和(hé)截止頻率WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最(zui)後确定巴特(te)沃斯帶阻濾(lü)波器，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過MATLAB，設(she)計出巴特沃(wò)斯帶阻濾波(bo)器💞［6］，再繪制巴(ba)特沃斯帶阻(zǔ)濾波器的幅(fú)頻響應曲線(xiàn)和相頻響應(yīng)曲線，如圖1所(suo)示：
2 MATLAB仿真
爲了(le)驗證信号處(chù)理算法的可(ke)行性，需在MATLAB中(zhong)模拟工業現(xian)場下的傳感(gǎn)器輸出信号(hao)。因爲從流量(liàng)傳感器獲取(qǔ)的電♋壓信号(hao)十分弱，尤其(qí)在導電液體(ti)流速較小的(de)情形下，有用(yong)信号可能會(huì)淹沒在各種(zhong)噪聲中。所以(yi)在MAT-LAB仿真時，要(yao)參🌈考實際環(huán)👅境下輸出信(xin)号，模拟🏒的傳(chuan)感器輸出信(xìn)号，要摻雜着(zhe)工頻幹擾、同(tóng)相幹擾、白噪(zào)聲等幹擾。在(zài)導電液體的(de)流速小于1ｍ/ｓ情(qíng)形下，流量傳(chuan)感器能獲取(qu)到的電壓小(xiao)于10ｍV。本💞文采用(yong)取低頻矩形(xing)波勵磁的勵(li)磁方案，選取(qu)50HZ工頻的1/8作💔勵(li)磁頻率，即6.25HZ。因(yin)此，本💃文模拟(ni)輸出信号：
式(shi)（3）中，等号右邊(biān)的各項依次(cì)表示所需的(de)流量信号💰、工(gong)頻🔴幹擾、零漂(piāo)、白噪聲。産生(shēng)的信号如圖(tu)2所示。
通過MATLAB，對(dui)模拟的傳感(gǎn)器輸出信号(hao)進行巴特沃(wo)斯帶阻🚶♀️濾波(bō)😍，從圖3中可以(yǐ)看出噪聲在(zai)一定程度上(shàng)被消除，具體(tǐ)哪種噪聲被(bei)去除，可以通(tong)過對信号作(zuo)傅裏葉變換(huan)，得到相🥵應的(de)頻譜。使用巴(ba)特沃斯帶阻(zǔ)濾波器濾波(bo)前後的對比(bǐ)結果如圖💞3所(suo)示。
分别對上(shàng)一步濾波前(qián)後的信号進(jìn)行ＦＦＴ變換，得到(dào)頻譜圖，這一(yi)步☀️是通過MATLAB實(shi)現的，濾波前(qián)後的頻譜對(dui)比如圖4所示(shi)。
通過MATLAB，對信号(hao)處理算法進(jìn)行仿真，分别(bié)對濾波前後(hòu)的波形圖、頻(pín)譜圖進行對(duì)比，發現此濾(lü)波方法可以(yǐ)有效🍉濾除50HZ工(gōng)頻幹擾，驗證(zhèng)💯了所設計的(de)濾波方法的(de)可行性。
3 基于(yú)MSP430的算法實現(xiàn)
3.1 系統硬件介(jiè)紹
基于ＴＩ公司(si)的MSP430芯片，研制(zhi)了電磁流量(liang)計的變送器(qì)，此芯片☂️是16位(wei)超㊙️低功耗混(hun)合型微處理(li)器［７］，并且具有(yǒu)豐富的外設(she)，方便系統功(gōng)能擴展。硬件(jian)原理如圖5所(suǒ)示🆚，由前置㊙️放(fang)大調理電路(lu)💃、勵磁電路、電(dian)流信号輸出(chu)電路、脈沖信(xìn)号輸出電🍉路(lu)、LCD顯示、鍵盤、RS232模(mó)塊、開關電源(yuán)構⚽成。前置放(fang)大調理電路(lu)主要完成對(duì)電極信号的(de)放大、V/F轉換等(děng)功能，電流輸(shū)出模塊實現(xiàn)4～20ｍA電流輸出，脈(mò)沖輸出模塊(kuai)實現脈沖量(liàng)的🈲輸出，LCD和按(an)💰鍵用于配置(zhì)和🔞顯示流量(liang)相關參數✔️，RS232用(yong)于通訊，開關(guan)電源用于給(gěi)系統提供直(zhi)流電壓。
3.2 系統(tong)軟件設計
本(ben)系統軟件設(she)計模塊化的(de)，都是由主監(jian)控程序調用(yòng)分💚配🤞。軟件部(bù)分主要包括(kuo)：初始化模塊(kuài)、通信模塊、Watchdog模(mó)塊、信号處理(lǐ)模塊、驅動模(mo)塊等。總體框(kuàng)架如圖6所✨示(shì)。
通過MSP430控制驅(qū)動模塊産生(shēng)勵磁電流，以(yǐ)此激勵流量(liàng)傳感器的勵(li)磁線圈，從而(er)将導電液體(tǐ)的流量信号(hao)轉換爲微弱(ruo)的電動勢，再(zài)對其進行放(fang)大調理、整流(liú)濾波和偏置(zhi)調♈整，最後⚽送(sòng)到AD652進行V/F采樣(yàng)［8］。在本文設計(jì)的電磁流量(liang)計中，采用帶(dai)阻濾波的方(fang)法對信号進(jin)行實時處理(li)，得到流量信(xìn)号的幅值，再(zài)結合儀表的(de)相應參數，将(jiang)⛷️幅值轉換成(chéng)需要的流量(liàng)信号，再通過(guò)Modbus将流量信💛息(xi)傳送至上位(wèi)機。
3.3 實驗結果(guǒ)
通過水流量(liang)标定實驗驗(yan)證帶阻濾波(bo)算法的可行(hang)性。标定方法(fǎ)有标準表标(biao)定法和稱重(zhong)标定法，采取(qu)标準表标定(dìng)法，将被測表(biǎo)的測量結果(guǒ)和标準表的(de)測量結果進(jin)行比較。結合(hé)相關🈲的參數(shu)，計算出系統(tǒng)的測量精度(dù)和重複👣性，實(shí)驗結果如表(biao)1所示。
從上述(shu)實驗結果可(ke)知，在頻率是(shi)6.25HZ的矩形波勵(lì)磁下，在流量(liàng)✨範♌圍是20～200ｍ3/ｈ的條(tiáo)件下，得到電(diàn)磁流量計的(de)測量精度⚽高(gāo)于🛀🏻0.4％，達到了工(gong)業測量要求(qiú)。
4 結語
本文主(zhǔ)要針對電磁(cí)流量計的50HZ工(gōng)頻幹擾，提出(chu)采用巴特沃(wo)斯帶阻濾波(bō)的信号處理(lǐ)方法。爲了驗(yàn)證濾波算法(fa)的可行性，并(bing)測試☀️電磁流(liu)量計的測量(liang)精度🔞，采用标(biāo)準表标定法(fǎ)進行了水流(liu)量标定。
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