電磁(ci)流量計(jì)工作原(yuán)理 基于(yu)法拉第(di)電磁感(gǎn)應定律(lü),通過測(cè)量導電(diàn)流體在(zai)💃🏻磁場🚩中(zhong)的感應(ying)電動勢(shì)來推算(suan)流體流(liú)量。勵磁(ci)磁場、感(gan)應電動(dong)勢采集(ji)電極、信(xin)号運算(suàn)放大電(diàn)路以及(jí)模數轉(zhuan)換器都(dōu)容易受(shou)到工作(zuò)現場的(de)電場和(hé)磁場輻(fu)射耦合(he),因此電(dian)磁耦合(he)是流量(liang)🙇‍♀️測量中(zhōng)最📐主要(yào)的幹🥰擾(rǎo)方式; 其(qí)次被測(ce)液體的(de)電化學(xué)反應和(hé)泥漿幹(gan)擾是流(liú)量測量(liàng)的另一(yī)噪聲來(lái)源。
1. 1 微分(fèn)幹擾産(chǎn)生機理(li)及對策(ce) 電磁流(liu)量計中(zhong)噪聲的(de)産生機(ji)理及💰對(duì)策
    在現(xian)行的 電(diàn)磁流量(liang)計 設計(jì)中,低頻(pín)矩形波(bō)勵磁方(fāng)式結合(hé)了直流(liú)勵磁和(he)💚交流勵(li)磁兩者(zhě)的優點(diǎn), 成爲主(zhu)要勵磁(cí)方式之(zhi)一。在低(dī)頻🌈勵磁(cí)方式下(xia), 其幹擾(rao)主要表(biǎo)現爲: 由(you)勵磁電(dian)流🤞突變(biàn)産生的(de)微分幹(gan)擾信号(hào)[ 1] 。理想勵(li)磁🌍磁場(chang)信号爲(wèi)低頻矩(jǔ)形波, 實(shí)際上🤞随(sui)着勵磁(ci)電流變(bian)化✌️ ( dI /dt)在磁(ci)場上🐕産(chǎn)生微分(fèn)幹擾信(xìn)号, 随着(zhe)🈲電流的(de)穩定, 幹(gan)擾信号(hao)随⭐之消(xiao)失, 因此(ci)同步采(cǎi)樣技術(shù)可以有(yǒu)效抑制(zhì)微分幹(gan)👣擾信号(hào)。實✍️際設(shè)計中, 模(mó)數轉化(hua)器使用(yong) AD 公司的(de) 24位 Sigma Delta模數(shu)轉化器(qì) AD7714。 AD7714 可以分(fen)别💃🏻采用(yòng)硬件和(hé)軟件方(fang)🔞式進行(háng)采樣開(kai)始時間(jian)控制, 從(cóng)而實現(xiàn)同步采(cai)樣。采用(yong)軟件方(fang)式時, 當(dang)控制寄(ji)存器中(zhōng)FSYNC位爲邏(luo)輯 1時, 模(mo)數轉換(huan)器處于(yu)複位狀(zhuang)态✔️; 向該(gāi)位寫邏(luo)輯 0時, 器(qi)件開始(shǐ)采樣輸(shū)入信号(hao)。在應用(yòng)中,低頻(pín)勵磁信(xìn)号由 M SP430單(dan)片機内(nèi)部定時(shí)器産生(shēng), 同時産(chǎn)生采樣(yang)信号。如(ru)圖 1所示(shì), 采樣開(kāi)始時間(jiān)滞後勵(li)磁信🈲号(hao)14 個周期(qi)。
1. 2 工頻串(chuan)模幹擾(rǎo)産生機(jī)理及對(duì)策
    在電(diàn)磁流量(liàng)計的工(gōng)作現場(chǎng)存在大(da)量工頻(pín)信号, 疊(die)🛀加在勵(li)磁回路(lù)、 電極、 前(qián)端放大(dà)器的工(gōng)頻幹擾(rao)噪聲對(dui)流量的(de)🏃🏻準确測(cè)量造成(cheng)極大影(ying)響。其中(zhōng)輻射耦(ǒu)合到勵(li)磁🐪回路(lu)的工頻(pin)輻射磁(cí)場 (包括(kuo)其諧波(bō) )造成勵(li)磁磁場(chǎng)波動,影(ying)響流量(liang)測量。

    當(dang)流體流(liu)速較小(xiao)時, 工頻(pín)幹擾信(xin)号與有(you)效流量(liang)信号在(zai)同一數(shu)🔞量級, 嚴(yan)重影響(xiang)測量結(jié)果。已知(zhi)工頻耦(ou)合噪聲(sheng)基波頻(pin)率爲💚 50 Hz , 因(yīn)此可以(yi)采用模(mó)拟或數(shù)字濾波(bo)器使🤟濾(lü)波器帶(dai)寬限🏒制(zhì)在 50 Hz以内(nei)以抑制(zhì)噪聲。在(zai)實際應(yīng)用中🌍使(shi)用 Sigma Delta模數(shù)轉換器(qi) AD7714内部包(bao)含的數(shù)字濾波(bo)模塊, 數(shù)字濾波(bō)器相對(duì)模拟濾(lǜ)波器除(chú)具有靈(ling)活性高(gao)、參數設(shè)置方♉便(bian)等特點(diǎn)之外,還(hai)可以降(jiàng)低 A /D 轉換(huàn)期間引(yin)入的噪(zào)聲。AD7714數📧字(zi)濾波器(qì)爲 ( sinx /x )3低通(tong)濾波器(qi), 其在頻(pin)域的傳(chuan)遞函數(shu)爲:

式中(zhōng): fs爲采樣(yàng)頻率; AD7714采(cǎi)樣頻率(lü)爲 1912 kHz ; N爲濾(lǜ)波采樣(yang)個數; f 爲(wei)數🤩字濾(lü)波器響(xiang)應頻率(lü)。通過設(she)定濾波(bo)采樣個(gè)數可以(yǐ)改變數(shù)字濾👣波(bō)器的截(jié)止頻率(lü)和一次(ci)陷波頻(pin)率。在本(ben)設計中(zhong)綜合考(kao)慮模數(shu)轉換速(su)度和去(qù)除噪聲(shēng)性能, 設(she)置 N 值使(shǐ)濾波器(qi)截止頻(pín)👉率爲 50 Hz, 濾(lü)波器頻(pín)域響應(ying)如圖 2所(suǒ)示, 濾波(bo)器對工(gōng)頻 50 Hz及其(qí)偶次諧(xié)波有很(hen)好💃的抑(yì)制作用(yòng)。

    除使用(yòng)數字濾(lü)波器外(wai), 在 A /D輸入(ru)端設置(zhì) RC模拟低(di)通濾波(bō)器還可(kě)以👄帶來(lái)其他作(zuo)用。在實(shí)際測量(liang)觀察到(dao)的流量(liang)信号👌中(zhong)存😘在尖(jian)脈沖噪(zao)聲, 可能(neng)使模數(shu)轉換器(qi)飽和, 導(dǎo)緻數字(zi)濾波器(qi)失效, 使(shǐ)用模拟(nǐ)濾波器(qì)可以🔆提(ti)前剔除(chu)這些信(xìn)号。
1. 3 共模(mo)幹擾、 串(chuàn)擾産生(shēng)機理及(ji)對策
    共(gòng)模幹擾(rao)的産生(sheng)主要是(shi)由于電(dian)磁屏蔽(bi)缺陷、接(jiē)地不良(liáng)🙇‍♀️、雜散電(dian)容等引(yin)起返回(huí)電流不(bu)平衡。共(gong)模幹擾(rǎo)可能導(dao)緻電路(lù)❌某些參(cān)考電位(wèi)變化, 是(shì)造成電(diàn)磁流量(liàng)計零點(dian)漂移的(de)原因🌍之(zhi)一; 同時(shí)共模💋信(xin)号産生(sheng)很高的(de)輻射電(dian)場使電(dian)路的電(dian)磁兼容(rong)性惡化(huà)。串擾是(shi)👨‍❤️‍👨由于印(yìn)刷電路(lu)闆設計(jì)電磁兼(jiān)容性考(kǎo)🏃慮不足(zu)造成🌐信(xìn)号質量(liang)下降, 特(te)别是高(gāo)速走線(xian)和模拟(nǐ)電路易(yi)受到影(ying)響。對由(yóu)共模🏃‍♀️幹(gan)擾信号(hao)導緻的(de)參考電(diàn)位變化(huà), 應🐆用中(zhong)流量電(diàn)壓采用(yong)差分形(xing)式, 通過(guo)雙絞線(xian)送入放(fang)大器, 前(qián)端放大(dà)器選用(yòng)高共模(mó)抑制比(bǐ)、 低漂移(yí)、 高輸入(rù)阻抗的(de)運放, 可(kě)以有效(xiao)抑制共(gòng)模幹擾(rǎo)。
    此外, 電(diàn)磁流量(liàng)計電路(lu)闆設計(jì)符合電(diàn)磁兼容(rong)性要求(qiú)🛀🏻降低串(chuàn)擾🔴對信(xin)号的影(ying)響: 使用(yong)滿足功(gong)能要求(qiú)的☀️速率(lǜ)盡可能(néng)低的邏(luo)🍓輯器⛹🏻‍♀️件(jian)。選用在(zai)邏輯狀(zhuang)态變換(huàn)♈過程中(zhōng)輸入電(diàn)流消耗(hao)更小的(de)㊙️元件。盡(jìn)可能選(xuǎn)擇表面(miàn)封裝的(de)🈲元器件(jiàn)。合理安(ān)排元件(jian)布局, 模(mo)🈲拟與數(shu)字部分(fèn)隔離,防(fáng)✍️止數字(zì)信号🙇🏻影(ying)響模拟(ni)信号。适(shi)當配置(zhì)☁️去耦電(diàn)容, 選擇(ze)合适的(de)電容容(róng)量, 去耦(ǒu)電容盡(jin)🤟量靠近(jin)元器件(jian)。對于敏(min)感信号(hao)回路, 如(ru)時鍾信(xìn)号、模拟(ni)輸入信(xin)号嚴格(ge)控制回(hui)🔞路面積(jī)。鋪設地(dì)平面提(ti)供低阻(zǔ)抗信号(hao)回路, 加(jia)強屏蔽(bi)效果。
1. 4 其(qí)他幹擾(rǎo)對策
    電(dian)化學極(ji)化電動(dòng)勢幹擾(rǎo)是被測(cè)液體中(zhōng)電解質(zhì)在感✏️應(yīng)電場作(zuo)❄️用下在(zài)電極表(biǎo)面極化(hua)産生的(de), 是電磁(cí)流量計(jì)零點漂(piāo)移的主(zhu)要原因(yin)之一。采(cǎi)用交流(liú)勵磁🐉方(fang)式可以(yǐ)有效地(dì)減小👌極(ji)化電動(dòng)勢, 此外(wài)在應用(yòng)中微處(chu)理器🔴運(yùn)算時将(jiāng)兩次流(liu)量電壓(yā)采樣🈲值(zhí)相減, 這(zhè)樣不但(dàn)可以減(jiǎn)小極化(hua)電動勢(shi), 而且可(kě)以補償(chang)由共模(mo)幹擾帶(dai)來的🔞零(líng)點漂移(yí)。
    泥漿幹(gàn)擾是在(zài)測量泥(ní)漿、纖維(wéi)漿等固(gù)液兩相(xiang)特性液(ye)體時, 固(gu)體顆粒(li)或者氣(qì)泡與電(dian)極發生(shēng)摩擦, 在(zài)電極表(biǎo)面的電(diàn)化學電(diàn)動勢突(tu)然變化(hua), 電磁流(liu)量計傳(chuan)感器 輸(shū)出信号(hào)輸出尖(jian)峰脈沖(chong)狀幹擾(rǎo)。在低頻(pín)勵磁情(qing)況下, 泥(ní)漿👈幹擾(rao)産生的(de)尖脈沖(chòng)數量級(ji)大, 極大(dà)地影響(xiang)流量的(de)準确測(ce)量,在實(shi)際設計(ji)中,采用(yòng)多種信(xìn)号處理(li)混合方(fāng)式抑制(zhi)噪聲,信(xìn)号處㊙️理(lǐ)原理如(rú)圖 3所示(shì)。

    流量計(jì) 正常運(yun)行時,尖(jiān)峰脈沖(chong)噪聲出(chū)現的概(gai)率小,被(bèi)測液🚶‍♀️體(ti)流速👣不(bu)會❤️在短(duan)時間内(nèi)變化,基(ji)于以上(shang)特性,對(duì)流量信(xin)号進🚶‍♀️行(hang)限🐇幅濾(lǜ)波處理(lǐ): 當前輸(shū)入信号(hào)相對上(shang)周期輸(shū)入信号(hao)超出噪(zào)聲容限(xiàn)範圍, 該(gai)信号被(bei)認爲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻是(shì)噪聲信(xin)✊号,不再(zài)進一步(bu)計算。滑(huá)動平均(jun1)濾波是(shi)處👈理流(liu)量信号(hao)🎯經常采(cǎi)用的信(xìn)号處理(li)辦法,可(ke)以有效(xiao)降低采(cǎi)樣誤差(chà); 滑動平(píng)均濾波(bo)函數的(de)脈沖響(xiang)應時間(jian)是受滑(huá)動窗口(kǒu)數控制(zhì)的, 如果(guǒ)能動态(tai)調整窗(chuang)口數目(mù),那麽響(xiang)應速度(du)😘就會大(dà)大提高(gāo);在💋應用(yòng)中使用(yòng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻改進的(de)滑動平(píng)均濾波(bo)函數,通(tong)過響應(yīng)時間控(kòng)制器控(kong)制滑動(dong)窗口數(shu),當響應(ying)時間超(chao)過設定(ding)值時,将(jiang)窗😍口數(shù)設置爲(wèi)1,使輸出(chū)信号迅(xùn)💁速變化(hua),獲得較(jiao)好的動(dong)态性🌐能(neng)。

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