電磁流量計(jì)是一種測量導(dǎo)電液體體積流量的感應(yīng)式儀表,以法拉第電磁感應(yīng)定律為zui基本的理論依據(jù)。民有很多突出的優(yōu)點(diǎn),如:無可動(dòng)部件,不會(huì)產(chǎn)生壓力損失和堵塞管道;測量原理為線性、精度高、測量范圍大;耐腐蝕性好并且可測量正反流速等。現(xiàn)在電磁流量計(jì)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟。大口徑(≥1m)電磁流量計(jì)流量的標(biāo)定和小口徑(3~80m)電磁流量計(jì)的測量精度是該行業(yè)主要的研究方向。在實(shí)際測量中,干擾信號(hào)與有用的信號(hào)混在一起,它們不僅成分復(fù)雜,而且有時(shí)干擾信號(hào)還會(huì)比流量信號(hào)大。在這種情況下怎樣抑制和排除這些干擾,提高信噪比就成了研制和使用電磁流量計(jì)的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。
由于勵(lì)磁磁場的突變會(huì)產(chǎn)生一些非常復(fù)雜的干擾,其中同相干擾與正交干擾為電磁流量計(jì)的主要干擾。去除正交干擾可以采用如下兩種方法:一種是人為地造成一個(gè)與正交干擾幅值相同的信號(hào),用此信號(hào)與于擾信號(hào)相互抵消;另一種是讓引出線組成的閉合回路在磁場交鏈的磁通所形成的電流之代數(shù)和為零。**種方法會(huì)引人新的干擾,去除干擾效果不理想,第二種方法在小口徑電磁流量計(jì)(DN3mm~DN80mm)范圍內(nèi)難于實(shí)現(xiàn)。筆者提出了一種有效消除干擾的方法:對流量計(jì)電極間信號(hào)建立數(shù)學(xué)模型,并對模型處理,可以將干擾信號(hào)與流量信號(hào)分離,為消除干擾提供了方便。下面主要討論這種方法。
本文主要研究在正弦波勵(lì)磁方式下電磁流量計(jì)各種干擾的解決方法。在實(shí)際應(yīng)用中,流量計(jì)電極間信號(hào)都摻雜有大量的干擾信號(hào):微分干擾、同相干擾、共模干擾和串模干擾等。以上信號(hào)都是由相對獨(dú)立的信號(hào)源產(chǎn)生。將這些信號(hào)物理疊加起來列出公式如下：
式中,E為流量計(jì)電極間信號(hào);Es為水流切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢;E’為各項(xiàng)干擾電動(dòng)勢,包括微分干擾ew同相干擾et,、共模干擾ec、串模干擾ed和其他干擾eq;B為磁場強(qiáng)度;D為流管直徑;v為水流速度。
共模干擾ec和串模干擾ed是電磁流量計(jì)附近的電磁干擾和靜電干擾產(chǎn)生的,可以通過靜電屏蔽和良好的接地加以抑止,其他干擾eq包括直流極化電壓和些微小干擾。直流極化電壓可通過提高勵(lì)磁頻率加以克服,所以做好這些干擾的抗干擾措施后,可以把式(1)簡化為：
在正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)中,兩電極的引線處于交變磁場中。流量計(jì)管內(nèi)沒有水流速度,電磁流量計(jì)的勵(lì)磁線圈通入正弦波電流時(shí),在引線的閉合回路內(nèi)就產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢,即微分干擾和同相干擾電勢。
微分干擾電動(dòng)勢可以用磁場對時(shí)間的一次微分表示,同相干擾電動(dòng)勢可以用磁場對時(shí)間的二次微分來描述。微分干擾和同相干擾與磁場強(qiáng)度B的關(guān)系式如下：
在正弦波勵(lì)磁方式下,假定勵(lì)磁電流為I=Imsinωt,其中ω=2πf,流量計(jì)的勵(lì)磁磁場強(qiáng)度B和勵(lì)磁電流相位相同,所以得到公式為B= Bmsinωt。將此公式帶入式(3)和式(4)可得
將式(5)和式(6)代入式(1),用已知量表示流量計(jì)電極間信號(hào)E得到式(7)如下
式(7)中,( BmDvsinωt)項(xiàng)為水流切割管內(nèi)磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢;磁場強(qiáng)度Bm、管內(nèi)直徑D和ω都是已知量;v為要求的水流速度;[2πf Bmcosωt-(2πf)²•Bm sinωt]項(xiàng)為干擾電動(dòng)勢。由于信號(hào)構(gòu)成存在差異,所以去除干擾信號(hào)的方法有很多種。例如:干擾信號(hào)與流量信號(hào)存在90°的相位差,可以用相敏檢波的方法去除干擾信號(hào);干擾信號(hào)與流量信號(hào)頻率不同時(shí)可以用帶通濾波、帶阻濾波、高通濾波和低通濾波的方法。從式(7)中可以看出:流量計(jì)的干擾信號(hào)與流量信號(hào)都是交流信號(hào),頻率相同但相位差不同。上面提到的方法不能完全去除此流量計(jì)的干擾,所以筆者采用如下方法,將流量計(jì)電極間信號(hào)E與勵(lì)磁電壓信號(hào)U相乘處理,得到電壓U0如下式：
信號(hào)經(jīng)過處理之后得到的信號(hào)U0是由兩部分構(gòu)成,直流分量[(UmBmDv)/2]-[(UmBmωt)/2]和交流分量UmBmωsin (2ωt)/2-UmBmDv*cos(2ωt)/2+UmBmω²*cos(2ωt)微分干擾電壓形成后被轉(zhuǎn)化成頻率為2ω交流成分)。由上式可知直流分量與水流速度成線性關(guān)系,其中的-(UmBmω²)/2將決定系統(tǒng)的零點(diǎn)。交流分量的頻率為勵(lì)磁頻率2倍。對電壓信號(hào)U0進(jìn)行濾波,濾除交流信號(hào)得到的直流信號(hào)輸入到A/D進(jìn)行采樣,再輸入給MCU經(jīng)過編程處理,zui后由液晶顯示出流量計(jì)的流量值。下面是用實(shí)際電路對本方法進(jìn)行驗(yàn)證。
2、實(shí)際電路對理論驗(yàn)證
將上述的理論分析應(yīng)用到實(shí)際電路中,主要用到的器件是乘法器,電路中選擇的乘法器是TI公司的MPY100A,此芯片的優(yōu)點(diǎn):①差模輸入抑制有害的共模信號(hào)(溫度、電源電壓等的變化引起的零點(diǎn)漂移和其
他干擾信號(hào)都可以視作共模信號(hào));②輸人補(bǔ)償電壓值Z2可以用來對系統(tǒng)調(diào)零。硬件電路圖如圖1所示。
MPY100A的輸出公式為U’0=[X1-X2)(Y1-Y2)]/10+Z2,如圖1所示,X2和Y2相連并接地這樣使得E和U有相同的參考信號(hào)減小了外部干擾的引人,X1和Y1相乘減小了10倍,零點(diǎn)補(bǔ)償電壓(-UmBmω²)x(-1/10)=UmBmω²輸人給Z2,這樣zui后的U’0為
由式(8)可以看出信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理之后得到U'0,交流部分[UmBmω*sin(2ωt)/2]-[UmBmDv*cos(2ωt)]+[UmBm ω ² cos(2ωt)/2]可經(jīng)過低通濾波器濾除,直流部分UmBm Dv/2經(jīng)過放大后直接輸人MCU進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)顯示出來。
下面是電磁流量計(jì)口徑為5mm,水流速度約為2~18m/s,這里實(shí)際流量是通過容量法測量的。經(jīng)過采樣取32組數(shù)據(jù)做出曲線圖如圖2所示。
測量流量值α是用傳統(tǒng)正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)測量得到的數(shù)據(jù)曲線,測量流量值b是用本文中信號(hào)處理方法設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)測量得到的數(shù)據(jù)曲線。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可以知,用傳統(tǒng)的正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)測
得的流量值的零點(diǎn)漂移很大,誤差范圍為±0.2%,而用本文信號(hào)處理方法設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)測得的數(shù)據(jù)曲線與實(shí)際流量信號(hào)的曲線相似度很高,此方法的測量誤差范圍為±0.15%。
3、結(jié)束語
對正弦波勵(lì)磁基礎(chǔ)上電磁流量計(jì)極間電動(dòng)勢信號(hào)做了理論分析,提出了把極間信號(hào)與勵(lì)磁信號(hào)進(jìn)行相乘變換的方式來提取流速信息、完成信號(hào)處理,有效地指導(dǎo)了新型電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)的研制。成功地研制出了基于乘法原理的新型電磁流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng),將理論在電路上得以實(shí)現(xiàn),對正弦波勵(lì)磁下的信號(hào)處理方式做了創(chuàng)新。不僅對理論上的分析做了實(shí)踐的證明,說明了筆者分析的正確性,而且對進(jìn)一步改進(jìn)流量計(jì)性能提供了參考和依據(jù)。
根據(jù)在建模與分析中遇到的困難以及當(dāng)前電磁流量計(jì)的現(xiàn)狀,對今后的研究工作提出以下建議和改進(jìn)
①筆者是采用硬件乘法器來實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的相乘,這必將受到乘法器精度、速度等性能的影響,而且硬件乘法器的價(jià)格很高,增加了設(shè)計(jì)成本。所以可以考慮兩路信號(hào)都采用數(shù)字同步采樣再經(jīng)過軟件相乘的方式來實(shí)現(xiàn),這樣既降低了成本,對性能也將有所改善。
②在正弦波勵(lì)磁方式下,也可采用其他的信號(hào)處理方法。如對傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,結(jié)合HHT和FFT等算法,從干擾信號(hào)頻率入手,更加有針對性地消除干擾成分,提高了信號(hào)的信噪比。
上一條：
電磁流量計(jì)輸出波動(dòng)原因分析和處理
下一條：
一種大口徑電磁流量計(jì)在線校準(zhǔn)的方法
