摘要:电磁流量计是一种应用广泛的测量导电液体体积流量的仪表。测量时,金属电极与电解质会发生电化学反应,产生极化噪声。极化噪声幅值远高于流量信号幅值,使电极输出信号信噪比较低;极化噪声存在漂移的现象,会影响电磁流量计变送器的信号调理工作,限制电路的放大倍数,增加ADC采样位数电路成本、功耗等。对此,提出了一种基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方案，设计了相应的信号调理电路,通过硬件电路实时提取和抵消极化噪声极大地提高了电极输出信号信噪比。通过试验,验证了该方案不但能有效滤除极化噪声,而且能提高信号调理电路的放大倍数、减少ADC的采样位数减少电路的成本和功耗。
0引言
电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律测量导电液体体积流量的仪表,广泛应用于石油、化工、冶金、造纸等行业。信号测量时,传感器电极拾取流量信号和噪声信号。流量信号幅值一.般为几十到数百微伏。而噪声信号中的极化噪声存在漂移的现象,幅值一般在几毫伏到数百毫伏区间变化,也有可能达到数伏"。两者幅值的巨大差异以及极化噪声无法通过良好的接地或者改变励磁的方式消除,极大地影响了信噪比。
为了提高电磁流量计传感器输出信号的信噪比，目前，国内外主要有四种解决方案。
①极化噪声补偿的方案。根据极化噪声缓慢变化的特点,采用不励磁时段极化噪声来补偿励磁时段的极化噪声。但是,由于极化噪声的不规律性,会导致电磁流量计的零点较差。
②低通滤波反馈的方案[2]。根据极化噪声所处的频带略低于流量信号的特点,采用一阶低通滤波器提取极化噪声,并进行反馈补偿。但是,低通滤波器的过渡带很宽,会使流量信号出现畸变的现象。因此，该方案被用在瞬态励磁中,尚未应用于商用仪表。
③采用精度高的模数转换器(analogtodigitalconverter,ADC)的方案。利用32位精度高的模数转换器直接采集信号,然后通过数字信号处理方法提取出流量信号。但该方案增加了程序的复杂性。同时,精度高的模数转换器的分辨率与采样率成反比。因此，.为了保证较高的分辨率,只能使用很低的励磁频率。
④阈值控制的偏置调节方法”。当信号超过设定的阈值时,数字信号处理器(digitalsignalprocessor,DSP)控制数模转换器(digitaltoanalogconverter,DAC)模块输出偏置调节电压,将传感器输出信号调整到0附近。但这种调节方法会使流量信号产生一个跳变，对后续的梳状带通滤波造成影响,导致输出信号出现间断性错误。
为此,极化噪声产生的具体原因及分布特性,提出前馈控制的自适应极化噪声抵消方案。基于该方案，电磁流量计变送器中的信号调理电路;并用调理电路替换课题组研制的电磁流量计变送器中的调理电路,形成一套完整的电磁流量计变送器,进行验证试验。
1噪声分析
极化噪声主要源于电极与电解质的电化学反应。金属电极带电的正离子逐渐溶解于所测量的电解质流体,自身带负电荷,致使电解质流体中的正负电荷中心发生相对位移,形成复杂的电解双层结构。双电层之间产生-一个电场,从而在电解质流体和电极之间形成电位差。这个电位差就是极化电势。若两电极结构完全相同,则极化电势会相互抵消。但由于两电极表面的结构差异,极化电势会由共模电压转为差模电压,并耦合在信号.上。该极化电势被认为是直流分量[1,460而且,电极表面上的灰尘或放电离子等沉积物会随着时间的推移缓慢累积。当有流动的电解质流体出现或电解质流体流速发生变化时,这些累积的沉积物会被慢慢撕开。在这一-过程中,极化电势大小会发生随机变化,形成漂移的极化电压”。极化电压的大小在一定程度上取决于电极的制作材料和所测量的电解质流体的性质;同时,也受温度的影响。
为了研究极化噪声的特性,研制了对电极输出信号进行放大和高频滤波的信号调理电路1。配合原有的变送器,针对口径为40mm的电磁流量传感器,采集滤除高频且放大的电极输出信号,并进行频谱分析。其中,励磁频率为12.5Hz,水流量为20m'/h,采样频率为1500Hz,采样时间为200s。信号调理电路1输出信号及频谱如图1所示。
观察信号调理电路的输出信号可以发现:电极输出信号经过信号调理电路放大后存在严重的漂移现象,信号累积的漂移量达到了1.2V,远大于70mV左右的流量信号(流速为1m/s信号幅值约为100μV,流量为20m/h时流速为4.44m/s,信号幅值约为444μV,放大170倍后约为75.5mV;70mV为观测结果)。而该结果仅仅是将电极输出信号放大了170倍。当放大倍数更大时,如果任由电极输出信号发生漂移,那么放大器输出信号很可能达到饱和,ADC的供电电压会达到5V,导致ADC无法正常工作。
为了观察流量信号与极化噪声的频段分布,将290000点信号去均值后,从4096点开始，等距取60段,每段4096点,分别作4096点的快速傅里叶变换(fastFouriertransform,FFT),并求出其平均幅值谱,如图1(b)所示。由图1(b)可以看出:极化噪声以直流噪声为主,主要分布于零频附近的低频区域,几乎不与流量信号频段重叠。当励磁频率为2.5~5Hz'[8]，可以用一个过渡带特性较陡的高阶低通滤波器来提取极化噪声。
2极化噪声抵消方案
2.1抵消原理
根据极化噪声的特性,同时考虑到硬件系统处理噪声更具实时性与可靠性,提出一种基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方案,并用硬件实现。噪声抵消方法原理如图2所示。
最后,在软件中通过梳状带通滤波和幅值解调等信号处理方法,滤除工频干扰和微分干扰，就可以得到流速值。
2.2.硬件电路研制
根据前馈控制的自适应极化噪声抵消原理,设计了信号调理电路2,以实现极化噪声的滤除。信号调理电路2主要包括前置差分放大电路、极化噪声提取与抵消电路、低通滤波放大电路三部分。调理电路如图3所示。
①前置差分放大电路。
前置差分放大电路主要实现信号的放大和共模噪声的抑制。电路采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失调漂移、低增益漂移的精密仪用放大器。前置差分放大电路如图4所示。.
前置差分放大电路设计时要考虑后级电路电压匹配的问题。下级电路芯片供电电压为+5V,而前置差分放大电路输出信号存在负电压。因此,需要加入直流基准。电极输出信号中流量信号及其他噪声幅值远小于极化噪声幅值。由于检测到的电极输出信号中极化噪声幅值最大为+200mV，电路放大4.1倍,那么放大器输出的极化噪声幅值最大也只有+820mV。而电路直接加入了2.5V的参考电压，足以将前置差分放大电路输出信号由双极性转为单极性。
②极化噪声提取与抵消电路。
极化噪声提取与抵消电路是为了实现极化噪声的提取、抵消和流量信号的放大。电路分为极化噪声提取电路和噪声抵消与放大电路,分别由八阶巴特沃斯低通滤波器和精密仪用放大器构成。
极化噪声提取电路通过八阶巴特沃斯低通滤波器来提取极化噪声。此低通滤波器过渡带非常窄,其截止频率f。的大小可以通过外接电容在1Hz~2kHz之间调节。当fiw=2f。时,信号增益为-48dB,输出信号衰减为原信号的1/251。当fw=3f时,信号增益为-76dB,输出信号衰减为原信号的1/6310。如设置f。=1Hz,那么输出信号中完整保留1Hz及以下频段的信号,1~3Hz内的信号出现不同程度衰减,3Hz及以上信号被完全衰减。由此就可以通过该八阶低频滤波器滤除励磁频率12.5Hz(6.25Hz.3.125Hz)及以上频段的信号,精确提取出极化噪声。
噪声抵消与放大电路中,采用前置差分放大后的电极输出信号减去低通滤波器提取的极化噪声,以实现极化噪声的自适应抵消。此时,经过噪声抵消后的信号中只含有流量信号和高频噪声,而且高频噪声幅值小于流量信号幅值,因此可以通过放大器实现信号的更高倍数放大。以口径为40mm的电磁流量传感器为例:当流速为5m/s时,检测到流量信号峰峰值为1mV;以10m/s为流速上限，则流量信号峰峰值最大为2mV。由于ADC采用5V供电,考虑到芯片性能等因素,不可能将流量信号完全放大到芯片供电电压范围。对此,将信号最大放大到+4V,那么信号调理电路最大放大倍数可达4000倍。扣除前置放大4.1倍,那么后两级电路最大可放大975倍。
③低通滤波放大电路。
低通滤波放大电路的主要目的是实现高频噪声的滤除。
电极输出信号经过自适应极化噪声抵消后,除了12.5Hz(6.25Hz3.125Hz)的流量信号外，还存在高频噪声。高频噪声进人ADC后,可能会造成信号的混叠。所以,需要采用低通滤波器来滤除高频噪声。
低通滤波放大电路如图6所示，
低通滤波放大电路采用两级二阶巴特沃斯低通滤波器级联来构成四阶低通滤波器,其放大倍数为10.9倍。考虑到能更多地保留流量信号的谐波，设置滤波器截止频率为1.5kHz。
3验证试验
为了验证基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方法的效果,设计了信号调理电路2,并替换本课题组研制的电磁流量变送器中的信号调理电路;再匹配电磁流量传感器,组成了一个完整的基于数字信号处理器(digitalsignalprocessor,DSP)的电磁流量计[8-0,。在容积法水流量标定装置上进行了信号调理电路滤波试验、电磁流量计水流量标定试验和降ADC位数试验。
3.1试验装置
试验装置由水流量标定装置和数据采集系统组成,如图7所示。
图7中:水流量标定装置的不确定度为0.2%,电磁流量传感器口径为40mm,电磁流量变送器的励磁频率为12.5Hz。信号调理电路放大倍数和ADC位数可调:在信号调理电路滤波试验和电磁流量计水流量标定试验中放大倍数为340倍,ADC位数为24位;在降ADC位数试验中放大倍数为3500倍,取24位ADC的高14位来模拟16位ADC。
3.2信号调理电路滤波试验
为验证基于自适应极化噪声抵消方法的信号调理电路对极化噪声的消除效果,在信号调理电路2输人信号不断发生漂移的情况下(如图1(a)中情况),通过上位机(采样频率1500Hz,采样时长200s)采集流速为5m/s(流速越大,极化噪声幅值越大)的信号调理电路2输出信号,并对其进行了频谱分析。
信号调理电路2输出信号及频谱图如图8所示。
观察信号调理电路2输出信号,发现经过自适应极化噪声抵消后,信号平稳分布于零点上下,基本不存在漂移的现象,如图8(a)所示。
信号频谱分析方法与图1(b)噪声分析时的相同,即将290000点信号去基准后,从4096点开始，等间距取60段,每段4096点,再分别作4096点FFT,最后求出其平均幅值谱,如图8(b)所示。根据频谱图可以发现:经过自适应极化噪声抵消后信号调理电路2输出信号中基本不存在极化噪声,只存在12.5Hz的流量信号。由此说明,基于前馈控制的自适应极化噪声抵消电路能有效滤除电极输出信号中的极化噪声。
3.3电磁流量计水流量标定试验
为了测试基于自适应极化噪声抵消方法的信号调理电路2的实际效果,进行了容积法水流量标定试验。标定试验中,在流速为0.15~5m/s的范围内，共选取了6个标定点,并通过示值误差拟合方法计算仪表系数"],然后验证了电磁流量计的精度。放大340倍24位ADC水流量标定试验结果如表1所示。
由表1可知:在流速为0.5~5m/s的范围内,电磁流量计的最大测量误差都在+0.3%以内,重复性误差均在0.1%以内,满足0.3级电磁流量计要求。该结果说明,采用该信号调理电路的基于DSP的电磁流量计具有很好的测量精度。同时,与放大倍数为180倍的电磁流量计相比，该设计提高了流量信号的放大倍数,可以实现更低流量的测量,即可以采用该方法来拓宽电磁流量计的测量下限。
3.4降ADC位数试验
当电路放大倍数较大时，流量信号幅值相应较高,对ADC分辨率的要求降低,这样就可以采用位数较低的ADC来实现信号的测量。同时，降低ADC位数也将降低电路的成本。所以,通过改变电路的放大倍数和ADC采样位数，并采用水流量标定试验进行验证。
电极输出信号经过自适应极化噪声抵消后,信号调理电路2最大放大倍数可达4000倍。所以,可将信号调理电路2的放大倍数由340倍提高至3500倍。普通DN40的电磁流量传感器流速测量下限为0.5m/s,通过上位机采集了放大3500倍的信号,发.现流速0.5m/s时信号峰峰值约为346.7mV,而测量电压范围为+5V的16位ADC的分辨率为153μV,足以识别信号。所以,采用了16位ADC。16位ADC有效位数-一般在14~16位。为了方便在同等条件下验证效果,不再重新设计电路,而是在标定时取原有24位ADC的高14位来模拟16位ADC的效果。
在流速为0.5~5m/s的范围内，共选取了5个标定点,并通过示值误差拟合方法计算出仪表系数。然后,验证电磁流量计的精度。放大3500倍、16位ADC水流量标定试验结果如表2所示。
由表2可知:在流速为0.5~5m/s的范围内,电磁流量计的最大测量误差都在+0.3%以内,重复性误差均在0.1%以内,满足0.3级电磁流量计要求。这说明提出的基于硬件系统前馈控制的自适应极化噪声抵消方法能有效抵消极化噪声,可以将信号放大较高的倍数,从而有效降低ADC的采样位数,并减少成本。另外，滤除极化噪声后,放大的电极输出信号幅值在电路中不会超过+5V。这样就可以将电路中芯片的供电电压降至+5V,以减小电路功耗。
4结论
极化噪声幅值远高于流量信号幅值,会造成电极输出信号信噪比较低;同时，极化噪声的漂移会限制电路的放大倍数,增加了ADC采样位数、电路成本、功耗等。针对这些问题,通过对电极输出信号采集与频谱分析,研究了极化噪声的分布特性,发现漂移的极化噪声主要分布于零频附近的低频区域,基本不与信号频段重叠。
根据极化噪声的分布特性,提出了一种基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方案,并用硬件系统实现。前置差分放大后的电极输出信号经过一一个八阶低通滤波器,提取出其中的极化噪声;然后以极化噪声作为前馈量,经过下级放大器,用差分放大后的电极输出信号减去极化噪声,以此实现极化噪声的自适应抵消。
为验证该方案的实际效果,设计了信号调理电路2,配合课题组原有的变送器及DN40传感器，在容积法水流量标定装置上进行了试验。信号调理电路滤波试验结果表明,该系统能够有效消除电极输出信号中的极化噪声。电磁流量计水流量标定试验结果表明,当信号调理电路放大340倍、ADC为24位时,在流速为0.5~5m/s的范围内，流量计的精度为0.3级。这说明采用自适应极化噪声抵消方法的信号调理电路2能够满足实际测量要求，且提高信号放大倍数可以实现更低流量的测量。降ADC位数试验结果表明,将信号调理电路放大倍数提高至3500倍,同时用24位ADC的高14位来模拟16位ADC,在流速为0.5~5m/s的范围内,流量计的精度可达0.3级。这说明基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方法可以将信号放大较高的倍数,从而有效降低ADC的采样位数、芯片供电电压，以及电路成本和功耗。
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