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  时间:2022-11-30 08:22:35

电磁流量测量中微弱信号处理

一、信号检测与采样方法
  电磁流量传感器的小流量信号非常微弱,尤其在需要电池供电而受到功耗限制的情况下,往往低至几μV甚至1μV以下。为了将流量信号从环境噪音与测量电极的极化电势中分离出来,必须要采用有效的信号检测电路与数据采样方法。因此,本文采用并联同相差动放大电路,并结合具有低偏置电压、低零漂的高性能OP放大器组成放大电路,以获得具有高输入阻抗、高稳定性的前置放大电路,如图1所示。后面连接的基本差动放大电路用来提高共模抑制比,其放大倍数为.
 
  式中:Auf差动电路放大倍数;RF1、RF2一前置放大级OP放大器A1、A2的负反馈电阻;R01一前级输出电阻。
  由于测量电极在被测流体中发生原电池反应,电极上获得的信号不仅包含与流量相关的感应电动势,还有直流极化电势、磁通变化引起的交流噪声等,以及通过各种耦合途径引入环境因素带来的高频噪音。因此,在电极与放大器之间增加了低通滤波器,以减小环境噪声的影响。此外,本文采用的单极性OP放大器,为了防止负半周期的信号丢弃,在滤波器与放大器之间增加偏置电路,将“浮动"的电极信号拉高进行放大。两个放大电路具有对称性,且并联连接,通过单片机控制信号进行切换。
 
  通过单片机对AD转换器相应的引脚进行控制,获得采用的采样方式如图2所示。在电极信号中,除了环境噪音外,还存在直流噪声(极化电势)和交流噪声(磁通变化)。其中,直流噪声由电极与流体接触面的电化学特性决定,不随时间变化,可通过相邻的正半周期与负半周期的采样数据做差来抑制。交流噪声由磁场变化引起,由于励磁脉冲使矩磁材料磁路在极短的时间内完成磁场的反转,磁通变化dp/dt很大,会在电极上产生附加电势,其值在下一个励磁脉冲到来之前随时间衰减。为了减小交流噪声的影响,对电极信号的半周期进行后端采样。
 
二、数据处理方法与结果
  通过电极获取的流量信号仍然参杂着很多干扰信号以及电路自身的噪声信号,经过前述差分放大、滤波、AD转换后获得的数字量中仍含有一.定的干扰。为了进一步净化信号,抑制干扰,需采用一定的数字滤波等计算方法进行处理,算法如图3所示。
 
  图3所示的流程为测量系统采样数据的处理过程,因此未涉及励磁、通信等功能模块。系统对采集的原始数据进行判断,区分电极处于空气、静水或流水等三种不同状态,如图4所示。
 
  根据状态的判断结果,将静水和空气中的数据置0,并传输至液晶屏显示。若是流水状态,则进--步进行流量大小的判定,判定的依据为采样数据的大小。对于小流量数据进行小流滤波对于大流数据进行大流滤波。进行不同流量滤波的原因是针对管路中的流动噪声进行处理。小流量时对采样数据进行算术平均滤波,而大流量时要进行异常数据剔除及加权平均滤波。
 
三、测试结果分析
  经过上述测量方法与数据处理后的DN20管径试验样机测量结果如表1所示。从表中可以看出,在常用流量Q3(4000L/h)内,流量传感器具有很好的流量特性,在R200范围内相对误差≤2%,在R160范围内相对误差≤1%。其流量误差分布如图5所示,在全流量范围内,测量误差全部在MPE(最大允许误差)内。
 
四、结论.
  电磁流量传感器具有明显测量优势,但是信号弱、易受干扰也是必须解决的问题。本文根据被测信号产生的机理与特点,选用并联同相输入差动放大电路进行信号放大,并对采集数据进行数字滤波。根据流量信号的特点,先进行空气、小流量、大流量的状态判断。根据判断结果,选择与状态相适应的数据处理方法,以对不同流量状态下的主要干扰因素进行排除,获得精准的流量数据。试验样机的测量结果验证了本方法的可行性,并为更深入的流量测量研究提供了可借鉴的方法。

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