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  时间:2022-12-12 08:35:54

电磁流量计基波平均值信号处理

摘要:针对电磁流量计测量信号复杂而微弱,导致失真和干扰信号被放大的问题。依据低频矩形波励磁方式下电磁流量计的工作原理和流量与信号的基本关系,提出了一种基波平均值信号预处理方法,经过分析和试验证明可以提高抗干扰能力和动态响应,在量程范围内,测量准确度达到0.25%.
工业计量过程中常用电磁流量计来计量管道液体流量,测量原理是基于法拉第电磁感应定律,随着电磁流量计的发展,励磁方式也得到不断的改进,现行的电磁流量计中,低频矩形波励磁方式是设计人员主要采用的方法.这种励磁周期为工频的整数倍,正负矩形波励磁技术,明显提高了电磁流量计的抗干扰能力和测量精度.但是对信号处理方法的不同,将使电磁流量计的静动态流量测量性能有所差异.理想的信号处理方法应保持基本原理上的纯线性和快速响应特性"
1.一般电磁流量计的信号处理方式
电磁流量计的基本原理如图1所示,理想测量方程为叫
 
式中:C为仪表常数;B为感应磁场强度;D为传感器管逍直径;V为流体流速;
电磁流量计基本原理图示 
式(1)表示电磁流量计产生的感应电动势eab与流体流速V呈线性关系,但在实际的电磁流量计工作过程中发现,感应的电势信号上总是叠加了一系列的干扰信号.这些干扰信号的来源主要有工频干扰:包括串模和共模干扰,数字电路产生的高频干扰;微分噪声,同相噪声,低频有色噪声干扰.电磁流.量计信号处理方式的发展就是围绕克服以上干扰噪声,有效地放大感应信号而发展.
现在很多电磁流量计的信号处理方法采用了电容隔离法,电容隔离法是将零点漂移近似作为直流.处理的一种方法,即通过电容耦合来隔离零点漂移干扰,实现对感应电势信号的提取.放大处理.基本电路如图2.
 
信号通过输人端差动放大器A1,A2抑制共模干扰,经过电容C1,C2耦合后由A3放大K倍,于图3中的T/2时刻前采样保持,经A6放大后,实现输出uo=2Kneab,Ka为整机放大倍数.这种方法结构简单,在电路原理上容易实现,对高频干扰可以起到有效的抑制作用,但是抗干扰能力特别差,信号放大后,输出非常不稳定.主要原因是由于共模干扰的影.响和隔离电容无法隔离零点漂移等并非真正直流的低频分量的影响.因此为了稳定信号值,只有提高采样保持电容C3,C4.参数,对信号处理的输出级加大滤波的时间常数.表面上看仪表的输出稳定了,但却加大了信号对于流体流速变化的响应时间.所以,这种方法一般只适用于励磁周期在8倍以上工频周期.的情况.
电磁流量计励磁及信号波形图示 
在电容隔离法基础上,应用零点漂移法.基线控制法"等信号处理方法都能在一定程度上克服电容隔离法的不足,抑制干扰,提高动态响应速度和线性度.
2基波平均值转换的信号处理方法
如上所述,电容隔离法或补偿电路不能很好解决感应信号失真和干扰信号被放大等问题.经过大量实验和对国外电磁流量计的研究,本文提出一种基波平均值转换的信号处理方法,基于e(t)与峰值、平均值、有效值成正比关系,对信号进行滤波并采用基波平均值处理转换的方法,可以有效提高电.磁流量计抗干扰的能力.结构框图如图4.
 
传感器输出流量信号十分微弱,为几十微伏的交流信号,并叠加了多种频率的噪声干扰,表示为
 
式中,前两项为信号基波和谐波,后四项为干扰噪声(包括零均值噪声、共模噪声、微分噪声、同相干扰).
信号是对称方波脉冲形式,幅值为几十微伏,脉冲宽度50ms,周期200ms,脉冲占空比为0.5,整机放大倍数2200倍.信号预处理电路为带通滤波器,主要消除谐波和零均值噪声.式(2)中微分噪声在一定的流体介质下,产生的误差为系统误
差,可以由信号调理电路末级的微分噪声补偿电路校准去除。可以忽略。共模干扰虽然可以通过提高电路的共模抑制比来消除,但实际上由于元器件的温度系数分散性较大,因此不可能使共模放大倍数Kc等于零,如采用图2的方法,初级为双端输人单端输出,则共模电压e在中间级主放大器A3处会被放大K3倍,这样会影响后级的信号处理,采用新的方法提高CMRR,根据差动放大电路的特点,在第一、第二级采用四运放,差动信号为双端输出,不经合并直接进人下一级.将第三级设计为增益是1的低通滤波电路,此信号处理方法可以使ec不被放大,从而避免影响整机信号.按CMRR为100dB计算,由于采用了新的处理方式,差动流速信号放大系数为Kd=1,所以计算得Ke=10-5,即整机信号调理电路可以将共模干扰信号衰减105倍.对于由电极对地形成的干扰有如下关系”,
 
式中:Rj为励磁线圈对电极的绝缘电阻;Rs为传感器感应信号内阻;r为传感器接地电阻;E励磁电压;当E=24V时,共模干扰电压ec=5mV,经衰减105倍后只有0.05μV,此干扰电压对输出不会有影响.通过实验证明,CMRR做得很高时,应用此方法抗干扰能力的确很强。
该电磁流量计已经得到应用,并依据JJG198-94《速度式流量计检定规程》,利用质量法水标准装置,对采用基波平均值信号预处理电路的电磁流量计进行检定,重复性误差为0.1%,基本误差为0.25%,线性度0.3%,检测结果如表1.
 
3结语
本文主要探讨了电磁流量计在低频矩形波励磁下的信号处理方法,并介绍了在信号预处理过程中,基波平均值法可以满足小信号放大调理的苛刻要求.电磁流量计还有其他信号处理方式,但都无法脱离滤波、噪声抑制等技术问题,同时产品化过程中还必须考虑电路屏蔽措施、热电势、接点处理方法和接地、装配工艺等对信号处理电路的影响,这样才能从根本上提高动态响应和仪表精度.

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