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        時間:2022-11-30 08:22:35

      電磁流量測量中微弱信號處理

      一、信號檢測與采樣方法
        電磁流量傳感器的小流量信號非常微弱,尤其在需要電池供電而受到功耗限制的情況下,往往低至幾μV甚至1μV以下。為了將流量信號從環境噪音與測量電極的極化電勢中分離出來,必須要采用有效的信號檢測電路與數據采樣方法。因此,本文采用并聯同相差動放大電路,并結合具有低偏置電壓、低零漂的高性能OP放大器組成放大電路,以獲得具有高輸入阻抗、高穩定性的前置放大電路,如圖1所示。后面連接的基本差動放大電路用來提高共模抑制比,其放大倍數為.
       
        式中:Auf差動電路放大倍數;RF1、RF2一前置放大級OP放大器A1、A2的負反饋電阻;R01一前級輸出電阻。
        由于測量電極在被測流體中發生原電池反應,電極上獲得的信號不僅包含與流量相關的感應電動勢,還有直流極化電勢、磁通變化引起的交流噪聲等,以及通過各種耦合途徑引入環境因素帶來的高頻噪音。因此,在電極與放大器之間增加了低通濾波器,以減小環境噪聲的影響。此外,本文采用的單極性OP放大器,為了防止負半周期的信號丟棄,在濾波器與放大器之間增加偏置電路,將“浮動"的電極信號拉高進行放大。兩個放大電路具有對稱性,且并聯連接,通過單片機控制信號進行切換。
       
        通過單片機對AD轉換器相應的引腳進行控制,獲得采用的采樣方式如圖2所示。在電極信號中,除了環境噪音外,還存在直流噪聲(極化電勢)和交流噪聲(磁通變化)。其中,直流噪聲由電極與流體接觸面的電化學特性決定,不隨時間變化,可通過相鄰的正半周期與負半周期的采樣數據做差來抑制。交流噪聲由磁場變化引起,由于勵磁脈沖使矩磁材料磁路在極短的時間內完成磁場的反轉,磁通變化dp/dt很大,會在電極上產生附加電勢,其值在下一個勵磁脈沖到來之前隨時間衰減。為了減小交流噪聲的影響,對電極信號的半周期進行后端采樣。
       
      二、數據處理方法與結果
        通過電極獲取的流量信號仍然參雜著很多干擾信號以及電路自身的噪聲信號,經過前述差分放大、濾波、AD轉換后獲得的數字量中仍含有一.定的干擾。為了進一步凈化信號,抑制干擾,需采用一定的數字濾波等計算方法進行處理,算法如圖3所示。
       
        圖3所示的流程為測量系統采樣數據的處理過程,因此未涉及勵磁、通信等功能模塊。系統對采集的原始數據進行判斷,區分電極處于空氣、靜水或流水等三種不同狀態,如圖4所示。
       
        根據狀態的判斷結果,將靜水和空氣中的數據置0,并傳輸至液晶屏顯示。若是流水狀態,則進--步進行流量大小的判定,判定的依據為采樣數據的大小。對于小流量數據進行小流濾波對于大流數據進行大流濾波。進行不同流量濾波的原因是針對管路中的流動噪聲進行處理。小流量時對采樣數據進行算術平均濾波,而大流量時要進行異常數據剔除及加權平均濾波。
       
      三、測試結果分析
        經過上述測量方法與數據處理后的DN20管徑試驗樣機測量結果如表1所示。從表中可以看出,在常用流量Q3(4000L/h)內,流量傳感器具有很好的流量特性,在R200范圍內相對誤差≤2%,在R160范圍內相對誤差≤1%。其流量誤差分布如圖5所示,在全流量范圍內,測量誤差全部在MPE(最大允許誤差)內。
       
      四、結論.
        電磁流量傳感器具有明顯測量優勢,但是信號弱、易受干擾也是必須解決的問題。本文根據被測信號產生的機理與特點,選用并聯同相輸入差動放大電路進行信號放大,并對采集數據進行數字濾波。根據流量信號的特點,先進行空氣、小流量、大流量的狀態判斷。根據判斷結果,選擇與狀態相適應的數據處理方法,以對不同流量狀態下的主要干擾因素進行排除,獲得精準的流量數據。試驗樣機的測量結果驗證了本方法的可行性,并為更深入的流量測量研究提供了可借鑒的方法。

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