摘要:電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用廣泛的測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。測量時(shí),金屬電極與電解質(zhì)會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生極化噪聲。極化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號幅值,使電極輸出信號信噪比較低;極化噪聲存在漂移的現(xiàn)象,會影響電磁流量計(jì)變送器的信號調(diào)理工作,限制電路的放大倍數(shù),增加ADC采樣位數(shù)電路成本、功耗等。對此,提出了一種基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號調(diào)理電路,通過硬件電路實(shí)時(shí)提取和抵消極化噪聲極大地提高了電極輸出信號信噪比。通過試驗(yàn),驗(yàn)證了該方案不但能有效濾除極化噪聲,而且能提高信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)、減少ADC的采樣位數(shù)減少電路的成本和功耗。
0引言
電磁流量計(jì)是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表,廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)。信號測量時(shí),傳感器電極拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一.般為幾十到數(shù)百微伏。而噪聲信號中的極化噪聲存在漂移的現(xiàn)象,幅值一般在幾毫伏到數(shù)百毫伏區(qū)間變化,也有可能達(dá)到數(shù)伏"。兩者幅值的巨大差異以及極化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵(lì)磁的方式消除,極大地影響了信噪比。
為了提高電磁流量計(jì)傳感器輸出信號的信噪比，目前，國內(nèi)外主要有四種解決方案。
①極化噪聲補(bǔ)償?shù)姆桨浮８鶕?jù)極化噪聲緩慢變化的特點(diǎn),采用不勵(lì)磁時(shí)段極化噪聲來補(bǔ)償勵(lì)磁時(shí)段的極化噪聲。但是,由于極化噪聲的不規(guī)律性,會導(dǎo)致電磁流量計(jì)的零點(diǎn)較差。
②低通濾波反饋的方案[2]。根據(jù)極化噪聲所處的頻帶略低于流量信號的特點(diǎn),采用一階低通濾波器提取極化噪聲,并進(jìn)行反饋補(bǔ)償。但是,低通濾波器的過渡帶很寬,會使流量信號出現(xiàn)畸變的現(xiàn)象。因此，該方案被用在瞬態(tài)勵(lì)磁中,尚未應(yīng)用于商用儀表。
③采用精度高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogtodigitalconverter,ADC)的方案。利用32位精度高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接采集信號,然后通過數(shù)字信號處理方法提取出流量信號。但該方案增加了程序的復(fù)雜性。同時(shí),精度高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率與采樣率成反比。因此，.為了保證較高的分辨率,只能使用很低的勵(lì)磁頻率。
④閾值控制的偏置調(diào)節(jié)方法”。當(dāng)信號超過設(shè)定的閾值時(shí),數(shù)字信號處理器(digitalsignalprocessor,DSP)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digitaltoanalogconverter,DAC)模塊輸出偏置調(diào)節(jié)電壓,將傳感器輸出信號調(diào)整到0附近。但這種調(diào)節(jié)方法會使流量信號產(chǎn)生一個(gè)跳變，對后續(xù)的梳狀帶通濾波造成影響,導(dǎo)致輸出信號出現(xiàn)間斷性錯(cuò)誤。
為此,極化噪聲產(chǎn)生的具體原因及分布特性,提出前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案。基于該方案，電磁流量計(jì)變送器中的信號調(diào)理電路;并用調(diào)理電路替換課題組研制的電磁流量計(jì)變送器中的調(diào)理電路,形成一套完整的電磁流量計(jì)變送器,進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。
1噪聲分析
極化噪聲主要源于電極與電解質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)。金屬電極帶電的正離子逐漸溶解于所測量的電解質(zhì)流體,自身帶負(fù)電荷,致使電解質(zhì)流體中的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移,形成復(fù)雜的電解雙層結(jié)構(gòu)。雙電層之間產(chǎn)生-一個(gè)電場,從而在電解質(zhì)流體和電極之間形成電位差。這個(gè)電位差就是極化電勢。若兩電極結(jié)構(gòu)完全相同,則極化電勢會相互抵消。但由于兩電極表面的結(jié)構(gòu)差異,極化電勢會由共模電壓轉(zhuǎn)為差模電壓,并耦合在信號.上。該極化電勢被認(rèn)為是直流分量[1,460而且,電極表面上的灰塵或放電離子等沉積物會隨著時(shí)間的推移緩慢累積。當(dāng)有流動的電解質(zhì)流體出現(xiàn)或電解質(zhì)流體流速發(fā)生變化時(shí),這些累積的沉積物會被慢慢撕開。在這一-過程中,極化電勢大小會發(fā)生隨機(jī)變化,形成漂移的極化電壓”。極化電壓的大小在一定程度上取決于電極的制作材料和所測量的電解質(zhì)流體的性質(zhì);同時(shí),也受溫度的影響。
為了研究極化噪聲的特性,研制了對電極輸出信號進(jìn)行放大和高頻濾波的信號調(diào)理電路1。配合原有的變送器,針對口徑為40mm的電磁流量傳感器,采集濾除高頻且放大的電極輸出信號,并進(jìn)行頻譜分析。其中,勵(lì)磁頻率為12.5Hz,水流量為20m'/h,采樣頻率為1500Hz,采樣時(shí)間為200s。信號調(diào)理電路1輸出信號及頻譜如圖1所示。
觀察信號調(diào)理電路的輸出信號可以發(fā)現(xiàn):電極輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路放大后存在嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象,信號累積的漂移量達(dá)到了1.2V,遠(yuǎn)大于70mV左右的流量信號(流速為1m/s信號幅值約為100μV,流量為20m/h時(shí)流速為4.44m/s,信號幅值約為444μV,放大170倍后約為75.5mV;70mV為觀測結(jié)果)。而該結(jié)果僅僅是將電極輸出信號放大了170倍。當(dāng)放大倍數(shù)更大時(shí),如果任由電極輸出信號發(fā)生漂移,那么放大器輸出信號很可能達(dá)到飽和,ADC的供電電壓會達(dá)到5V,導(dǎo)致ADC無法正常工作。
為了觀察流量信號與極化噪聲的頻段分布,將290000點(diǎn)信號去均值后,從4096點(diǎn)開始，等距取60段,每段4096點(diǎn),分別作4096點(diǎn)的快速傅里葉變換(fastFouriertransform,FFT),并求出其平均幅值譜,如圖1(b)所示。由圖1(b)可以看出:極化噪聲以直流噪聲為主,主要分布于零頻附近的低頻區(qū)域,幾乎不與流量信號頻段重疊。當(dāng)勵(lì)磁頻率為2.5~5Hz'[8]，可以用一個(gè)過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提取極化噪聲。
2極化噪聲抵消方案
2.1抵消原理
根據(jù)極化噪聲的特性,同時(shí)考慮到硬件系統(tǒng)處理噪聲更具實(shí)時(shí)性與可靠性,提出一種基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案,并用硬件實(shí)現(xiàn)。噪聲抵消方法原理如圖2所示。
最后,在軟件中通過梳狀帶通濾波和幅值解調(diào)等信號處理方法,濾除工頻干擾和微分干擾，就可以得到流速值。
2.2.硬件電路研制
根據(jù)前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消原理,設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路2,以實(shí)現(xiàn)極化噪聲的濾除。信號調(diào)理電路2主要包括前置差分放大電路、極化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放大電路三部分。調(diào)理電路如圖3所示。
①前置差分放大電路。
前置差分放大電路主要實(shí)現(xiàn)信號的放大和共模噪聲的抑制。電路采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失調(diào)漂移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分放大電路如圖4所示。.
前置差分放大電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮后級電路電壓匹配的問題。下級電路芯片供電電壓為+5V,而前置差分放大電路輸出信號存在負(fù)電壓。因此,需要加入直流基準(zhǔn)。電極輸出信號中流量信號及其他噪聲幅值遠(yuǎn)小于極化噪聲幅值。由于檢測到的電極輸出信號中極化噪聲幅值最大為+200mV，電路放大4.1倍,那么放大器輸出的極化噪聲幅值最大也只有+820mV。而電路直接加入了2.5V的參考電壓，足以將前置差分放大電路輸出信號由雙極性轉(zhuǎn)為單極性。
②極化噪聲提取與抵消電路。
極化噪聲提取與抵消電路是為了實(shí)現(xiàn)極化噪聲的提取、抵消和流量信號的放大。電路分為極化噪聲提取電路和噪聲抵消與放大電路,分別由八階巴特沃斯低通濾波器和精密儀用放大器構(gòu)成。
極化噪聲提取電路通過八階巴特沃斯低通濾波器來提取極化噪聲。此低通濾波器過渡帶非常窄,其截止頻率f。的大小可以通過外接電容在1Hz~2kHz之間調(diào)節(jié)。當(dāng)fiw=2f。時(shí),信號增益為-48dB,輸出信號衰減為原信號的1/251。當(dāng)fw=3f時(shí),信號增益為-76dB,輸出信號衰減為原信號的1/6310。如設(shè)置f。=1Hz,那么輸出信號中完整保留1Hz及以下頻段的信號,1~3Hz內(nèi)的信號出現(xiàn)不同程度衰減,3Hz及以上信號被完全衰減。由此就可以通過該八階低頻濾波器濾除勵(lì)磁頻率12.5Hz(6.25Hz.3.125Hz)及以上頻段的信號,精確提取出極化噪聲。
噪聲抵消與放大電路中,采用前置差分放大后的電極輸出信號減去低通濾波器提取的極化噪聲,以實(shí)現(xiàn)極化噪聲的自適應(yīng)抵消。此時(shí),經(jīng)過噪聲抵消后的信號中只含有流量信號和高頻噪聲,而且高頻噪聲幅值小于流量信號幅值,因此可以通過放大器實(shí)現(xiàn)信號的更高倍數(shù)放大。以口徑為40mm的電磁流量傳感器為例:當(dāng)流速為5m/s時(shí),檢測到流量信號峰峰值為1mV;以10m/s為流速上限，則流量信號峰峰值最大為2mV。由于ADC采用5V供電,考慮到芯片性能等因素,不可能將流量信號完全放大到芯片供電電壓范圍。對此,將信號最大放大到+4V,那么信號調(diào)理電路最大放大倍數(shù)可達(dá)4000倍。扣除前置放大4.1倍,那么后兩級電路最大可放大975倍。
③低通濾波放大電路。
低通濾波放大電路的主要目的是實(shí)現(xiàn)高頻噪聲的濾除。
電極輸出信號經(jīng)過自適應(yīng)極化噪聲抵消后,除了12.5Hz(6.25Hz3.125Hz)的流量信號外，還存在高頻噪聲。高頻噪聲進(jìn)人ADC后,可能會造成信號的混疊。所以,需要采用低通濾波器來濾除高頻噪聲。
低通濾波放大電路如圖6所示，
低通濾波放大電路采用兩級二階巴特沃斯低通濾波器級聯(lián)來構(gòu)成四階低通濾波器,其放大倍數(shù)為10.9倍。考慮到能更多地保留流量信號的諧波，設(shè)置濾波器截止頻率為1.5kHz。
3驗(yàn)證試驗(yàn)
為了驗(yàn)證基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的效果,設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路2,并替換本課題組研制的電磁流量變送器中的信號調(diào)理電路;再匹配電磁流量傳感器,組成了一個(gè)完整的基于數(shù)字信號處理器(digitalsignalprocessor,DSP)的電磁流量計(jì)[8-0,。在容積法水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行了信號調(diào)理電路濾波試驗(yàn)、電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)和降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)。
3.1試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置由水流量標(biāo)定裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,如圖7所示。
圖7中:水流量標(biāo)定裝置的不確定度為0.2%,電磁流量傳感器口徑為40mm,電磁流量變送器的勵(lì)磁頻率為12.5Hz。信號調(diào)理電路放大倍數(shù)和ADC位數(shù)可調(diào):在信號調(diào)理電路濾波試驗(yàn)和電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)中放大倍數(shù)為340倍,ADC位數(shù)為24位;在降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)中放大倍數(shù)為3500倍,取24位ADC的高14位來模擬16位ADC。
3.2信號調(diào)理電路濾波試驗(yàn)
為驗(yàn)證基于自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的信號調(diào)理電路對極化噪聲的消除效果,在信號調(diào)理電路2輸人信號不斷發(fā)生漂移的情況下(如圖1(a)中情況),通過上位機(jī)(采樣頻率1500Hz,采樣時(shí)長200s)采集流速為5m/s(流速越大,極化噪聲幅值越大)的信號調(diào)理電路2輸出信號,并對其進(jìn)行了頻譜分析。
信號調(diào)理電路2輸出信號及頻譜圖如圖8所示。
觀察信號調(diào)理電路2輸出信號,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過自適應(yīng)極化噪聲抵消后,信號平穩(wěn)分布于零點(diǎn)上下,基本不存在漂移的現(xiàn)象,如圖8(a)所示。
信號頻譜分析方法與圖1(b)噪聲分析時(shí)的相同,即將290000點(diǎn)信號去基準(zhǔn)后,從4096點(diǎn)開始，等間距取60段,每段4096點(diǎn),再分別作4096點(diǎn)FFT,最后求出其平均幅值譜,如圖8(b)所示。根據(jù)頻譜圖可以發(fā)現(xiàn):經(jīng)過自適應(yīng)極化噪聲抵消后信號調(diào)理電路2輸出信號中基本不存在極化噪聲,只存在12.5Hz的流量信號。由此說明,基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消電路能有效濾除電極輸出信號中的極化噪聲。
3.3電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)
為了測試基于自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的信號調(diào)理電路2的實(shí)際效果,進(jìn)行了容積法水流量標(biāo)定試驗(yàn)。標(biāo)定試驗(yàn)中,在流速為0.15~5m/s的范圍內(nèi)，共選取了6個(gè)標(biāo)定點(diǎn),并通過示值誤差擬合方法計(jì)算儀表系數(shù)"],然后驗(yàn)證了電磁流量計(jì)的精度。放大340倍24位ADC水流量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
由表1可知:在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi),電磁流量計(jì)的最大測量誤差都在+0.3%以內(nèi),重復(fù)性誤差均在0.1%以內(nèi),滿足0.3級電磁流量計(jì)要求。該結(jié)果說明,采用該信號調(diào)理電路的基于DSP的電磁流量計(jì)具有很好的測量精度。同時(shí),與放大倍數(shù)為180倍的電磁流量計(jì)相比，該設(shè)計(jì)提高了流量信號的放大倍數(shù),可以實(shí)現(xiàn)更低流量的測量,即可以采用該方法來拓寬電磁流量計(jì)的測量下限。
3.4降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)
當(dāng)電路放大倍數(shù)較大時(shí)，流量信號幅值相應(yīng)較高,對ADC分辨率的要求降低,這樣就可以采用位數(shù)較低的ADC來實(shí)現(xiàn)信號的測量。同時(shí)，降低ADC位數(shù)也將降低電路的成本。所以,通過改變電路的放大倍數(shù)和ADC采樣位數(shù)，并采用水流量標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
電極輸出信號經(jīng)過自適應(yīng)極化噪聲抵消后,信號調(diào)理電路2最大放大倍數(shù)可達(dá)4000倍。所以,可將信號調(diào)理電路2的放大倍數(shù)由340倍提高至3500倍。普通DN40的電磁流量傳感器流速測量下限為0.5m/s,通過上位機(jī)采集了放大3500倍的信號,發(fā).現(xiàn)流速0.5m/s時(shí)信號峰峰值約為346.7mV,而測量電壓范圍為+5V的16位ADC的分辨率為153μV,足以識別信號。所以,采用了16位ADC。16位ADC有效位數(shù)-一般在14~16位。為了方便在同等條件下驗(yàn)證效果,不再重新設(shè)計(jì)電路,而是在標(biāo)定時(shí)取原有24位ADC的高14位來模擬16位ADC的效果。
在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi)，共選取了5個(gè)標(biāo)定點(diǎn),并通過示值誤差擬合方法計(jì)算出儀表系數(shù)。然后,驗(yàn)證電磁流量計(jì)的精度。放大3500倍、16位ADC水流量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
由表2可知:在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi),電磁流量計(jì)的最大測量誤差都在+0.3%以內(nèi),重復(fù)性誤差均在0.1%以內(nèi),滿足0.3級電磁流量計(jì)要求。這說明提出的基于硬件系統(tǒng)前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方法能有效抵消極化噪聲,可以將信號放大較高的倍數(shù),從而有效降低ADC的采樣位數(shù),并減少成本。另外，濾除極化噪聲后,放大的電極輸出信號幅值在電路中不會超過+5V。這樣就可以將電路中芯片的供電電壓降至+5V,以減小電路功耗。
4結(jié)論
極化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號幅值,會造成電極輸出信號信噪比較低;同時(shí)，極化噪聲的漂移會限制電路的放大倍數(shù),增加了ADC采樣位數(shù)、電路成本、功耗等。針對這些問題,通過對電極輸出信號采集與頻譜分析,研究了極化噪聲的分布特性,發(fā)現(xiàn)漂移的極化噪聲主要分布于零頻附近的低頻區(qū)域,基本不與信號頻段重疊。
根據(jù)極化噪聲的分布特性,提出了一種基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案,并用硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。前置差分放大后的電極輸出信號經(jīng)過一一個(gè)八階低通濾波器,提取出其中的極化噪聲;然后以極化噪聲作為前饋量,經(jīng)過下級放大器,用差分放大后的電極輸出信號減去極化噪聲,以此實(shí)現(xiàn)極化噪聲的自適應(yīng)抵消。
為驗(yàn)證該方案的實(shí)際效果,設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路2,配合課題組原有的變送器及DN40傳感器，在容積法水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)。信號調(diào)理電路濾波試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠有效消除電極輸出信號中的極化噪聲。電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)信號調(diào)理電路放大340倍、ADC為24位時(shí),在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi)，流量計(jì)的精度為0.3級。這說明采用自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的信號調(diào)理電路2能夠滿足實(shí)際測量要求，且提高信號放大倍數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更低流量的測量。降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明,將信號調(diào)理電路放大倍數(shù)提高至3500倍,同時(shí)用24位ADC的高14位來模擬16位ADC,在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi),流量計(jì)的精度可達(dá)0.3級。這說明基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方法可以將信號放大較高的倍數(shù),從而有效降低ADC的采樣位數(shù)、芯片供電電壓，以及電路成本和功耗。
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