電磁流量計(jì)中降噪方式的分析
1引言
電磁流量計(jì)是上世紀(jì)60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的新型流量測(cè)量?jī)x表。它是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成，用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電流體的體積流量。由于其*的優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)上各種導(dǎo)電液體的測(cè)量。例如：測(cè)量各種酸、堿、鹽等腐蝕性液體；各種易燃、易爆、有毒介質(zhì)；各種工業(yè)污水、紙漿、泥漿等。1.1電磁流量計(jì)的工作原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。導(dǎo)電流體流過(guò)傳感器工作磁場(chǎng)時(shí)，在測(cè)量管壁與流動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向相互垂直方向的一對(duì)電極間，產(chǎn)生與體積流量成比例的電動(dòng)勢(shì)。流量的大小可表示如下：jiDE T, E T, jiD /■-,、、式中E—―感應(yīng)信號(hào)電勢(shì)，V;k——常數(shù)；B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，TD——測(cè)量管內(nèi)徑，rm
v——測(cè)量管內(nèi)電極斷面軸線方向平均流速，m/s。1.2電磁流量計(jì)測(cè)量的基本條件
需要說(shuō)明的是，要使（1)式嚴(yán)格成立，必須使測(cè)量條件滿足下列假設(shè)：
磁場(chǎng)是均勻分布的恒定磁場(chǎng)；
被測(cè)流體的流速軸對(duì)稱分布；
被測(cè)流體是非磁性的；
@被測(cè)流體的導(dǎo)電率均勻且各向同性。1.3電磁流量計(jì)的組成部分
從整體結(jié)構(gòu)而言，電磁流量計(jì)由兩大部件構(gòu)成，即傳感器、轉(zhuǎn)換器。當(dāng)然，其中間環(huán)節(jié)也必然存在著不同的信號(hào)處理器件。傳感器安裝在工業(yè)過(guò)程管道上，它的作用是將流進(jìn)管道內(nèi)的液體體積流量值線性地變換成為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，并通過(guò)傳輸線將此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠(yuǎn)的部位，它將傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行除雜、濾波、放大等環(huán)節(jié)， 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，并給予顯示、存儲(chǔ)、傳遞等過(guò)程。2傳感器采用的不同勵(lì)磁方式
勵(lì)磁方式即產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式，由1.2中內(nèi)容可知，（1)式必須滿足的條件之一就是需要一個(gè)均勻恒定的磁場(chǎng)。為此，就需要一種合適的磁場(chǎng)。當(dāng)前，在工業(yè)生產(chǎn)中主要有五種勵(lì)磁方式。
在傳感器的工作過(guò)程當(dāng)中，磁場(chǎng)的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果電動(dòng)勢(shì)的準(zhǔn)確性有極大的影響，是數(shù)據(jù)采集的步，所以合適的勵(lì)磁方式對(duì)電磁流量計(jì)的工作效果有很大的作用?，F(xiàn)在將這幾種勵(lì)磁方式做一比較，如圖1所示。
圖1 五種勵(lì)磁方式的特征
從上圖可以看出，各種勵(lì)磁方式都各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的運(yùn)用中，根據(jù)待測(cè)的流體介質(zhì)，具體選擇合適的方式。但是， 目前電磁流量計(jì)大都使用雙頻矩形波勵(lì)磁，也出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)可編程的頻率或脈寬等新的勵(lì)磁方式，通過(guò)采用單片機(jī)及外圍電路，可以取得我們所需要的磁場(chǎng)信號(hào)。3電磁流量計(jì)的干擾問(wèn)題
電磁流量計(jì)的干擾問(wèn)題主要是隨著各種勵(lì)磁方式產(chǎn)生的。這些干擾信號(hào)與有用的流量信號(hào)混雜在一起，不僅成分復(fù)雜， 而且常常會(huì)比流量信號(hào)大。通常，當(dāng)流體在1m/s時(shí)，其感應(yīng)電
動(dòng)勢(shì)僅為lmv左右，而干擾信號(hào)在嚴(yán)重時(shí)可以達(dá)到幾十mv。對(duì)于50HZ的工頻信號(hào)而言，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為
E = BVD + + ^Sr + ec+ e<,+ ez (2) at at(2)式中，項(xiàng)為流速信號(hào)，后五項(xiàng)為干擾信號(hào)（正交干擾、同相干擾、零均值噪聲、共模噪聲、微分噪聲）。在其中，正交干擾為主要的噪聲信號(hào)。它有三個(gè)特點(diǎn)：
與流量無(wú)關(guān)，即使流體靜止不動(dòng)；
與流量信號(hào)在相位上差90°;
勵(lì)磁頻率越高，正交干擾也越嚴(yán)重。4對(duì)正交干擾的降噪方法
為了使得智能電磁流量計(jì)中轉(zhuǎn)換器得到準(zhǔn)確的流量信號(hào)，就必須對(duì)正交干擾信號(hào)進(jìn)行大的降噪。而對(duì)于正交干擾信號(hào)的降噪，同樣有著不同的處理手段。主要有以下三種： 4.1傳統(tǒng)工頻勵(lì)磁的去噪方式
工業(yè)電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)都是由電流激勵(lì)線圈產(chǎn)生的，交流勵(lì)磁感應(yīng)強(qiáng)度可以表示為B = kIssin wt (3)在傳感器的工作當(dāng)中，存在著正交干擾信號(hào)，在（2)式中就可以發(fā)現(xiàn)，干擾電動(dòng)勢(shì)「 dB diKLsinwt) T,T ： "、_bN = —r- = ； = K丄swcos wt (4)at at
所以我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的信號(hào)中（假設(shè)干擾信號(hào)只有正交干擾信號(hào))E = BVD + EN = KIsVDsin wt + KIswcos wt (5) „ _v E _VKI,VDsinwt+KLwcoswt=KVD + Kwctgwt (6)
在降噪過(guò)程中，就必須先去除掉噪聲Kwctgwt。為此，我們采取補(bǔ)償措施，例如：在主放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置正交干擾抑制器，去除輸出信號(hào)中的正交干擾信號(hào)，深度負(fù)反饋到輸入端，與干擾信號(hào)相減，即得到了較干凈的流量信號(hào)。4.2雙頻率降噪法
在勵(lì)磁方式中，我們可以選擇兩種高低不同的頻率磁場(chǎng)， 綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，低頻勵(lì)磁分量有著的零點(diǎn)穩(wěn)定性，而高頻則具有高速的反應(yīng)能力，可以有效的降低正交干擾信號(hào)。
其工作原理是，一個(gè)由高低頻分量疊加而成的電磁場(chǎng)通過(guò)勵(lì)磁線圈被施加到被測(cè)流體當(dāng)中，得到的磁場(chǎng)就是高低頻磁場(chǎng)復(fù)合而成的磁場(chǎng)。在產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)中，低頻分量通過(guò)一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的積分電路獲得一個(gè)零穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號(hào)。而由流體所產(chǎn)生的低頻噪音可被不受噪音影響的高頻采樣電路所抑制，有著同樣時(shí)間常數(shù)的流量信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)差分電路以確定流速信號(hào)的變化，二者合成即可獲得定的信號(hào)。4.3 "變壓器調(diào)零"法降噪除了上述兩種方法之外，還有一種降噪處理方法，是讓引出線組成的閉合回路在磁場(chǎng)相交處所形成的電動(dòng)勢(shì)為零，即制取一個(gè)與正交干擾信號(hào)相反的信號(hào)，并與之相消。其電路連接圖如圖（2)所示。
該電路連接圖如上圖所示。在線路中，形成了兩個(gè)閉合回路I和II。在閉合回路I中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)ei和閉合回路II中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)e各自形成電流ii和k，并經(jīng)過(guò)電位器的調(diào)節(jié)端加到轉(zhuǎn)換器凡上，這兩個(gè)電流方向是相反的，所以當(dāng)流體速度為零時(shí)，調(diào)節(jié)電位器&，可以使得閉合回路中的h 和i2大小相等。因此，經(jīng)過(guò)凡上的電流h和i2就可以相互抵消， 從而抑制正交干擾。4.4比較三種降噪方法
在上述內(nèi)容中，我們分別介紹了傳統(tǒng)工頻勵(lì)磁的去噪方式、雙頻率降噪法、"變壓器調(diào)零"法降噪三種正交干擾的降噪方式，雖然在理論上是*可行的，但是在實(shí)際的生產(chǎn)工作當(dāng)中，卻是有著不同程度的缺陷。
傳統(tǒng)工頻勵(lì)磁的去噪方式，系統(tǒng)設(shè)置較為復(fù)雜，且通常使用由霍爾元件組成的乘法器，可能帶來(lái)由于溫度變化而引起的誤差;雙頻率降噪法，在正交干擾量較小的情況下可以采用， 對(duì)于較大的干擾量處理效果則不佳;"變壓器調(diào)零"法降噪，理論上可*去除干擾噪聲，但是其制造工藝非常復(fù)雜、困難。5結(jié)論
綜上所述，在處理電磁流量計(jì)中主要的干擾信號(hào)一一正交干擾信號(hào)時(shí)，有著不同的方法，在選取何種降噪方式的問(wèn)題上，主要還需考慮流體的物理介質(zhì)、器件的工作環(huán)境、所需數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度、整體的器件要求等因素。此外，對(duì)正交干擾信號(hào)的處理，不論哪種措施，都存在著不同類型、不同程度的缺陷，所以，辯證、科學(xué)地選取降噪方式才是最可取的。
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