摘　要(yào)：采用帶(dài)阻濾波(bō)的信号(hào)處理方(fāng)法，處理(li)低頻矩(jǔ)形波勵(lì)㊙️磁下由(you)傳感器(qì)輸出的(de)信号，有(yǒu)效抑制(zhi)工頻幹(gàn)擾🛀🏻。結果(guǒ)表明，系(xì)統📧測量(liang)精度優(you)于0.4％，達到(dao)了工業(ye)測量标(biāo)準。
0　引言(yan)
　　電磁流(liú)量計 原(yuan)理爲法(fǎ)拉第電(dian)磁感應(yīng)定律，主(zhu)要由流(liú)量常感(gǎn)器和變(bian)送器組(zu)成。電磁(ci)流量計(jì)有許多(duo)良好性(xing)能，如結(jie)⁉️構簡單(dān)、較強的(de)耐腐蝕(shí)性、較高(gāo)的穩定(dìng)性、較高(gāo)的精⛱️度(dù)等，在給(gěi)供水、鋼(gāng)鐵、石油(yóu)、煤炭、化(huà)工、醫療(liao)、航海、農(nóng)業灌溉(gai)等領域(yù)有着廣(guang)泛應用(yòng)［1］。流㊙️量傳(chuan)感器的(de)主要作(zuò)用是當(dāng)流經導(dǎo)管内的(de)導電液(yè)體做切(qie)割磁感(gan)線運動(dòng)時，會産(chǎn)生📐電動(dòng)勢，将導(dǎo)電液體(tǐ)的體積(jī)流量轉(zhuan)換成需(xū)要的電(dian)信号，再(zai)傳送給(gěi)變送器(qì)作進一(yī)步處理(lǐ)。變送器(qì)主要由(you)勵磁電(dian)路、濾波(bo)電路、前(qian)🌈置放大(da)調整電(diàn)路、采樣(yàng)電路、電(diàn)流信号(hào)輸出電(diàn)路及脈(mo)沖信号(hao)輸☁️出電(dian)路組成(chéng)。
　　電磁流(liú)量技術(shu)的發展(zhǎn)主要體(ti)現在勵(lì)磁方案(àn)改進和(hé)信号❗處(chu)理算法(fa)優化方(fāng)面。電磁(cí)流量計(ji)的勵磁(ci)方案直(zhi)接決♋定(ding)了其抗(kang)幹擾性(xing)能和零(ling)點的穩(wěn)定性。信(xin)🌈号處理(li)的重點(diǎn)☁️是幹擾(rǎo)噪聲去(qu)除，其中(zhōng)主要的(de)幹擾是(shi)工頻幹(gàn)擾、同相(xiàng)幹擾、正(zhèng)交幹擾(rao)、極化現(xian)象、白噪(zao)聲幹擾(rǎo)和零點(dian)偏移。采(cǎi)用直流(liú)勵磁方(fang)案，将不(bu)會産生(shēng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦流效(xiào)應，并且(qie)有着較(jiào)小的正(zhèng)交幹擾(rǎo)和同相(xiàng)幹擾👄；采(cǎi)用正弦(xian)波勵磁(ci)方案，可(ke)以很好(hao)地❌控制(zhì)極化現(xiàn)象産生(shēng)，并有着(zhe)良好的(de)抗噪能(neng)力；采用(yong)低頻矩(jǔ)形波勵(li)磁方案(an)，兼顧直(zhi)流勵磁(ci)和正弦(xián)❌波勵磁(ci)的優點(dian)💃🏻，因此應(ying)用廣泛(fàn)。
　　本文采(cai)取低頻(pín)矩形波(bō)勵磁方(fang)案。可導(dao)電的流(liú)體切割(ge)磁感線(xiàn)，從🌈而在(zai)電極上(shang)會有電(diàn)動勢産(chan)生，但是(shi)電壓十(shi)分弱💃🏻，流(liú)量🆚傳感(gǎn)器的👄輸(shu)出信号(hao)會受工(gong)頻幹擾(rao)，帶來較(jiào)低的信(xìn)噪比，特(te)别是在(zai)導電液(ye)體流速(su)較低的(de)情形下(xia)，有效的(de)流量信(xin)号可能(neng)完全被(bei)噪聲信(xin)号♋覆蓋(gài)。本文在(zài)采取低(dī)頻矩👌形(xing)波勵磁(cí)條件下(xià)，在現有(you)🤟信号處(chù)理方法(fǎ)的基礎(chu)上，采取(qǔ)🌐巴特沃(wò)斯帶阻(zǔ)濾波信(xin)号處理(lǐ)方法，可(ke)以有效(xiào)🈲消除50HZ的(de)工🙇‍♀️頻幹(gàn)擾［2］，以此(ci)來提高(gāo)流量傳(chuán)感器輸(shu)♉出信号(hao)的信噪(zào)比，并在(zai)MSP430上實現(xiàn)，可有效(xiao)處理水(shuǐ)流量信(xìn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼号。通過(guò)标準表(biao)标定實(shí)⚽驗，擁有(yǒu)較爲理(lǐ)想的測(ce)量精度(du)和重複(fú)性。
1　帶阻(zu)濾波方(fāng)法
1.1　算法(fa)原理及(ji)推導
　　流(liu)量傳感(gǎn)器的輸(shu)出信号(hao)和被測(ce)導電液(yè)體的流(liu)速之⭐間(jian)存在🐅一(yī)定的線(xiàn)性關系(xì)。在理想(xiǎng)條件下(xià)，采用低(dī)頻矩🐇形(xíng)波勵磁(ci)方式時(shi)，從流量(liang)傳感器(qì)輸出信(xìn)号，頻率(lǜ)和勵磁(cí)電流相(xiàng)同，并且(qie)輸出信(xin)号的幅(fú)值和導(dǎo)電液體(ti)的流速(sù)之間成(cheng)🔞比例關(guān)系。但是(shì)，實際中(zhōng)，流量傳(chuán)感器的(de)輸出信(xin)号會受(shou)到多種(zhǒng)噪聲的(de)幹擾，經(jing)常會摻(chān)雜着如(ru)微分幹(gàn)擾、串共(gong)模幹🧑🏽‍🤝‍🧑🏻擾(rǎo)、同相幹(gàn)擾等幹(gàn)擾，使流(liu)量信号(hào)和噪聲(sheng)不能很(hen)好分離(li)，可用方(fang)程（1）表示(shì)［3］：

　　式中，BDV是(shi)模拟流(liú)量信号(hào)。通過對(dui)流量傳(chuan)感器輸(shu)出信号(hao)進行分(fèn)析㊙️，可以(yi)發現輸(shū)出信号(hào)有着較(jiao)寬的頻(pin)率範圍(wei)，所以采(cǎi)用常規(guī)的低通(tōng)濾波很(hen)難将噪(zao)聲去除(chú)。針對流(liú)量傳感(gan)器輸出(chu)🌈信号的(de)特點，利(lì)用現有(yǒu)的模♉拟(nǐ)濾波器(qi)設計公(gong)式，實現(xian)巴特沃(wò)斯帶阻(zu)濾波器(qì)的💰設計(jì)，其系統(tong)傳遞函(hán)數可以(yi)表示爲(wèi)：

　　因此，設(she)計巴特(te)沃斯帶(dai)阻濾波(bō)器的實(shi)質就是(shi)要明确(què)🏃🏻‍♂️帶寬，并(bìng)确定階(jie)數N，在MATLAB中(zhōng)完成濾(lü)波器的(de)設計，并(bìng)找出系(xì)數B、a，使其(qí)滿足預(yù)設的技(jì)術要求(qiú)。
1.2　濾波器(qì)實現
　　電(dian)磁流量(liang)計的頻(pín)率輸出(chū)範圍由(yóu)實際應(yīng)用場景(jǐng)決定，本(běn)文♋假設(shè)其範圍(wéi)0～100HZ。依據奈(nai)奎斯特(te)抽樣定(ding)理，爲了(le)無失👣真(zhēn)地恢複(fu)出采❌樣(yang)信号，取(qǔ)樣頻率(lǜ)爲采樣(yàng)頻率🚶‍♀️的(de)2倍，即200HZ。爲(wei)了去除(chú)50HZ工頻幹(gàn)擾，選取(qǔ)49HZ的下㊙️限(xiàn)截止頻(pin)率🍉；選取(qu)51HZ的上限(xiàn)截止頻(pín)率；折疊(die)頻率爲(wei)采樣頻(pín)率的1/2，取(qu)Ｍ＝100；對通帶(dài)頻率作(zuo)歸一化(hua)處🔴理，取(qǔ)Ｗｐ

　　衰減取(qu)值3dB，即ｐ＝3；阻(zu)帶頻率(lü)取值20dB，即(jí)s=20；确定階(jie)數N和截(jie)止頻率(lǜ)WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最後确(que)定巴特(tè)沃斯帶(dai)阻濾波(bo)器，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過(guò)MATLAB，設計出(chu)巴🥰特沃(wò)斯帶阻(zǔ)濾波器(qi)［6］，再繪制(zhì)巴特沃(wo)斯帶阻(zu)濾波器(qì)的幅頻(pín)響應曲(qu)線和相(xiang)頻響應(yīng)✔️曲線，如(rú)圖1所示(shi)：

2　MATLAB仿真
　　爲(wèi)了驗證(zheng)信号處(chù)理算法(fa)的可行(háng)性，需在(zai)MATLAB中模拟(ni)工業現(xian)場下的(de)傳感器(qi)輸出信(xin)号。因爲(wei)從流量(liang)傳感器(qì)獲取的(de)電壓信(xin)号十分(fèn)弱，尤其(qi)在導電(diàn)液體流(liu)速較小(xiao)的情形(xing)下，有用(yòng)信号可(ke)能會淹(yān)沒在各(gè)種噪聲(shēng)中🌈。所以(yi)在MAT-LAB仿真(zhēn)時，要參(cān)考實際(jì)環🥰境下(xià)輸出信(xìn)号，模拟(ni)的傳感(gan)器輸🏃‍♂️出(chu)信号，要(yào)摻雜着(zhe)工頻幹(gàn)擾、同相(xiang)幹擾、白(bái)噪聲等(děng)幹擾。在(zai)導電液(yè)體的流(liu)速小于(yu)1ｍ/ｓ情形下(xià)，流量傳(chuán)感器能(néng)獲取到(dào)的電壓(ya)小于10ｍV。本(běn)文采用(yòng)取低頻(pin)矩形波(bo)勵磁的(de)勵磁方(fang)案，選取(qu)50HZ工頻的(de)1/8作勵磁(cí)頻率☔，即(ji)6.25HZ。因此，本(běn)文模拟(ni)輸出信(xìn)号：

　　式（3）中(zhōng)，等号右(yòu)邊的各(gè)項依次(cì)表示所(suǒ)需的流(liu)量信号(hao)、工頻幹(gan)🏃🏻‍♂️擾、零漂(piāo)、白噪聲(shēng)。産生的(de)信号如(rú)圖2所示(shi)。
通過MATLAB，對(dui)模拟的(de)傳感器(qì)輸出信(xin)号進行(háng)巴特沃(wo)斯帶阻(zu)濾⚽波，從(cóng)圖🐇3中可(kě)以看出(chu)噪聲在(zài)一定程(chéng)度上被(bèi)消除，具(ju)體哪種(zhǒng)噪聲被(bèi)❄️去除，可(ke)以通過(guo)對信号(hào)作傅裏(li)葉變換(huàn)，得到相(xiàng)應的頻(pín)譜。使用(yòng)巴特沃(wò)斯帶阻(zǔ)濾波器(qi)濾波前(qián)❌後的對(dui)比結果(guǒ)如圖3所(suo)示。


　　分别(bie)對上一(yi)步濾波(bo)前後的(de)信号進(jin)行ＦＦＴ變換(huàn)，得到頻(pín)譜圖，這(zhè)一步是(shì)通過MATLAB實(shi)現的，濾(lü)波前後(hòu)的頻譜(pǔ)對比如(rú)圖4所示(shì)。
　　通過MATLAB，對(duì)信号處(chù)理算法(fǎ)進行仿(pang)真，分别(bié)對濾波(bo)前後的(de)波形圖(tu)、頻譜圖(tú)進行對(dui)比，發現(xian)此濾波(bō)方法可(kě)以🔞有效(xiao)濾除50HZ工(gong)頻💘幹擾(rǎo)，驗證了(le)所設計(jì)的濾波(bo)方法的(de)可行性(xing)。
3　基于MSP430的(de)算法實(shí)現
3.1　系統(tong)硬件介(jiè)紹
　　基于(yú)ＴＩ公司的(de)MSP430芯片，研(yan)制了電(dian)磁流量(liang)計的變(bian)送器，此(ci)芯片是(shi)16位🌈超低(di)功耗混(hùn)合型微(wēi)處理器(qi)［７］，并且具(ju)有豐富(fu)的外設(shè)，方便系(xi)統功能(neng)擴展。硬(ying)件原理(li)如圖5所(suǒ)示🚶，由前(qián)置放大(da)調🐪理電(diàn)路、勵磁(cí)電路、電(diàn)流信号(hao)輸出電(dian)路、脈沖(chòng)信🐉号輸(shū)出電🐆路(lu)、LCD顯示、鍵(jian)盤、RS232模塊(kuai)、開關電(dian)源構⭕成(cheng)。前置放(fàng)大調理(li)電路主(zhǔ)要完成(cheng)對電極(ji)信号的(de)放🔱大、V/F轉(zhuan)換等功(gong)能，電流(liu)輸出模(mó)塊實現(xiàn)4～20ｍA電流輸(shū)出，脈沖(chòng)輸出模(mo)塊實現(xiàn)脈沖量(liàng)的輸出(chu)，LCD和按鍵(jian)用于配(pèi)置和顯(xiǎn)🚶‍♀️示流量(liang)相關參(can)數，RS232用于(yú)通訊，開(kai)關電源(yuan)用于給(gěi)系統提(ti)供直🏒流(liú)電壓。


3.2　系統軟(ruan)件設計(ji)
　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計模塊(kuài)化的，都(dōu)是由主(zhǔ)監控程(cheng)序調用(yong)分😘配。軟(ruan)件部分(fèn)主要包(bao)括：初始(shi)化模塊(kuai)、通信模(mó)塊、Watchdog模塊(kuài)、信号處(chu)理模塊(kuai)⚽、驅動模(mo)塊等。總(zong)體框架(jia)如圖6所(suo)示。

　　通(tōng)過MSP430控制(zhì)驅動模(mó)塊産生(shēng)勵磁電(diàn)流，以此(ci)激勵流(liu)量傳✍️感(gan)👅器的勵(li)磁線圈(quān)，從而将(jiang)導電液(ye)體的流(liu)量信号(hao)㊙️轉換爲(wei)微弱的(de)🙇🏻電動勢(shì)，再對其(qí)進行放(fàng)大調理(lǐ)、整流濾(lǜ)波和偏(piān)置調🔞整(zhěng)，最後送(sòng)到AD652進行(hang)V/F采樣☎️［8］。在(zài)本文設(she)計的電(dian)磁流量(liang)計中，采(cai)⭐用帶阻(zǔ)濾波的(de)方法對(dui)信号進(jìn)行實時(shí)處理，得(de)到流量(liang)信号的(de)幅值，再(zài)🔴結合儀(yí)表的⛱️相(xiàng)應參數(shù)，将幅值(zhí)轉換成(cheng)需要的(de)流量信(xìn)号，再通(tong)過❄️Modbus将流(liú)量信息(xī)傳送至(zhi)上位機(ji)。
3.3　實驗結(jie)果
　　通過(guò)水流量(liàng)标定實(shí)驗驗證(zheng)帶阻濾(lü)波算法(fǎ)的可行(háng)性📞。标定(dìng)方法有(you)标準表(biao)标定法(fǎ)和稱重(zhong)标定法(fa)，采取标(biāo)準表标(biāo)定法，将(jiāng)被💋測表(biao)的測量(liàng)結果和(he)标準表(biǎo)的測量(liang)結果進(jin)行比較(jiao)。結合相(xiàng)關的參(can)數，計算(suàn)出系統(tong)的測量(liàng)精度和(he)重複性(xing)，實驗結(jie)果如表(biao)1所示。

　　從(cong)上述實(shi)驗結果(guǒ)可知，在(zai)頻率是(shi)6.25HZ的矩形(xíng)波勵磁(cí)下，在流(liu)量範圍(wéi)🏃‍♀️是20～200ｍ3/ｈ的條(tiao)件下，得(dé)到電磁(cí)流量計(ji)的測量(liang)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻精度高(gao)于0.4％，達到(dao)了工業(ye)測量要(yào)求。
4　結語(yǔ)
　　本文主(zhǔ)要針對(duì)電磁流(liú)量計的(de)50HZ工頻幹(gàn)擾，提出(chu)采用巴(ba)⭕特沃斯(sī)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼帶🙇🏻阻濾(lü)波的信(xìn)号處理(li)方法。爲(wei)了驗證(zheng)濾波算(suan)法的可(kě)行性，并(bìng)測試🐆電(diàn)磁流量(liàng)計的測(ce)量精度(dù)，采用标(biao)準表标(biāo)定法進(jìn)行了水(shui)流量标(biao)定。

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