摘要(yao):電磁流量(liang)計 是一種(zhǒng)應用廣泛(fàn)的測量導(dao)電液體體(ti)積流量的(de)儀🐉表🍓。測量(liang)時,金屬電(diàn)極與電解(jiě)質會發生(sheng)電化學反(fan)應,産生極(ji)化噪聲。極(jí)化🤞噪聲幅(fu)值遠高于(yú)流量信号(hào)幅值,使電(dian)極輸出信(xìn)号信㊙️噪比(bǐ)較♍低;極化(huà)噪聲存在(zai)漂🙇‍♀️移的現(xiàn)象,會影響(xiang)電磁流量(liàng)計變送器(qì)的信号調(diao)理🐉工作,限(xiàn)制電💯路的(de)放大倍🔴數(shù),增加ADC采樣(yàng)😘位數電路(lù)成本、功耗(hào)等。對此❗,提(tí)出了一種(zhong)基于前饋(kuì)控制的自(zi)适應極化(huà)噪聲抵消(xiāo)方案，設計(jì)了相應的(de)信号調理(lǐ)電路📱,通過(guò)硬件電路(lu)實時提取(qu)和抵消極(ji)化💘噪聲極(jí)大地提高(gao)了電極輸(shū)出信号信(xin)噪比。通過(guo)試驗,驗證(zhèng)了🈲該方案(àn)不但能有(yǒu)效濾除極(jí)化噪聲,而(er)且能提高(gao)信号調理(lǐ)電路🏃🏻的放(fàng)大倍數、減(jiǎn)少ADC的采樣(yang)位數減少(shǎo)電路的♈成(chéng)本和功耗(hao)。
0引言
　　電磁(cí)流量計是(shì)一種根據(ju)法拉第電(diàn)磁感應定(ding)律測量導(dao)電💁液體📧體(tǐ)積流量的(de)儀表,廣泛(fan)應用于石(shi)油、化工、冶(yě)金、造♌紙等(děng)行業。信号(hào)測量時,傳(chuan)感器電極(jí)拾取流量(liàng)信号和噪(zào)聲信号✉️。流(liu)量信号幅(fu)值🏃🏻‍♂️一.般爲(wèi)幾十到數(shu)百微伏。而(er)噪聲⁉️信号(hào)中的極化(huà)噪聲存在(zài)漂移的現(xian)象,幅值一(yī)般在幾毫(háo)伏到數百(bai)毫伏區間(jiān)變化🏃‍♂️,也有(yǒu)可能達到(dào)數伏"。兩者(zhě)幅值的巨(ju)大差異以(yi)及極化噪(zào)聲無法通(tong)過良好的(de)接地或者(zhe)改變勵磁(ci)的方式消(xiāo)除,極大地(dì)影響了信(xin)噪比。
　　爲了(le)提高電磁(ci)流量計傳(chuan)感器輸出(chu)信号的信(xìn)噪比🌈，目前(qián)，國🏃🏻‍♂️内外🈲主(zhǔ)要有四種(zhǒng)解決方案(an)。
①極化噪聲(shēng)補償的方(fang)案。根據極(ji)化噪聲緩(huǎn)慢變化的(de)特點,采用(yong)不勵磁時(shí)段極化噪(zao)聲來補償(chang)勵磁時段(duan)的極♉化噪(zao)聲。但是,由(you)👌于極化噪(zao)聲的不規(guī)律性,會導(dao)緻電磁流(liu)量計的零(ling)點較差。
②低(dī)通濾波反(fǎn)饋的方案(àn)[2]。根據極化(huà)噪聲所處(chu)的頻帶略(lue)🚶‍♀️低于流量(liang)🤩信号的特(te)點,采用一(yi)階低通濾(lǜ)波器提取(qu)極化噪聲(sheng),并進行反(fan)饋補償。但(dàn)是,低通濾(lü)波器的過(guò)渡帶很寬(kuān),會使流量(liang)信号出現(xian)畸變的現(xiàn)象。因此，該(gāi)方案被用(yòng)在瞬态勵(li)磁中,尚未(wèi)應用于商(shāng)用儀表☀️。
③采(cai)用精度高(gāo)的模數轉(zhuan)換器(analogtodigitalconverter,ADC)的方(fang)案。利用32位(wei)精度高的(de)模🌈數轉換(huan)器直接采(cai)集信号,然(ran)後通過數(shù)字信号處(chù)理方法提(ti)取出流👉量(liang)信✔️号。但該(gāi)方案增加(jia)了程序的(de)複雜🏒性。同(tóng)時⛹🏻‍♀️,精度高(gao)的模數轉(zhuan)換器🈲的分(fen)辨率與采(cai)樣率成反(fǎn)比。因此，.爲(wei)了保證較(jiào)高的分辨(bian)率,隻能⛹🏻‍♀️使(shǐ)用很低的(de)勵磁頻率(lǜ)。
④阈值控制(zhi)的偏置調(diao)節方法”。當(dāng)信号超過(guò)設定的阈(yu)值時🔅,數🈲字(zì)信号處理(lǐ)器(digitalsignalprocessor,DSP)控制數(shu)模轉換器(qì)(digitaltoanalogconverter,DAC)模塊輸出(chu)偏置調節(jie)電壓,将傳(chuán)感器輸出(chu)信号調整(zheng)到0附近。但(dan)這種調節(jie)方法會使(shǐ)流量信号(hao)産生一個(gè)跳變，對後(hou)續的梳狀(zhuang)帶通濾波(bo)造成影響(xiang),導緻輸出(chu)🥰信号出現(xian)間斷性錯(cuò)誤。
　　爲此,極(jí)化噪聲産(chan)生的具體(ti)原因及分(fen)布特性,提(ti)出前饋控(kòng)制的🆚自适(shi)應極化噪(zào)聲抵消方(fāng)案。基于該(gāi)方案，電磁(ci)流量計變(bian)送器中的(de)信号調理(lǐ)電路;并用(yong)調理電路(lu)替換課題(tí)組研制的(de)電🏃🏻磁流量(liàng)計變送器(qì)中的調理(lǐ)電路,形成(cheng)一套完整(zhěng)的電磁流(liú)量計變送(song)器,進行驗(yan)證試驗。
1噪(zào)聲分析
　　極(jí)化噪聲主(zhu)要源于電(dian)極與電解(jiě)質的電化(huà)學反應。金(jin)屬電極帶(dai)電的正離(li)子逐漸溶(rong)解于所測(ce)量的電解(jie)質🎯流體,自(zì)身帶負🈲電(diàn)荷🐅,緻使電(diàn)解質流體(ti)中的正負(fù)電荷中心(xin)發生相對(dui)位移,形成(cheng)複雜的電(dian)解雙層結(jié)構。雙電層(ceng)之間産生(shēng)-一個電場(chǎng),從而在電(dian)解質流🤟體(ti)和電極之(zhī)間形成電(dian)位差。這個(gè)電位差就(jiù)是極化電(dian)勢。若兩電(dian)極結構完(wán)全相同❓,則(ze)極化電勢(shì)會相互抵(dǐ)消。但由于(yu)兩電極表(biǎo)面的結構(gòu)差異,極化(huà)電勢會由(you)共模電壓(ya)轉爲差模(mo)電壓,并耦(ǒu)合在信号(hao).上。該極化(huà)電勢被認(ren)爲是直流(liú)分量[1,460而且(qie),電極表面(miàn)上的灰🎯塵(chén)或放電離(li)子等沉積(ji)物會随着(zhe)時間的推(tui)移緩慢累(lei)積。當有流(liu)動的電解(jiě)質流體出(chū)現或電解(jiě)質流體流(liu)速發生變(bian)化時,這些(xiē)累積的✌️沉(chén)積物會被(bèi)慢慢撕開(kai)。在這一-過(guò)程中,極化(huà)電勢大小(xiao)會發生🐪随(suí)機變化,形(xíng)成漂移的(de)極化電壓(yā)”。極化電壓(ya)的大小在(zài)一定程✨度(du)上取決于(yú)電極的制(zhì)作材料和(he)所測量的(de)電解質流(liu)體的性質(zhì);同時,也受(shou)溫度的影(ying)響。
　　爲了研(yán)究極化噪(zào)聲的特性(xing),研制了對(duì)電極輸出(chū)信号進⛹🏻‍♀️行(háng)放大和高(gao)頻濾波的(de)信号調理(lǐ)電路1。配合(he)原有的變(bian)送器,針對(duì)口徑爲40mm的(de)電磁流量(liàng)傳感器,采(cǎi)集濾除高(gāo)🏃🏻頻且放大(dà)的電極輸(shu)出☎️信号,并(bing)進行頻譜(pu)分析。其中(zhōng),勵😍磁頻率(lü)爲12.5Hz,水流量(liang)爲20m'/h,采樣頻(pín)率爲1500Hz,采樣(yàng)時間爲200s。信(xin)号調理電(dian)路1輸出信(xin)号及頻譜(pǔ)✏️如圖1所示(shì)。

　　觀察信号(hao)調理電路(lu)的輸出信(xìn)号可以發(fa)現:電極輸(shū)出✌️信号經(jīng)😍過信号調(diào)理電路放(fang)大後存在(zai)嚴重的漂(piāo)🙇‍♀️移現象,信(xìn)🏃🏻‍♂️号累積的(de)📧漂移量達(da)到了1.2V,遠大(da)于70mV左右的(de)流量信🧡号(hao)(流速爲1m/s信(xin)号🧑🏾‍🤝‍🧑🏼幅值約(yue)爲100μV,流量爲(wèi)20m/h時流速爲(wei)4.44m/s,信号幅值(zhi)約爲444μV,放大(dà)🌈170倍後約爲(wei)75.5mV;70mV爲觀測結(jié)果)。而該結(jie)果僅僅是(shì)将電極輸(shu)出信号放(fang)大了170倍。當(dang)放大倍數(shu)更大時,如(rú)果任由電(diàn)極輸出信(xìn)号發生漂(piāo)移,那麽放(fàng)大器輸出(chu)信号很可(ke)能達到飽(bǎo)和,ADC的👈供電(dian)電壓會達(dá)到5V,導緻ADC無(wu)法正常工(gong)⛷️作。
　　爲了觀(guān)察流量信(xìn)号與極化(huà)噪聲的頻(pín)段分布,将(jiang)290000點信号📐去(qu)均值後,從(cóng)4096點開始，等(deng)距取60段,每(měi)段4096點,分别(bie)作4096點的♌快(kuai)速傅裏葉(yè)變換(fastFouriertransform,FFT),并求(qiu)出其平均(jun)幅值譜,如(ru)圖1(b)所示。由(you)圖1(b)可以看(kàn)出:極化噪(zào)聲以直流(liu)噪聲爲主(zhǔ),主🧑🏽‍🤝‍🧑🏻要分布(bù)于零頻附(fù)近的低頻(pin)區域,幾乎(hū)不與流量(liang)信号頻段(duan)重疊。當勵(lì)磁頻率爲(wèi)2.5~5Hz'[8]，可以用一(yī)個過渡帶(dài)特性較陡(dou)的高階低(di)通濾波器(qì)來提取極(ji)化噪聲。
2極(jí)化噪聲抵(di)消方案
2.1抵(di)消原理
　　根(gen)據極化噪(zao)聲的特性(xing),同時考慮(lǜ)到硬件系(xì)統處理噪(zào)聲更具☀️實(shi)時性與可(kě)靠性,提出(chu)一種基于(yú)前饋控制(zhi)的自适🐆應(ying)極化噪♋聲(sheng)抵消方案(an),并用硬件(jian)實現。噪聲(sheng)抵消方法(fa)原理如圖(tú)2所示。


　　最後(hou),在軟件中(zhōng)通過梳狀(zhuàng)帶通濾波(bo)和幅值解(jiě)調等信号(hào)處理方法(fa),濾除工頻(pín)幹擾和微(wēi)分幹擾，就(jiu)可以得到(dào)🔞流速🚩值。
2.2.硬(yìng)件電路研(yan)制
　　根據前(qián)饋控制的(de)自适應極(ji)化噪聲抵(di)消原理,設(shè)計了信号(hào)調理電路(lù)2,以實現極(ji)化噪聲的(de)濾除。信号(hao)調理電路(lù)2主要包括(kuo)前置差分(fen)放大電路(lu)、極化噪聲(shēng)提取與抵(di)⭕消電路、低(dī)通濾波放(fang)大㊙️電路三(sān)部分。調理(lǐ)電路如圖(tú)3所示。

①前置(zhì)差分放大(da)電路。
　　前置(zhì)差分放大(dà)電路主要(yao)實現信号(hao)的放大和(hé)共模噪聲(shēng)的抑制。電(diàn)路采用具(jù)有高共模(mo)抑制比、高(gāo)增益🏃🏻精度(dù)、低失💜調漂(piāo)移、低增益(yì)漂移的精(jīng)密儀用放(fàng)大器。前置(zhi)差分放大(da)電路如✔️圖(tú)4所示🧡。.


　　前置(zhì)差分放大(da)電路設計(jì)時要考慮(lǜ)後級電路(lu)電壓匹配(pèi)的問題。下(xia)級電路芯(xin)片供電電(diàn)壓爲+5V,而前(qián)置差⛱️分放(fàng)大電路輸(shū)出信号存(cun)在負電壓(yā)。因此,需要(yao)加入直流(liu)基準。電極(jí)輸出信🔅号(hao)中流量信(xìn)号🌈及其他(tā)噪聲幅值(zhí)遠小于極(jí)化噪聲幅(fú)值。由于檢(jiǎn)測到的電(dian)極輸出信(xìn)号中極化(huà)噪聲幅值(zhi)🤟最大爲+200mV，電(dian)路放大4.1倍(bei),那麽放大(da)器輸出的(de)極化噪聲(shēng)幅值最大(da)也隻有+820mV。而(ér)電路直接(jie)加入了2.5V的(de)參考電壓(yā)，足以将前(qián)置差分放(fang)大電路🏃‍♀️輸(shu)出信号由(yóu)雙極📐性轉(zhuan)爲單極性(xing)。
②極化噪聲(sheng)提取與抵(dǐ)消電路。
　　極(ji)化噪聲提(tí)取與抵消(xiāo)電路是爲(wei)了實現極(jí)化噪聲🈲的(de)提✏️取、抵消(xiao)和流量信(xin)号的放大(da)。電路分爲(wei)極化噪👣聲(shēng)提取電路(lu)和噪聲抵(di)消與放大(da)電路,分别(bié)由八階巴(bā)特沃斯低(dī)通濾波器(qi)和精密儀(yí)用放大器(qi)構成。
　　極化(huà)噪聲提取(qu)電路通過(guò)八階巴特(tè)沃斯低通(tong)濾波⚽器來(lái)提取極化(hua)噪聲。此低(di)通濾波器(qì)過渡帶非(fēi)常窄,其截(jie)止頻率f。的(de)大小可以(yi)通過外接(jie)電容在1Hz~2kHz之(zhi)間調⛹🏻‍♀️節。當(dang)fiw=2f。時,信号增(zēng)益爲-48dB,輸出(chū)信号衰減(jiǎn)爲原信号(hao)的1/251。當fw=3f時,信(xin)号增益爲(wèi)-76dB,輸出信号(hào)衰減🔞爲原(yuan)信号✨的1/6310。如(ru)設置🐪f。=1Hz,那麽(me)輸出信号(hào)中完整保(bǎo)留1Hz及以下(xià)頻段的信(xìn)号,1~3Hz内的信(xin)号出現不(bu)同程度衰(shuāi)減,3Hz及以上(shàng)信号被完(wán)♊全衰減。由(you)此就可以(yǐ)通💃🏻過該八(bā)階低頻濾(lǜ)波器濾除(chu)勵磁🔴頻率(lǜ)12.5Hz(6.25Hz.3.125Hz)及以上頻(pín)段的信号(hao),精确提取(qu)出極✌️化噪(zao)聲。
　　噪聲抵(di)消與放大(da)電路中,采(cai)用前置差(chà)分放大後(hou)的☔電極🍉輸(shū)出信号減(jian)去低通濾(lü)波器提取(qǔ)的極化噪(zào)聲,以實現(xiàn)極化噪聲(sheng)的自适應(ying)抵消。此時(shí),經過噪聲(shēng)抵消後的(de)信号中隻(zhi)含有流量(liang)信号和高(gāo)頻噪聲,而(er)且高頻噪(zào)聲幅值小(xiǎo)于流量信(xìn)号🐆幅值,因(yin)此🛀可以通(tong)過放大器(qì)實現信号(hao)的更高倍(bèi)數放大。以(yi)口徑爲40mm的(de)電磁流量(liang)傳感器爲(wei)例:當流速(su)爲🌐5m/s時,檢測(cè)到流量信(xin)号👣峰峰值(zhi)爲1mV;以10m/s爲流(liú)速上限，則(ze)流量信号(hao)峰峰值最(zuì)大爲2mV。由于(yú)ADC采用5V供電(diàn),考🙇‍♀️慮到芯(xīn)片性能等(děng)因素,不可(ke)能将流量(liàng)信号完全(quan)放大到芯(xin)片供電電(dian)壓範圍。對(duì)此,将信号(hao)最大放大(dà)🤞到+4V,那麽信(xìn)号調理電(diàn)路最大放(fàng)大倍數可(ke)達4000倍。扣除(chu)前置放大(da)4.1倍,那麽後(hou)兩級電路(lu)最大可🛀🏻放(fàng)大975倍。
③低通(tong)濾波放大(dà)電路。
　　低通(tong)濾波放大(da)電路的主(zhu)要目的是(shì)實現高頻(pín)噪聲的⭐濾(lü)除。
　　電極輸(shu)出信号經(jing)過自适應(yīng)極化噪聲(shēng)抵消後,除(chú)了12.5Hz(6.25Hz3.125Hz)的流量(liang)信号外，還(hái)存在高頻(pin)噪聲。高頻(pin)噪聲進人(rén)ADC後📱,可能會(huì)造成信号(hao)的混疊。所(suo)以,需要采(cǎi)用低通濾(lǜ)波器來濾(lǜ)💋除高頻噪(zao)聲。
低通濾(lü)波放大電(diàn)路如圖6所(suǒ)示，

　　低通濾(lǜ)波放大電(dian)路采用兩(liang)級二階巴(bā)特沃斯低(dī)通♌濾波器(qi)級聯來構(gou)成四階低(dī)通濾波器(qì),其放大倍(bèi)數爲10.9倍。考(kǎo)慮到能更(gèng)多地保留(liú)流量信号(hao)的諧波，設(shè)置💯濾波器(qì)截止頻率(lǜ)爲1.5kHz。
3驗證試(shi)驗
　　爲了驗(yàn)證基于前(qián)饋控制的(de)自适應極(jí)化噪聲抵(dǐ)消❤️方🐅法的(de)效🈲果,設計(jì)了信号調(diao)理電路2,并(bing)替換本課(ke)題組研制(zhi)的電磁流(liu)量變送器(qi)中的信号(hao)調理電路(lù);再匹配電(dian)磁流量傳(chuan)感器🔴,組成(cheng)了㊙️一個完(wan)整的基于(yu)數字信号(hào)處理器(digitalsignalprocessor,DSP)的(de)電磁流量(liàng)計👣[8-0,。在容積(ji)法水流量(liang)标定裝置(zhi)上進行了(le)信号調理(li)電路濾波(bo)㊙️試驗、電磁(ci)流㊙️量計水(shui)流量标定(dìng)試驗和降(jiàng)ADC位數試驗(yàn)。
3.1試驗裝置(zhì)
　　試驗裝置(zhì)由水流量(liang)标定裝置(zhi)和數據采(cai)集系統組(zu)成,如圖7所(suǒ)示。

　　圖7中:水(shui)流量标定(ding)裝置的不(bú)确定度爲(wèi)0.2%,電磁流量(liàng)傳✔️感器口(kǒu)徑⛹🏻‍♀️爲♍40mm,電磁(ci)流量變送(sòng)器的勵磁(ci)頻率爲12.5Hz。信(xin)号調理電(diàn)路放大👣倍(bèi)數和ADC位數(shù)可調:在信(xin)号調理電(dian)路濾波試(shi)驗和電磁(ci)流量計水(shuǐ)流量标定(dìng)試驗中放(fàng)大倍數爲(wèi)340倍,ADC位數爲(wei)24位;在降ADC位(wèi)數試驗中(zhong)放大倍數(shu)爲3500倍,取24位(wèi)ADC的高🐪14位來(lái)模拟16位ADC。
3.2信(xìn)号調理電(diàn)路濾波試(shi)驗
　　爲驗證(zhèng)基于自适(shi)應極化噪(zao)聲抵消方(fāng)法的信号(hào)調理電路(lu)對極化噪(zao)聲的消除(chú)效果,在信(xìn)号調理電(diàn)路2輸人信(xìn)号不斷發(fa)生♉漂移的(de)情況下(如(rú)圖1(a)中情況(kuàng)),通過上位(wei)💋機(采樣頻(pin)率1500Hz,采樣時(shí)長🈲200s)采集流(liu)速爲5m/s(流速(sù)越🍉大,極化(huà)噪聲幅值(zhi)越🏃🏻大)的信(xìn)号調理電(dian)路2輸出信(xìn)号,并對其(qí)進行🍉了頻(pín)譜分析。
信(xin)号調理電(diàn)路2輸出信(xin)号及頻譜(pǔ)圖如圖8所(suo)示。
　　觀察信(xìn)号調理電(dian)路2輸出信(xin)号,發現經(jing)過自适應(yīng)極化噪🐆聲(shēng)抵消後,信(xin)号平穩分(fèn)布于零點(diǎn)上下,基本(ben)不存在漂(piāo)移的現象(xiàng),如圖8(a)所示(shi)。
　　信号頻譜(pu)分析方法(fa)與圖1(b)噪聲(sheng)分析時的(de)相同,即将(jiāng)290000點🔴信号去(qu)基準後,從(cóng)4096點開始，等(děng)間距取60段(duàn),每段4096點,再(zai)分别作4096點(dian)FFT,最後💃🏻求出(chū)其平均幅(fu)值譜,如圖(tu)8(b)所示。根據(jù)頻譜圖可(kě)以發現:經(jīng)過自适應(ying)極化噪聲(sheng)抵消後信(xìn)号調理電(dian)路2輸出信(xìn)号中基本(běn)不存在極(jí)❗化噪聲,隻(zhi)存在12.5Hz的流(liú)量信号。由(you)此說明,基(jī)于前饋控(kong)制的自适(shì)應極化噪(zào)聲抵消電(diàn)路能有效(xiào)濾除電極(jí)輸出💜信号(hào)中的極化(huà)噪聲。

3.3電磁(ci)流量計水(shui)流量标定(dìng)試驗
　　爲了(le)測試基于(yú)自适應極(ji)化噪聲抵(di)消方法的(de)信号調理(lǐ)😘電㊙️路2的實(shí)際效果,進(jìn)行了容積(jī)法水流量(liàng)标定試驗(yan)。标定👣試驗(yan)中,在流速(sù)🍉爲0.15~5m/s的範圍(wei)内，共選取(qǔ)了6個标定(dìng)點❓,并通過(guò)🔆示值誤差(chà)拟合方法(fǎ)計算儀表(biǎo)系數🔱"],然後(hòu)驗證了電(diàn)磁流量計(ji)的精度。放(fang)大340倍24位ADC水(shui)流量🈲标定(ding)試驗結🤩果(guo)如表1所示(shi)。

　　由表1可知(zhī):在流速爲(wei)0.5~5m/s的範圍内(nèi),電磁流量(liang)計的最大(da)測量誤差(cha)都在+0.3%以内(nèi),重複性誤(wu)差均在0.1%以(yǐ)内,滿足0.3級(ji)⭐電磁流量(liang)計要求。該(gāi)結果說明(míng),采用該信(xin)号調理電(diàn)路的基于(yú)DSP的電磁流(liú)量計具有(yǒu)很好的測(ce)量精度。同(tóng)時,與放大(dà)倍數爲180倍(bèi)的電磁流(liu)量計相比(bi)，該設計提(ti)👣高了流量(liàng)信号的放(fang)大倍數,可(kě)以實現更(gèng)低流量的(de)🌈測量,即可(ke)以采用該(gāi)方法來拓(tuo)寬電磁流(liú)量計❤️的測(cè)✔️量下限。
3.4降(jiang)ADC位數試驗(yan)
　　當電路放(fang)大倍數較(jiao)大時，流量(liàng)信号幅值(zhí)相應較高(gao),對ADC分辨率(lǜ)的要求降(jiang)低,這樣就(jiu)可以采用(yong)位數較低(dī)的ADC來實現(xiàn)信号的測(ce)✨量。同💋時，降(jiang)低ADC位數也(yě)将降低電(diàn)路的成本(ben)。所以🙇‍♀️,通過(guò)改變電路(lu)的放大倍(bei)數和ADC采樣(yàng)🌂位數，并采(cai)用水流量(liang)标定試驗(yan)進行驗證(zheng)。
　　電極輸出(chu)信号經過(guo)自适應極(jí)化噪聲抵(di)消後,信号(hao)調理電路(lu)💜2最大放大(dà)倍數可達(dá)4000倍。所以,可(ke)将信号調(diao)理電❓路2的(de)放大🌂倍數(shù)由340倍提高(gāo)至3500倍。普通(tong)DN40的電磁流(liu)量傳感器(qi)流速測量(liang)下限爲0.5m/s,通(tōng)過上位機(jī)采集了放(fang)大3500倍的信(xìn)号,發.現流(liu)速0.5m/s時信号(hao)峰峰值約(yue)爲346.7mV,而測量(liang)電壓範圍(wéi)爲+5V的16位ADC的(de)分辨♻️率爲(wèi)153μV,足以識别(bie)信号。所以(yǐ)🈲,采用了16位(wei)ADC。16位ADC有效位(wèi)數-一般在(zai)14~16位。爲了方(fang)便在🎯同等(děng)條件下驗(yan)證效果🏃🏻‍♂️,不(bu)再重新設(shè)計電路,而(er)是在标定(ding)時取原有(you)24位ADC的高14位(wèi)來模拟16位(wei)ADC的效果。
　　在(zài)流速爲0.5~5m/s的(de)範圍内，共(gòng)選取了5個(gè)标定點,并(bìng)通過示值(zhi)🌂誤差🐪拟合(he)方法計算(suàn)出儀表系(xì)數。然後,驗(yan)證電磁流(liu)量計的精(jīng)度🌏。放大👅3500倍(bei)、16位ADC水流量(liang)标定試驗(yàn)結果如表(biao)2所示。

　　由表(biǎo)2可知:在流(liu)速爲0.5~5m/s的範(fàn)圍内,電磁(ci)流量計的(de)最大測量(liang)誤🌈差都💋在(zai)+0.3%以内,重複(fú)性誤差均(jun1)在0.1%以内,滿(man)足0.3級電磁(ci)😍流量計要(yào)🤟求。這🍓說明(ming)提出的基(jī)于硬件系(xi)統前饋控(kong)制🐆的自适(shì)應極化噪(zao)聲抵消方(fāng)法能有效(xiào)抵消極化(huà)噪聲,可以(yǐ)将信号放(fang)大較高的(de)倍數,從而(er)有效降低(dī)ADC的采樣位(wei)數,并減少(shǎo)成本。另外(wai)，濾除極化(huà)噪聲🤟後,放(fàng)大的電🏃‍♂️極(jí)輸出信号(hào)幅值在電(diàn)路中不會(hui)🙇‍♀️超過+5V。這樣(yang)就可以将(jiang)電路中芯(xin)片的供電(dian)電壓降至(zhi)+5V,以減小電(diàn)路功耗。
4結(jié)論
　　極化噪(zào)聲幅值遠(yuan)高于流量(liang)信号幅值(zhí),會造成電(dian)極輸出㊙️信(xin)🧡号信噪比(bǐ)較低;同時(shí)，極化噪聲(sheng)的漂移會(hui)限制電路(lu)的放大🧑🏽‍🤝‍🧑🏻倍(bei)數,增加了(le)ADC采樣位數(shu)、電路成本(běn)、功耗等。針(zhēn)對這些問(wèn)題,通過對(duì)電極輸出(chū)信号采集(jí)與頻譜分(fèn)析,研究了(le)極🏃🏻化噪聲(shēng)的分布特(te)性,發現漂(piāo)移♊的極化(hua)噪聲🧡主要(yao)分布于零(ling)頻附近的(de)低頻區域(yu),基本不與(yǔ)信号🐆頻段(duàn)重疊。
　　根據(ju)極化噪聲(sheng)的分布特(tè)性,提出了(le)一種基于(yú)前饋控💰制(zhì)的自🎯适應(yīng)極化噪聲(shēng)抵消方案(àn),并用硬件(jiàn)系統實現(xian)。前置差分(fen)放大後的(de)電極輸出(chū)信号經過(guo)一一個八(bā)階低通濾(lü)波器,提取(qǔ)出其中的(de)極化噪聲(shēng);然後以極(jí)化噪聲作(zuò)爲前☂️饋量(liang),經過下級(jí)放大器,用(yong)差分放大(da)後的電極(ji)輸出信号(hào)減去極化(hua)噪聲,以此(cǐ)實現🌈極化(huà)噪聲的自(zì)👄适應抵消(xiāo)。
　　爲驗證該(gai)方案的實(shi)際效果,設(shè)計了信号(hao)調理電路(lù)2,配合課題(ti)組原有的(de)變送器及(jí)DN40傳感器，在(zai)容積法水(shuǐ)流量标定(dìng)裝置📱上進(jin)行了試驗(yan)。信号調理(li)電路濾波(bo)試驗結🏃‍♀️果(guǒ)表明,該系(xi)統能夠有(yǒu)效消除電(dian)極輸出信(xin)号中的極(ji)化噪聲。電(dian)磁流量計(jì)水流量标(biao)定試驗結(jié)果表明,當(dāng)信🔆号調理(li)電路放大(da)340倍、ADC爲24位時(shi),在流速爲(wei)0.5~5m/s的範圍内(nèi)，流✍️量計的(de)精度爲0.3級(jí)。這說明采(cai)用自🐉适應(yīng)極化噪聲(sheng)抵消方法(fǎ)的信号調(diào)理電路2能(néng)夠滿足實(shí)🌈際🔞測量要(yào)求，且提高(gāo)信号放大(dà)倍數可🐕以(yǐ)實現更低(dī)流量的測(ce)量。降ADC位數(shu)試驗結果(guo)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼表明,将信(xin)号調理電(diàn)路放大倍(bei)數提高至(zhì)3500倍,同時用(yong)24位ADC的高14位(wei)來模拟16位(wèi)ADC,在流速爲(wei)0.5~5m/s的範圍内(nei),流量🆚計的(de)精度可達(dá)0.3級。這說明(ming)🏒基于前饋(kui)控制的自(zi)适應極化(hua)噪聲抵消(xiāo)方法可以(yi)⛱️将信号放(fàng)🆚大較高的(de)倍數,從而(ér)有效降低(dī)ADC的采樣位(wei)數、芯片供(gòng)電電壓，以(yǐ)及電路成(chéng)本和功耗(hao)。

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