電磁(ci)流量計(ji)工作原(yuán)理 基于(yú)法拉第(di)電磁感(gan)應定律(lü),通過測(cè)量導電(diàn)流體在(zai)🔆磁場中(zhōng)的感♋應(ying)電動勢(shì)來推算(suan)流體流(liú)量。勵磁(cí)磁場、感(gan)應電動(dòng)💁勢采集(jí)電極、信(xin)号運算(suàn)放大電(dian)路以及(jí)模✏️數轉(zhuǎn)換器都(dou)容易受(shou)到工作(zuò)現場的(de)電場和(hé)磁場輻(fú)射耦合(he),因此電(diàn)磁耦合(hé)是流量(liàng)測量中(zhong)最主要(yào)的幹擾(rao)方式; 其(qí)次被測(cè)液體的(de)電化學(xue)反應和(hé)泥漿幹(gan)擾是流(liu)量測量(liàng)的另一(yi)噪聲來(lái)源。
1. 1 微分(fèn)幹擾産(chan)生機理(li)及對策(ce) 電磁流(liu)量計中(zhong)噪聲的(de)産生💜機(jī)理及對(dui)策
    在現(xian)行的 電(dian)磁流量(liang)計 設計(ji)中,低頻(pín)矩形波(bō)勵磁方(fāng)式結合(he)了直流(liu)勵磁和(he)交流勵(li)磁兩者(zhe)的優點(diǎn), 成爲主(zhu)要勵磁(cí)方式之(zhī)一。在低(dī)頻㊙️勵磁(ci)方式下(xià), 其幹擾(rao)主要表(biǎo)現爲: 由(yóu)勵磁電(dian)流突變(biàn)産生的(de)微分幹(gan)擾🈚信号(hao)[ 1] 。理想勵(li)磁磁場(chang)信号爲(wei)低頻矩(ju)形波, 實(shí)際上随(sui)着勵磁(ci)電流變(biàn)化🤩 ( dI /dt)在磁(cí)場上産(chan)生微分(fèn)幹📞擾信(xin)号, 随着(zhe)電流的(de)穩定, 幹(gàn)擾信号(hao)随❗之消(xiāo)失, 因此(cǐ)同步采(cǎi)樣技術(shù)可以有(yǒu)效抑制(zhì)微分幹(gan)擾信号(hao)。實際設(shè)計🍓中, 模(mó)數轉化(huà)器使用(yong) AD 公司的(de) 24位 Sigma Delta模數(shu)轉化器(qì) AD7714。 AD7714 可以分(fen)别采用(yong)硬件和(hé)軟件👨‍❤️‍👨方(fāng)式進行(háng)采樣開(kai)始時間(jiān)控制, 從(cóng)而實現(xiàn)同步采(cai)樣。采用(yong)軟件方(fāng)式時, 當(dang)控制寄(jì)存器中(zhōng)FSYNC位爲邏(luo)輯 1時, 模(mo)數轉換(huan)器處于(yú)複位狀(zhuàng)态; 向該(gai)位寫邏(luó)輯 0時, 器(qi)件開始(shǐ)采樣輸(shū)入信号(hao)。在應用(yòng)中,低頻(pin)勵磁🔴信(xìn)号由 M SP430單(dan)片機内(nei)部定時(shí)器産生(shēng), 同時産(chǎn)生采樣(yang)信号。如(ru)圖 1所示(shì), 采❓樣開(kāi)始時間(jiān)滞後勵(li)磁信号(hao)14 個周期(qī)。
1. 2 工頻串(chuan)模幹擾(rǎo)産生機(jī)理及對(duì)策
    在電(dian)磁流量(liang)計的工(gōng)作現場(chang)存在大(da)量工頻(pin)信号, 疊(die)🏃🏻加🈲在勵(lì)👌磁回🔴路(lu)、 電極、 前(qián)端放大(da)器的工(gong)頻幹擾(rǎo)噪聲對(dui)流⛱️量的(de)準确測(ce)量造成(chéng)極大影(yǐng)響。其中(zhōng)輻射耦(ou)合💃到勵(lì)磁回路(lu)的工頻(pin)輻⁉️射磁(cí)場 (包括(kuò)其諧波(bō) )造成勵(lì)磁磁場(chǎng)波動,影(yǐng)響流量(liàng)測量。

    當(dāng)流體流(liú)速較小(xiǎo)時, 工頻(pin)幹擾信(xin)号與有(you)效流量(liàng)信号👣在(zai)同一♍數(shù)量級, 嚴(yan)重影響(xiǎng)測量結(jié)果。已知(zhi)工頻耦(ou)合噪聲(shēng)基波頻(pín)率爲 50 Hz , 因(yīn)此可以(yǐ)采用模(mo)拟或數(shu)字濾波(bo)器使濾(lǜ)波器帶(dài)寬限制(zhì)在 50 Hz以内(nei)以抑制(zhì)噪聲。在(zài)實際應(ying)用中使(shi)用 Sigma Delta模數(shu)轉換器(qì) AD7714内部包(bāo)含的數(shu)字濾波(bo)模塊, 數(shù)字濾波(bō)器相對(duì)模拟濾(lǜ)波器除(chu)具有靈(líng)活性高(gāo)、參數設(shè)置方便(bian)等特點(diǎn)之外,還(hái)可以降(jiàng)低 A /D 轉換(huan)期間引(yin)入的噪(zào)聲。AD7714數字(zì)濾波器(qì)爲 ( sinx /x )3低通(tong)✉️濾波器(qì), 其在頻(pin)域的傳(chuan)遞函數(shu)爲:

式中(zhōng): fs爲采樣(yàng)頻率; AD7714采(cai)樣頻率(lü)爲 1912 kHz ; N爲濾(lü)波采樣(yàng)個數; f 爲(wei)數字濾(lǜ)波器🍓響(xiǎng)應頻率(lü)。通過設(shè)定濾波(bō)采樣個(ge)數可☁️以(yi)改變數(shù)字濾㊙️波(bō)器的截(jié)止頻率(lü)和一次(ci)陷波頻(pin)率。在本(ben)設計中(zhōng)綜合考(kǎo)慮🔱模數(shu)轉換速(sù)度和去(qù)除噪聲(shēng)性能, 設(she)置🌐 N 值使(shi)濾波🌍器(qi)截止頻(pín)率爲 50 Hz, 濾(lǜ)波🔞器頻(pin)域響♌應(ying)如圖 2所(suǒ)示, 濾波(bō)器對工(gong)頻 50 Hz及其(qi)偶次諧(xie)波有很(hen)好的抑(yi)制作用(yòng)。

    除使用(yòng)數字濾(lǜ)波器外(wài), 在 A /D輸入(ru)端設置(zhì) RC模拟低(dī)通濾波(bō)🐅器還可(kě)以📧帶來(lái)其他作(zuo)用。在實(shi)際測量(liàng)觀察到(dào)的🌐流量(liang)🌈信号🏒中(zhōng)存在尖(jiān)脈沖噪(zao)聲, 可能(neng)使模數(shu)轉換器(qì)飽和, 導(dǎo)緻數字(zì)濾波器(qì)失效, 使(shi)用模拟(ni)濾波器(qi)可以提(tí)前剔除(chu)這些信(xin)号。
1. 3 共模(mó)幹擾、 串(chuàn)擾産生(sheng)機理及(jí)對策
    共(gong)模幹擾(rǎo)的産生(shēng)主要是(shi)由于電(dian)磁屏蔽(bi)缺陷、接(jiē)地不良(liáng)、雜散🔞電(dian)容等引(yǐn)起返回(hui)電流不(bu)平衡。共(gòng)模幹擾(rao)可能導(dǎo)緻🙇🏻電路(lù)某些參(cān)考電位(wèi)變化, 是(shì)造成電(diàn)磁流量(liang)計零📧點(dian)漂移的(de)原因之(zhi)一; 同🤩時(shí)共模🏃‍♂️信(xin)号産生(sheng)很高的(de)輻射電(diàn)場使電(dian)路的電(diàn)磁兼容(róng)性惡化(huà)。串擾是(shi)由于印(yin)刷電路(lu)闆設計(ji)電磁兼(jiān)容性考(kao)慮不足(zú)造成信(xìn)号質量(liàng)下降, 特(te)别是高(gāo)速走線(xian)和模拟(ni)電路易(yi)受到影(ying)響。對💯由(yóu)共模幹(gan)擾信号(hao)導緻的(de)♻️參考電(diàn)位變化(huà), 應用中(zhong)流量電(dian)壓采用(yong)差分形(xing)式, 通過(guo)㊙️雙絞線(xiàn)送入放(fang)大器, 前(qian)🤞端放大(dà)器選🐉用(yòng)高共🔴模(mó)抑制比(bi)、 低漂移(yi)、 高輸入(ru)阻抗的(de)運放, 可(ke)以有效(xiao)抑制共(gong)模幹擾(rao)。
    此外, 電(dian)磁流量(liang)計電路(lu)闆設計(ji)符合電(dian)磁兼容(róng)性要求(qiu)降低串(chuàn)擾對信(xin)号的影(ying)響: 使用(yòng)滿足功(gōng)能要求(qiú)的速率(lü)盡可💁能(neng)低的邏(luo)輯器件(jian)。選用在(zai)邏輯狀(zhuang)态變換(huan)過程中(zhōng)輸入電(dian)流消耗(hao)更小的(de)元件。盡(jìn)可能選(xuan)擇表面(mian)封裝的(de)元器件(jian)。合理安(ān)排元件(jiàn)布局, 模(mó)拟與數(shù)字🌂部分(fen)隔離,防(fang)止數字(zì)信号影(yǐng)響模拟(nǐ)信㊙️号。适(shì)當配置(zhi)去耦電(dian)容, 選🌏擇(zé)合适的(de)電容容(róng)量, 去耦(ou)電容盡(jin)量靠近(jìn)元器件(jiàn)。對于敏(min)🌍感信号(hao)💋回路, 如(rú)時鍾信(xin)号、模拟(ni)輸入信(xìn)号嚴格(ge)控制回(huí)‼️路面積(jī)。鋪設地(dì)平面提(tí)供低阻(zu)🔴抗信号(hao)回♉路, 加(jia)強屏蔽(bi)🈲效果。
1. 4 其(qí)他幹擾(rǎo)對策
    電(dian)化學極(ji)化電動(dòng)勢幹擾(rao)是被測(cè)液體中(zhōng)電解質(zhi)在感應(ying)電場作(zuò)👄用下在(zai)電極表(biao)面極化(huà)産生的(de), 是電磁(cí)流量計(ji)零點漂(piao)移的主(zhu)要原因(yin)之一。采(cǎi)用交流(liu)勵磁方(fang)式可以(yǐ)有效地(di)減小極(ji)化電動(dong)勢, 此外(wai)在應用(yòng)中♊微處(chu)理器運(yun)算時将(jiang)兩次流(liú)量電壓(ya)采樣值(zhí)相減, 這(zhè)樣不但(dan)可以減(jian)小極化(huà)電動勢(shi), 而且可(ke)以補償(cháng)由共模(mo)幹擾帶(dai)來的🐉零(ling)點漂移(yi)。
    泥漿幹(gàn)擾是在(zài)測量泥(ní)漿、纖維(wei)漿等固(gù)液兩相(xiàng)特性液(yè)體時, 固(gu)體顆粒(lì)或者氣(qì)泡與電(diàn)極發生(sheng)摩擦, 在(zai)電極表(biao)面的電(dian)化學電(diàn)動勢突(tu)然變化(hua), 電磁流(liú)量計傳(chuan)感器 輸(shu)出信号(hao)輸出尖(jian)峰脈沖(chong)狀幹擾(rao)。在低頻(pin)勵磁情(qing)況下, 泥(ni)漿幹擾(rao)産生的(de)尖脈沖(chòng)數量級(jí)大, 極大(da)地影響(xiang)流量的(de)準确測(ce)量,在實(shi)際🍉設計(jì)中,采用(yòng)多種信(xin)号處理(li)混合🏃‍♀️方(fāng)式抑制(zhì)噪聲,信(xin)号處理(li)原理如(ru)圖 3所示(shì)。

    流量計(jì) 正常運(yùn)行時,尖(jian)峰脈沖(chong)噪聲出(chu)現的概(gai)率小,被(bèi)測液體(tǐ)流速不(bú)🐇會在短(duan)時間内(nei)變化,基(jī)于以上(shang)特性,對(duì)流量信(xìn)号進行(háng)限幅濾(lǜ)波處😄理(li): 當前輸(shū)入信号(hào)相對上(shang)周期輸(shu)入信号(hao)超出噪(zào)🏒聲容限(xiàn)範圍, 該(gai)信号被(bèi)認爲是(shì)噪聲信(xin)号,不再(zài)進❄️一步(bù)計算。滑(hua)動平均(jun)濾波是(shì)處🌈理流(liú)量信号(hào)♊經常采(cai)用的信(xin)号處理(li)辦法,可(ke)以有效(xiào)降低采(cai)樣誤差(cha); 滑動平(ping)均濾波(bo)函數的(de)脈沖響(xiang)🚶應時🈚間(jian)是受滑(hua)動窗口(kou)數控制(zhi)的, 如果(guǒ)能動态(tài)調整窗(chuang)口數⚽目(mu),那麽響(xiǎng)應速度(dù)就會大(da)大提高(gāo);在應用(yòng)中使用(yòng)改進的(de)滑動平(píng)均濾波(bō)函數,通(tong)過響應(yīng)時間控(kong)制器🙇🏻控(kòng)制滑動(dòng)窗口數(shu),當響應(yīng)時間超(chāo)過設定(ding)值時,将(jiang)窗口數(shù)設置爲(wei)1,使輸出(chu)信号⭐迅(xùn)速變化(hua),獲得較(jiào)好的動(dòng)态性能(néng)。

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