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电磁流量计电极间信号干扰模型及分析

发布日期:2020-01-02 14:58:50   浏览次数:213

        电磁流量计是一种用来测量导电液体体积流量的感应仪器,它的基本理论基础是法拉第电磁感应定律。本产品具有许多突出的优点,例如:无运动部件,不会产生压力损失,堵塞管道;测量原理线性。精度高.测量范围大;耐腐蚀性好,并可测量正、反向流速度等。目前,电磁流量计已较为成熟。大孔径(大于1m)电磁流量计的流量标定及小直径(3~80m)电磁流量计的测量精度是该行业的主要研究方向。现实测量中,干扰信号与有用信号混杂在一起,不但成分复杂,而且干扰信号有时也大于流量信号。如何抑制和排除这些干扰,提高信噪比,已成为电磁流量计发展与应用中的一项技术关键。

       在电磁流量计的干扰中,由于激磁磁场的突变会引起非常复杂的干扰,其中同相干扰和正交干扰是电磁流量计的主要干扰。消除正交干扰可采用以下两种方法:一种是人为地制造一个与正交式干扰幅度相同的干扰幅度,使其与于扰信号互相抵消;另一种是让引出线组成的闭合回路在磁场交链中的磁通量产生电流的代数和为零。前者会引起新的干扰,而消除干扰效果不理想,后者在小直径电磁流量计(DN3mm~DN80mm)中难以实现。在此基础上,提出了一种有效消除干扰的方法:对流量计电极之间的信号进行数学建模,实现了干扰信号和流量信号的分离,消除了干扰。以下重点讨论此方法。

1.流量计极间信号的理论分析和建模。

本论文重点研究了正弦波激励方式下电磁流量计的各种干扰问题。实用化过程中,流量计极间信号掺杂了许多干扰信号:差分干扰.同相干扰.共模干扰和串模干扰等。上述信号均为相对独立信号源。把这些信号的物理叠加起来,列出如下公式:

在这种情况下,E是流量计极间信号,Es是水流切割磁感线产生的电动势,E’是各种干扰电动势,包括微分干扰ew同相干扰et,.共模干扰ec.串模干扰ed和其它干扰eq;B是磁场强度;D是流管径;v表示流速。

共模干扰ec和串模干扰ed是由电磁流量计附近的EMI和静电干扰产生的,可通过静电屏蔽和良好的接地来抑制干扰,其它干扰eq包括直流极化电压和少量小干扰。因此,在做好这些干扰时采取了相应的抗干扰措施后,将(1)式简化为:

        正弦波励磁电磁流量计上,两极的引线处于交变磁场中。管内无流速,电磁流量计的励磁线圈通入正弦波电流时,在引线的闭合回路中会产生感应电动势,即微分干扰和同相干扰电势。

      一个微分干扰电动势可以用磁场对时间的一个微分形式表示,同相干扰电动势可以用磁场对时间的二次微分来描述。差分型和同相干扰与磁场强度B的关系如下:

       假设在正弦波激励方式下,励磁电流是I=Imsinωt,其中omega=2πf,流量计的励磁磁场强度B与励磁电流相位相同,因此得出公式B=Bmsinωt。这一公式可以用(3)和(4)式来表示。

公式(5)和(6)代入式(1),流量计的电极间信号E获得式,用已知量表示(7)。

在式(7)中,(BmDvsinomt)项是由水流切割管内磁感线产生的电动势;磁场强度Bm.Bm.直径D和ω是已知量;v为所需的水流速度;[2πfBmcosωt-(2πf)/Bmsinωt]项为干扰电动势。因为信号的构成是不一致的,因此有多种消除干扰信号的方法。如:干扰信号与流量信号有90°的相位差,可用相敏检波法消除干扰信号;当干扰信号与流量信号频率不一致时,可采用带通滤波.带阻滤波.高通滤波和低通滤波方法。由式(7)可知:流量计的干扰信号和流量信号均为交流信号,频率相同,相位差不同。上述方法无法完全消除这种干扰,因此作者采用以下方法,把流量计电极间信号E和励磁电压信号U相乘,得到电压U0以下式:

对信号进行处理后,所获得的信号U0由两部分组成,直流分量[(UmBmDv)/2]-[(UmBmωt)/2]和UmBmωsin(2ωt)/2-UmBmDv*cos(2ωt)/2+UmBmωcos(2ωt)/2+UmBmω/cos(2ωt)微分干扰电压形成后被转化为频率2Ω交流成分)。从上面式可知,直流分量与水流速度成正比,而-(UmBmomega)/2将决定系统的零点。AC元件的频率是激励频率的2倍。将电压信号U0进行滤波,滤掉由交流信号获得的直流信号输入A/D进行采样,再输入MCU进行编程处理,zui后由LCD显示流量计的流量数值。本文通过实际电路对该方法进行了验证。

2.电路的实际理论验证。

把以上理论分析应用于实际电路时,主要使用的器件是倍增器,TI公司生产的MPY100A芯片具有以下优点:①差模输入抑制了有害的共模信号(温度.电源电压等的变化而产生的零点漂移及其)。

两种信号均可视为共模);②输人补偿电压Z2可用于系统调零。这个硬件电路类似于图1。

MPY100A输出公式是:U’0=[X1-X2)(Y1-Y2)/10+Z2,如图1所示,X2与Y2连接并接地,这样可以使E和U都具有相同的参考信号来减少外部干扰的引人X1和Y1相乘减少了10倍,并且零点补偿电压(-UmBmω²)x(-1/10)=UmBmω=Z2,因此zui之后U’0为。

该公式(8)显示信号经过信号处理后即为U'0,而交流部分[UmBmω*sin(2ωt)/2]-[UmBmDv*cos(2ωt)+[UmBmωcos(2ωt)/2]可通过低通滤波器过滤,直接输出的UmBmDv/2直流部分经放大后直接输人MCU进行处理转换为流量信号显示。

下图为5mm口径的电磁流量计,流速约2~18m/s,实际流量均采用容量法测定。采集了32组数据后生成的曲线图如图2所示。

测得流量值α是采用常规正弦波励磁电磁流量计测得的数据曲线,所测的流速值是采用本文所介绍的信号处理方法设计的电磁流量计测得的数据曲线。从资料分析可知,采用正弦波励磁法测量电磁流量。

用本信号处理方法设计的电磁流量计测得的数据曲线与实际流量的相似性非常高,其测量误差在±0.15%的范围内,采用本方法所设计的电磁流量计测得的数据曲线与实际流量信号具有很好的相似性。

3.结束语

本文对基于正弦波励磁的电磁流量计极间电动势信号作了理论分析,提出了用相乘变换将极间激励信号和励磁信号相乘变换的方法,实现了电磁流量计硬件系统的设计,有效地指导了电磁流量计硬件系统的开发。本文利用乘法原理,研制了一种新型的电磁流量计信号处理系统,将理论应用于电路中,对正弦波激励下的信号处理方法作了创新。通过理论上的分析,不仅在实践中证明了作者的分析是正确的,同时也为进一步提高流量计的性能提供了参考和依据。

针对建模分析中存在的问题和目前电磁流量计的现状,提出了以下几点建议,并对未来的研究提出改进意见。

①采用硬件乘法实现双路信号的乘积,它必然会受到乘法精度、速度等性能的影响,而且硬件乘法器的价格较高,从而增加了设计成本。因此,可考虑两路信号均采用数字同步采样,并通过软件相乘的方法实现,从而降低系统成本,提高系统性能。

②对于正弦波激励方式,还可以使用其它信号处理方法。例如,对传感器产生的感应电动势信号进行数字信号处理,结合HHT、FFT等算法,从干扰信号的频率出发,更有针对性地消除干扰成分,提高信号信噪比。


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