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電磁流量計由于其可靠性高、耐腐蝕性強(qiáng)、測量精度高、容易變更測量范圍等特點,目前在石油、化工、治金、造紙等行業(yè)得到**應(yīng)用;特別在能源短缺的今天,電磁流量計的發(fā)展為資源的科學(xué)管理提供了重要基礎(chǔ)技術(shù)支持。然而,科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展向電磁流量計提出了更高更新的要求,尤其是流量測量的精確度和穩(wěn)定性方面。電磁流量計中干擾信號與流量信號混在一起,不僅成分復(fù)雜而且有的干擾信號數(shù)量級與流量信號相當(dāng),此外噪聲進(jìn)入微處理器可能造成系統(tǒng)運行異常,在這種情況下,如何抑制干擾成為研制和使用電磁流量計的一項關(guān)鍵技術(shù)。

1.電磁流量計中噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及對策
電磁流量計工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律,通過測量導(dǎo)電流體在磁場中的感應(yīng)電動勢來推算流體流量。勵磁磁場,感應(yīng)電動勢采集電極,信號運算放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器都容易受到工作現(xiàn)場的電場和磁場輻射耦合,因此電磁耦合是流量測量中的*主要的干擾方式。其次被測液體的電化學(xué)反應(yīng)和泥漿干擾是流量測量的另一噪聲來源。
1.1微分干擾機(jī)理及對策
在現(xiàn)行的電磁流量計設(shè)計中,低頻矩形波勵磁結(jié)合了直流勵磁和交流勵磁的優(yōu)點,成為主要勵磁方式之一。在低頻勵磁方式下其干擾主要表現(xiàn)為:由勵磁電流突變產(chǎn)生的微分干擾信號。理想勵磁磁場信號如圖1-1所示,為低頻矩形波,實際上隨著勵磁電流變化(dI/dt)磁場上產(chǎn)生微分干擾信號,如圖1-2,可以看到隨著電流的穩(wěn)定,干擾信號隨之消失,因此同步采樣技術(shù)可以有效抑止微分干擾信號。實際設(shè)計中模數(shù)轉(zhuǎn)化器使用AD公司的24位sigma delta模數(shù)轉(zhuǎn)化器AD7714。AD7714可以分別采用硬件和軟件方式進(jìn)行采樣開始時間控制從而實現(xiàn)同步采樣。采用軟件方式時,當(dāng)控制寄存器中FSYNC位為邏輯1時,模數(shù)轉(zhuǎn)換器處于復(fù)位狀態(tài);向該位寫邏輯0時,器件開始采樣輸入信號。在應(yīng)用中,低頻勵磁信號由MSP430單片機(jī)內(nèi)部定時器產(chǎn)生,同時產(chǎn)生采樣信號。如圖1所示,采樣開始時間滯后勵磁信號1/4個周期。
1.2工頻耦合干擾機(jī)理及對策
在電磁流量計工作現(xiàn)場存在大量工頻信號,耦合在勵磁回路、電極、前端放大器的工頻干擾噪聲對流量的準(zhǔn)確測量造成極大影響。其中輻射耦合到勵磁回路的工頻輻射磁場(包括其諧波)造成勵磁磁場波動,影響流量測量,當(dāng)流體流速較小時,工頻干擾信號與有效流量信號在同一數(shù)量級,嚴(yán)重影響測量結(jié)果。

已知工頻耦合噪聲基波頻率為50Hz,因此可以采用模擬或數(shù)字濾波器使濾波器帶寬限制在50Hz以內(nèi)以抑制噪聲。在實際應(yīng)用中使用 sigma delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD74內(nèi)部包含的數(shù)字濾波模塊,數(shù)字濾波器相對模擬濾波器除具有靈活性高、參數(shù)設(shè)置方便等特點還可以降低AD轉(zhuǎn)換期間引人的噪聲。AD774數(shù)字濾波器為(sinr/x)3低通濾波器,其在頻域的傳遞函數(shù)為:

其中:fs為采樣頻率,AD714采樣頻率為19.2kHIx;N為濾波采樣個數(shù),f為數(shù)字濾波器響應(yīng)頻率。通過設(shè)定濾波采樣個數(shù)可以改變數(shù)字濾波器的截止頻率和一次陷波頻率。在本設(shè)計中綜合考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換速度和去除噪聲性能,設(shè)置N值另濾波器截至頻率為50Hz,濾波器頻域響應(yīng)如圖2所示,濾波器對工頻50Hz及其偶次諧波有很好的抑止作用。

除使用數(shù)字濾波器外,在A/D輸人端設(shè)置RC模擬低通濾波器還可以帶來額外的好處。在實際測量觀察到的流量信號中存在尖脈沖噪聲,可能使模數(shù)轉(zhuǎn)換器飽和,導(dǎo)致數(shù)字濾波器失效,使用模擬濾波器可以提前剔除這些信號。
1.3共模干擾、串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理及對策
共模干擾的產(chǎn)生主要是由于電磁屏蔽缺陷,接地不良、雜散電容等引起返回電流不平衡。共模干擾可能導(dǎo)致電路某些參考電位變化,是造成電磁流量計零點漂移的原因之一;同時共模信號產(chǎn)生很高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化。串找擾是由于印刷電路板設(shè)計電磁兼容性考慮不足造成信號質(zhì)量下降,特別是高速走線和模擬電略易受到影響。
對由共模干擾信號導(dǎo)致的參考電位變化,應(yīng)用中流量電壓采用差分形式通過雙絞線送入放大器,前端放大器選用共模抑止比高,低漂移高輸人阻抗的運放,可以有效抑止共模干擾。此外,電磁流量計電路板設(shè)計符合電磁兼容性要求降低串?dāng)_對信號的影響。使用滿足功能要求的速率盡可能低的邏輯器件。選用在邏輯狀態(tài)變換過程中輸入電流消耗更小的元件。盡可能選擇表面封裝的元器件。合理安排元件布局,模擬與數(shù)字部分隔離,防止數(shù)字信號影響模擬信號。適當(dāng)配置去耦電容,選擇合適的電容容量,去耦電容盡量靠近元器件。對于敏感信號回路,如時鐘信號,模擬輸人信號嚴(yán)格控制回路面積。鋪設(shè)地平面提供低阻抗信號回路,加強(qiáng)屏蔽效果。
1.4其他干擾對策
電化學(xué)極化電動勢干擾是被測液體中電解質(zhì)在感應(yīng)電場作用下在電極表面極化產(chǎn)生,是電磁流量計零點漂移的主要原因之一。采用交流勵磁方式可以有效減小極化電動勢,此外在應(yīng)用中微處理器運算時將兩次流量電壓采樣值相減不但可以減小極化電動勢而且可以補(bǔ)償由共模干擾帶來的零點漂移。
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相特性液體時,固體顆?；蛘邭馀菖c電極摩擦,在電極表面的電化學(xué)電動勢突然變化,電磁流量計傳感器輸出信號輸出尖峰脈沖狀干擾。在低頻勵磁情況下泥漿干擾產(chǎn)生的尖脈沖數(shù)量級大,極大影響流量的準(zhǔn)確測量,在實際設(shè)計中,采用多種信號處理混合方式抑制噪聲,原理框圖如圖3所示。

流量計正常運行時尖峰脈沖噪聲出現(xiàn)的概率小,被測液體流速不會在短時間內(nèi)變化,基于以上特性,對流量信號進(jìn)行限幅濾波處理:當(dāng)前輸入信號相對上周期輸人信號超出噪聲容限范圍,該信號被認(rèn)為是噪聲信號不進(jìn)一步計算?；瑒悠骄鶠V波是處理流量信號經(jīng)常采用的信號處理辦法,可以有效降低采樣誤差;滑動平均濾波函數(shù)的脈沖響應(yīng)時間是受滑動窗口數(shù)控制的,如果能動態(tài)調(diào)整窗口數(shù),那么響應(yīng)速度就會大大提高;在應(yīng)用中使用改進(jìn)的滑動平均濾波函數(shù),通過響應(yīng)時間控制器控制滑動窗口數(shù),當(dāng)響應(yīng)時間超過設(shè)定值時將窗口數(shù)設(shè)為1,使輸出信號迅速變化,獲得的很好的動態(tài)性能。

2.抗干擾技術(shù)在電磁流量計中的應(yīng)用
微處理器是電磁流量計的核心單元,控制整個系統(tǒng)的運行。當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的CPU受到干擾時,可能造成的影響有:非正常修改程序計數(shù)器指針;改寫可編程輸出端口狀態(tài);非正常修改數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù);以上不良影響會使單片機(jī)程序失控,其后果是非常嚴(yán)重的。結(jié)合智能電磁流量計的工作特點和MSP430系列單片機(jī)的特性,采用軟件與硬件抗干擾技術(shù)相結(jié)合提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
2.1硬件抗干擾
由于軟件抗干擾措施是以犧牲CPU效率為代價的,如果沒有硬件消除絕大多數(shù)干擾,CPU將疲于奔命,無暇顧及正常工作,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率和實時性。
電磁流量計輸出單元一般包括4~20mA電流輸出,集電極開路的頻率輸出以及工業(yè)現(xiàn)場總線接口等,在輸入和輸出通道上采用光電隔離器來進(jìn)行信息傳輸是很有好處的,它將微機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來,很大一部分干擾將被阻擋。
MSP430單片機(jī)與外圍設(shè)備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器,EEPROM等采用總線通信方式。當(dāng)信號同時切換時會引起“地彈”和串?dāng)_。在電路板布線時,總線盡量使用地線包圍,電路采用多點接地方式?？偩€通信速度設(shè)置為1K~1MHz,高速信號線路極易受到電磁于擾,嚴(yán)重時使邏輯狀態(tài)混亂致使單片機(jī)和外圍設(shè)備失控,總線采用上拉電阻方式,可以提高邏輯電路噪聲容限,使總線通信更加可靠。
MSP430的通用端口可以設(shè)置為輸入和輸出兩種狀態(tài),對于沒有使用的端口,全部設(shè)置為輸出狀態(tài),防止CPU受到意外干擾。
2.2睡眠狀態(tài)抗干擾
電磁流量計中微處理器很多情況下是在執(zhí)行等待指令和循環(huán)檢查程序,這時CPU沒有工作,但卻是清醒的,很容易受于擾。MSP430系列單片機(jī)提供了多種睡眠狀態(tài),讓CPU在沒有正常工作時休眠,必要時再由中斷系統(tǒng)來喚醒它,之后恢復(fù)休眠狀態(tài),從而使CPU受到隨機(jī)干擾的威脅大大降低,同時降低了CPU的功耗。
2.3指令冗余與軟件陷阱技術(shù)
程序正常運行時,指令計數(shù)器始終指向下一條指令的**個字節(jié),當(dāng)單片機(jī)受到干擾時,可能引起程序計數(shù)器的非正常修改,將操作數(shù)當(dāng)作指令碼執(zhí)行,造成程序誤操作。MSP430單片機(jī)采用RISC指令內(nèi)核,指令宇有單字節(jié),雙字節(jié)和三字節(jié)指令三種,在雙字節(jié)和三字節(jié)指令后插人兩條單字節(jié)指令,
程序失控時也可以迅速進(jìn)人預(yù)期控制軌道。綜合考慮CPU效率和抗于擾能力,在對程序流向起關(guān)鍵作用的指令處,如跳轉(zhuǎn)指令、中斷恢復(fù)指令等,插入兩條“NOP"單字節(jié)空操作指令,以保證“跑飛”的程序迅速納入正確的控制軌道。
為了防止單片機(jī)輸出口狀態(tài)意外修改,定期重新定義輸出口狀態(tài)。MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成很多外圍設(shè)備,如UART,SPI串口,定時計數(shù)器等,為了防止這些設(shè)備的相應(yīng)控制寄存器被意外修改,每次使用時都需重新設(shè)置。指令冗余使“跑飛”的程序安定下來是有條件的:程序計算器必須指向到程序區(qū)。當(dāng)程序計數(shù)器落到非程序區(qū),如ROM中未使用的空間、中斷向量表,數(shù)據(jù)區(qū),則冗余指令失效。采取額外措施就是設(shè)立軟件陷阱。所謂軟件陷阱,就是一條引導(dǎo)指令,強(qiáng)行將捕獲的程序引向?qū)Τ绦虺鲥e進(jìn)行處理的程序,一般安排在未使用的中斷向量,未使用的ROM等。MSP430單片機(jī)具有多個中斷發(fā)生源。正常工作時,執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后,相應(yīng)的中斷標(biāo)志位會被硬件自動復(fù)位;當(dāng)單片機(jī)受到干擾,運行異常時,可能會觸發(fā)沒有使用的中斷,導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。因此在未被使用的中斷向量處插入冗余指令,使中斷自動返回,如:“ NOP NOP RETI"。
對于沒有使用的ROM,程序燒錄器默認(rèn)寫人字0xffff,該字對于指令系統(tǒng)是一條指令,這條指令會修改單片機(jī)內(nèi)部寄存器值;如果程序“跑飛”進(jìn)入這段ROM中,可能造成數(shù)據(jù)運算錯誤。因此在未使用的ROM中寫入代碼,使程序跳轉(zhuǎn)到出錯處理程序。
2.4數(shù)據(jù)存儲冗余技術(shù)
電磁流量計正常運行需要很多參數(shù):流量標(biāo)定值,累計流量值,以及流量計信息等。這些參數(shù)非常重要,尤其是累積流量值必須妥善保存。為了防止程序?qū)?shù)的意外修改,對數(shù)據(jù)做冗余存儲處理。在具有掉電保護(hù)功能的外部存儲器中存儲三份數(shù)據(jù),讀取參數(shù)時,判斷參數(shù)是否有效,流程如圖4所示。

3.結(jié)束語
智能電磁流量計的設(shè)計中應(yīng)用上述多種抗干擾技術(shù),使測量的精確度和運行穩(wěn)定性得到了提高,拓展了電磁流量計的應(yīng)用范圍,開拓了更廣闊的市場。

上一條：探析電磁流量計及與自來水電磁水表的區(qū)別
下一條：智能電磁流量計在供水系統(tǒng)中會有哪些應(yīng)用場景

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