電容式電磁流量計(jì)具有電極與被測(cè)流體不接觸的特點(diǎn),因而從根本上解決了電極表面附著、腐蝕、摩擦、液體滲漏等問題。而且對(duì)傳統(tǒng)接觸式電磁流量計(jì)難以測(cè)量的低電導(dǎo)率液體如酒精等也能進(jìn)行測(cè)量,拓展了電磁流量計(jì)的適用范圍,在造紙、石油、化工、冶煉等行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。
由于電容式電磁流量計(jì)采用了電容耦合的方式來檢測(cè)流量信號(hào),耦合出來的感應(yīng)信號(hào)微弱,并夾雜有一定的液體流動(dòng)噪聲,同時(shí)易受外界干擾,信噪比較低。目前感應(yīng)信號(hào)的檢出方式主要有兩種:是直接檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)電壓;二是通過“虛地”技術(shù),檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)的電流。電流檢測(cè)方式流量測(cè)量受耦合電容值變化的影響較大,一般較少采用。常用的電壓檢測(cè)方式由于傳感器的耦合電容值一般為幾十皮法,在幾百赫茲的勵(lì)磁頻率下,信號(hào)源內(nèi)阻很高為檢出信號(hào),轉(zhuǎn)換器電路需要有很高的輸人阻抗,般在1012Ω以上,如此高的輸人阻抗電路很容易引入干擾,使信噪比進(jìn)一步惡化。因而除了在傳感器和電路設(shè)計(jì)中盡量屏蔽干擾外,后續(xù)的放大檢出電路需要有很高的信噪比。本文在信號(hào)處理中引入了互相關(guān)檢測(cè)方法,采用了適合電磁流量計(jì)信號(hào)特點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)電容濾波方式,以簡(jiǎn)單的硬件電路實(shí)現(xiàn)了流量信號(hào)的檢出,研制的樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明該方法是有效的。
1.互相關(guān)檢測(cè)方法
互相關(guān)檢測(cè)是應(yīng)用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn),通過互相關(guān)運(yùn)算,去除噪聲的一種弱信號(hào)檢測(cè)方法。如果發(fā)送信號(hào)的頻率已知,就可在接收端發(fā)出相同頻率的“干凈的”本地參考信號(hào),與混有噪聲的輸人信號(hào)進(jìn)行相關(guān),能顯著提高電路的抗干擾性。設(shè)輸入信號(hào)為:
f1(t)=S1(t)+n(t) （1）
參考信號(hào)為：
f2(t)=S2(t) (2)
則互相關(guān)函數(shù)
式中Rs1s2(τ)是S1(t)與S2(t)的互相關(guān)函數(shù),當(dāng)S1(t)與S2(t)是兩個(gè)具有相同基波頻率的周期函數(shù)時(shí),合理選擇延遲時(shí)間r可使積分值達(dá)到zui大;Rns2(τ)是n(t)與S2(t)的互相關(guān)函數(shù),一般來說,參考信號(hào)S(t)與噪聲n(t)之間沒有相關(guān)性,并且S2(t)是一個(gè)交流信號(hào),平均值為零,所以積分值處處為零。
因此,對(duì)于一個(gè)已知頻率的信號(hào),選擇一個(gè)合適的參考信號(hào)與之進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,就可以將該微弱的信號(hào)檢測(cè)出來,而將其他頻率的干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽。同時(shí)互相關(guān)檢測(cè)的抗干擾能力受積分時(shí)間限制,積分時(shí)間越長(zhǎng),抗干擾能力越強(qiáng),需要的測(cè)量時(shí)間也就越長(zhǎng)。
對(duì)于高頻勵(lì)磁的電容式電磁流量計(jì)來說,被測(cè)流體的流量變化是緩慢的,因此有足夠的時(shí)間來滿足相關(guān)運(yùn)算對(duì)時(shí)間的要求。并且電磁流量計(jì)的信號(hào)是由與勵(lì)磁電流頻率相同的交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的,具有與勵(lì)磁電流相同的頻率,釆用矩形波勵(lì)磁,參考信號(hào)可以從勵(lì)磁控制信號(hào)中獲得。一般來說,流體中的各種噪聲及電路中引入的干擾與參考信號(hào)不相關(guān),因此,可以采用互相關(guān)檢測(cè)方法來檢測(cè)強(qiáng)噪聲背景中的流量信號(hào)。圖1為電磁流量計(jì)信號(hào)互相關(guān)檢測(cè)框圖。
2.旋轉(zhuǎn)電容濾波
2.1旋轉(zhuǎn)電容濾波器
旋轉(zhuǎn)電容濾波器基于相關(guān)檢測(cè)原理,是一個(gè)抗干擾能力很強(qiáng)的電路,有很高的信噪比。其電路原理如圖2(a)所示,電路由雙刀雙擲同步開關(guān)K1、K2和一個(gè)RC積分電路組成。K1、K2分別由頻率為f。的互為反相的方波控制,使RC電路完成周期性地交替充電。其等效原理圖如圖2(b)所示,輸入信號(hào)I()與振幅為士1,頻率為f。的開關(guān)信號(hào)P(t)相乘,經(jīng)過RC積分得到輸出電壓V。(t)。當(dāng)被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)同頻同相位時(shí),總是從一個(gè)方向向電容進(jìn)行充電。而噪聲由于頻率和相位不可能全與開關(guān)同步,因此噪聲在電容上的充、放電將互相抵消,從而得到抑制。
從電路分析上看,旋轉(zhuǎn)電容濾波器的頻率傳輸特性如圖3所示,對(duì)于與參考信號(hào)頻率相同的輸入信號(hào),其輸出zui大;對(duì)奇次諧波,輸出響應(yīng)同基波相比要小(2n+1)倍;而其他頻率的信號(hào),偏離基頻或奇次諧頻越大,其輸出幅值衰減就越大。因此,旋轉(zhuǎn)電容濾波器相當(dāng)于方波匹配濾波器。時(shí)間常數(shù)RC越大,帶寬越窄,抑制噪聲的能力也就越強(qiáng),就越接近理想方波匹配濾波器。只要使參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)相匹配,即基頻是同頻同相位的,則輸出信號(hào)與匹配信號(hào)的振幅成正比,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)振幅信息的提取。
2.2改進(jìn)的濾波方式
在電容式電磁流量計(jì)中,感應(yīng)信號(hào)在高頻矩形波磁場(chǎng)勵(lì)磁下產(chǎn)生,是具有相同頻率的矩形波信號(hào),幅值大小對(duì)應(yīng)一定的流速。從勵(lì)磁控制信號(hào)中獲取的參考信號(hào)可以和流量信號(hào)相匹配。同時(shí)當(dāng)激勵(lì)磁場(chǎng)發(fā)生方向轉(zhuǎn)變時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的微分于擾,有時(shí)是流量信號(hào)的幾百甚至幾千倍,微分干擾也是影響零點(diǎn)穩(wěn)定的主要因素之ー。
若直接采用該濾波器的濾波方式,會(huì)將較強(qiáng)的微分干擾引入,一方面直接影響信噪比,另ー方面也會(huì)帶來嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移問題。根據(jù)微分干擾信號(hào)在磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)換瞬間達(dá)到zui大,隨著磁場(chǎng)穩(wěn)定迅速減小的特點(diǎn),選擇在每半個(gè)周期的zui后部分磁場(chǎng)zui穩(wěn)定、微分干擾達(dá)到zui小時(shí)的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)濾波,如圖4所示,圖4(a)是含有微分干擾的信號(hào)波形示意圖,圖4(b)是與之進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算的開關(guān)參考信號(hào)。
為實(shí)現(xiàn)如圖4(b)所示的參考信號(hào),設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)電容濾波基本電路如圖5所示,S1a、S1b和S2a、S2b2是兩組同步開關(guān),RC積分電路中的電阻R移到同步開關(guān)外面。這樣當(dāng)S1a、S1b、S2a、S2b都斷開時(shí),輸人信號(hào)不對(duì)電容充電,相當(dāng)于信號(hào)乘以0后在電容上積分,此時(shí)電容只進(jìn)行電位保持。在信號(hào)正半周,當(dāng)S1a和S1b閉合時(shí),信號(hào)對(duì)電容由上向下充電,相當(dāng)于信號(hào)乘以+1后在電容上積分;在負(fù)半周,當(dāng)S2a和S2b閉合時(shí)信號(hào)對(duì)電容充電方向仍由上向下,相當(dāng)于信號(hào)乘以1后在電容上積分。濾波電路的積分時(shí)間仍由RC決定。經(jīng)過一段時(shí)間積分,當(dāng)測(cè)量時(shí)間t>=RC時(shí),電容兩端的電壓將反映出流速的大小。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,積分時(shí)間常數(shù)RC取值為0.15s,在保證一定的響應(yīng)速度下,有較強(qiáng)的抗干擾能力。
3.樣機(jī)設(shè)計(jì)
基于以上分析,結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn),設(shè)計(jì)并試制了臺(tái)原理樣機(jī),整體結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示,主要包括勵(lì)磁電略、傳感器、信號(hào)處理模塊、單片機(jī)和CPLD等模塊。CPLD在單片機(jī)控制下為各模塊提供同步控制時(shí)序。勵(lì)磁電路在 CPLD控制下產(chǎn)生200Hz的矩形波激勵(lì)磁場(chǎng),當(dāng)流體切割磁場(chǎng)時(shí),在傳感器中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。信號(hào)處理模塊取出感應(yīng)信號(hào),進(jìn)行互相關(guān)處理并放大后,將流量信號(hào)送入單片機(jī)。
設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)如圖7所示,包括測(cè)量管、勵(lì)磁線圈、檢測(cè)電極、屏蔽電極和屏蔽罩。檢測(cè)電極緊貼于管壁外,被屏蔽電極罩住,并以等電位驅(qū)動(dòng)技術(shù)減小雜散電容的影響。同時(shí)為了減小電極上的渦流影響,將檢測(cè)電極做成了梳狀。*外層屏蔽罩接地,有利于屏蔽外界干擾?？紤]到檢測(cè)電極上感應(yīng)信號(hào)比較微弱,將前置放大器置于傳感器內(nèi)盡可能貼近電極的地方,以減小信號(hào)在傳輸中的衰減及干擾。為避免鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象,采用了空心線圈勵(lì)磁。
信號(hào)處理模塊主要電路如圖8所示,高輸人阻抗的前置放大器從高內(nèi)阻的信號(hào)源中檢出電壓信號(hào),完成阻抗轉(zhuǎn)換。高共模抑制比的儀表放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大,抑制共模干擾。然后經(jīng)過旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波,實(shí)現(xiàn)與參考信號(hào)的互相關(guān)處理,濾波電路相關(guān)運(yùn)算所需的參考信號(hào)由CPLD產(chǎn)生,并與勵(lì)磁電流保持嚴(yán)格同步。zui后由整流采樣電路對(duì)旋轉(zhuǎn)電容濾波器電容上的電壓信號(hào)進(jìn)行整流采樣,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。
勵(lì)磁電路如圖9所示,恒流源提供的電流通過兩組同步開關(guān)的交替閉合,在線圈中形成矩形波勵(lì)磁電流。為使電流方向在200Hz下快速完成轉(zhuǎn)換,在線圈中串聯(lián)了兩個(gè)電阻,減小線圈勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)。設(shè)計(jì)的時(shí)間常數(shù)τ為0.25ms,保證了磁場(chǎng)快速穩(wěn)定。
4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試
利用試制完成的原理樣機(jī),在試驗(yàn)裝置上以水為測(cè)量介質(zhì),使用某型號(hào)普通接觸式電磁流量計(jì)作為參考表進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),該表精度等級(jí)為0.5級(jí),測(cè)量范圍為1.3~16m³/h,實(shí)驗(yàn)管徑為40mm,對(duì)應(yīng)流速范圍為0.3~3.5m/s,實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。圖11是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)照片。
圖12是在流速為1m/s下,實(shí)際電路中從示波器觀察到的旋轉(zhuǎn)電容濾波器輸出端的信號(hào)。從未經(jīng)旋轉(zhuǎn)濾波的信號(hào)部分中,可以看出雖然前面采取了許多減小干擾的措施,但信號(hào)中仍然包含有較強(qiáng)的噪聲,信噪比約為1:10,難以進(jìn)行直接測(cè)量。而經(jīng)濾波后的部分,得到了與流速相關(guān)的穩(wěn)定電壓信號(hào),再對(duì)這部分信號(hào)進(jìn)行整流采樣,從而實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)的可靠檢出。
樣機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,大部分測(cè)量點(diǎn)的誤差在士1.0%以內(nèi),個(gè)別流量較小的測(cè)量點(diǎn)誤差超過1%。
5.結(jié)束語(yǔ)
電容式電磁流量計(jì)雖然在原理上早已經(jīng)解決,但在實(shí)際設(shè)計(jì)制作過程中,由于信號(hào)微弱、易受干擾、信噪比低等特點(diǎn),使其對(duì)傳感器和轉(zhuǎn)換器有很高的要求。本文研制的樣機(jī)在傳感器設(shè)計(jì)制作上采取了多種抑制干擾的措施,為滿足轉(zhuǎn)換器高信噪比的要求,將互相關(guān)檢測(cè)方法應(yīng)用到信號(hào)處理中,設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)電容濾波方式實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)的互相關(guān)處理,在低信噪比環(huán)境下,較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了流量測(cè)量,并且零點(diǎn)較穩(wěn)定。
上一條：
解決電磁流量計(jì)故障的幾種排除方法
下一條：
在造紙廠流量測(cè)量中電磁流量計(jì)的應(yīng)用
