電容式電磁流量計具有電極與被測流體不接觸的特點,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。而且對傳統(tǒng)接觸式電磁流量計難以測量的低電導(dǎo)率液體如酒精等也能進行測量,拓展了電磁流量計的適用范圍,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采用了電容耦合的方式來檢測流量信號,耦合出來的感應(yīng)信號微弱,并夾雜有一定的液體流動噪聲,同時易受外界干擾,信噪比較低。目前感應(yīng)信號的檢出方式主要有兩種:是直接檢測感應(yīng)信號電壓;二是通過“虛地”技術(shù),檢測感應(yīng)信號的電流。電流檢測方式流量測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,在幾百赫茲的勵磁頻率下,信號源內(nèi)阻很高為檢出信號,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,使信噪比進一步惡化。因而除了在傳感器和電路設(shè)計中盡量屏蔽干擾外,后續(xù)的放大檢出電路需要有很高的信噪比。本文在信號處理中引入了互相關(guān)檢測方法,采用了適合電磁流量計信號特點的旋轉(zhuǎn)電容濾波方式,以簡單的硬件電路實現(xiàn)了流量信號的檢出,研制的樣機測試結(jié)果表明該方法是有效的。
1.互相關(guān)檢測方法
互相關(guān)檢測是應(yīng)用信號周期性和噪聲隨機性的特點,通過互相關(guān)運算,去除噪聲的一種弱信號檢測方法。如果發(fā)送信號的頻率已知,就可在接收端發(fā)出相同頻率的“干凈的”本地參考信號,與混有噪聲的輸人信號進行相關(guān),能顯著提高電路的抗干擾性。設(shè)輸入信號為:
f1(t)=S1(t)+n(t) （1）
參考信號為：
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)是兩個具有相同基波頻率的周期函數(shù)時,合理選擇延遲時間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S(t)與噪聲n(t)之間沒有相關(guān)性,并且S2(t)是一個交流信號,平均值為零,所以積分值處處為零。
因此,對于一個已知頻率的信號,選擇一個合適的參考信號與之進行相關(guān)運算,就可以將該微弱的信號檢測出來,而將其他頻率的干擾信號進行屏蔽。同時互相關(guān)檢測的抗干擾能力受積分時間限制,積分時間越長,抗干擾能力越強,需要的測量時間也就越長。
對于高頻勵磁的電容式電磁流量計來說,被測流體的流量變化是緩慢的,因此有足夠的時間來滿足相關(guān)運算對時間的要求。并且電磁流量計的信號是由與勵磁電流頻率相同的交變磁場產(chǎn)生的,具有與勵磁電流相同的頻率,釆用矩形波勵磁,參考信號可以從勵磁控制信號中獲得。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不相關(guān),因此,可以采用互相關(guān)檢測方法來檢測強噪聲背景中的流量信號。圖1為電磁流量計信號互相關(guān)檢測框圖。
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)檢測原理,是一個抗干擾能力很強的電路,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I()與振幅為士1,頻率為f。的開關(guān)信號P(t)相乘,經(jīng)過RC積分得到輸出電壓V。(t)。當(dāng)被測信號與參考信號同頻同相位時,總是從一個方向向電容進行充電。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,對于與參考信號頻率相同的輸入信號,其輸出zui大;對奇次諧波,輸出響應(yīng)同基波相比要小(2n+1)倍;而其他頻率的信號,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。時間常數(shù)RC越大,帶寬越窄,抑制噪聲的能力也就越強,就越接近理想方波匹配濾波器。只要使參考信號與待測信號相匹配,即基頻是同頻同相位的,則輸出信號與匹配信號的振幅成正比,從而實現(xiàn)對待測信號振幅信息的提取。
2.2改進的濾波方式
在電容式電磁流量計中,感應(yīng)信號在高頻矩形波磁場勵磁下產(chǎn)生,是具有相同頻率的矩形波信號,幅值大小對應(yīng)一定的流速。從勵磁控制信號中獲取的參考信號可以和流量信號相匹配。同時當(dāng)激勵磁場發(fā)生方向轉(zhuǎn)變時,會產(chǎn)生較大的微分于擾,有時是流量信號的幾百甚至幾千倍,微分干擾也是影響零點穩(wěn)定的主要因素之ー。
若直接采用該濾波器的濾波方式,會將較強的微分干擾引入,一方面直接影響信噪比,另ー方面也會帶來嚴(yán)重的零點漂移問題。根據(jù)微分干擾信號在磁場方向轉(zhuǎn)換瞬間達(dá)到zui大,隨著磁場穩(wěn)定迅速減小的特點,選擇在每半個周期的zui后部分磁場zui穩(wěn)定、微分干擾達(dá)到zui小時的信號進行相關(guān)濾波,如圖4所示,圖4(a)是含有微分干擾的信號波形示意圖,圖4(b)是與之進行互相關(guān)運算的開關(guān)參考信號。
為實現(xiàn)如圖4(b)所示的參考信號,設(shè)計的旋轉(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,輸人信號不對電容充電,相當(dāng)于信號乘以0后在電容上積分,此時電容只進行電位保持。在信號正半周,當(dāng)S1a和S1b閉合時,信號對電容由上向下充電,相當(dāng)于信號乘以+1后在電容上積分;在負(fù)半周,當(dāng)S2a和S2b閉合時信號對電容充電方向仍由上向下,相當(dāng)于信號乘以1后在電容上積分。濾波電路的積分時間仍由RC決定。經(jīng)過一段時間積分,當(dāng)測量時間t>=RC時,電容兩端的電壓將反映出流速的大小。在實際電路設(shè)計中,積分時間常數(shù)RC取值為0.15s,在保證一定的響應(yīng)速度下,有較強的抗干擾能力。
3.樣機設(shè)計
基于以上分析,結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn),設(shè)計并試制了臺原理樣機,整體結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示,主要包括勵磁電略、傳感器、信號處理模塊、單片機和CPLD等模塊。CPLD在單片機控制下為各模塊提供同步控制時序。勵磁電路在 CPLD控制下產(chǎn)生200Hz的矩形波激勵磁場,當(dāng)流體切割磁場時,在傳感器中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。信號處理模塊取出感應(yīng)信號,進行互相關(guān)處理并放大后,將流量信號送入單片機。
設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)如圖7所示,包括測量管、勵磁線圈、檢測電極、屏蔽電極和屏蔽罩。檢測電極緊貼于管壁外,被屏蔽電極罩住,并以等電位驅(qū)動技術(shù)減小雜散電容的影響。同時為了減小電極上的渦流影響,將檢測電極做成了梳狀。*外層屏蔽罩接地,有利于屏蔽外界干擾。考慮到檢測電極上感應(yīng)信號比較微弱,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,采用了空心線圈勵磁。
信號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)阻的信號源中檢出電壓信號,完成阻抗轉(zhuǎn)換。高共模抑制比的儀表放大器對信號進行差動放大,抑制共模干擾。然后經(jīng)過旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波,實現(xiàn)與參考信號的互相關(guān)處理,濾波電路相關(guān)運算所需的參考信號由CPLD產(chǎn)生,并與勵磁電流保持嚴(yán)格同步。zui后由整流采樣電路對旋轉(zhuǎn)電容濾波器電容上的電壓信號進行整流采樣,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機。
勵磁電路如圖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)了兩個電阻,減小線圈勵磁時間常數(shù)。設(shè)計的時間常數(shù)τ為0.25ms,保證了磁場快速穩(wěn)定。
4.實驗測試
利用試制完成的原理樣機,在試驗裝置上以水為測量介質(zhì),使用某型號普通接觸式電磁流量計作為參考表進行對比試驗,該表精度等級為0.5級,測量范圍為1.3~16m³/h,實驗管徑為40mm,對應(yīng)流速范圍為0.3~3.5m/s,實驗裝置如圖10所示。圖11是實驗樣機照片。
圖12是在流速為1m/s下,實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。從未經(jīng)旋轉(zhuǎn)濾波的信號部分中,可以看出雖然前面采取了許多減小干擾的措施,但信號中仍然包含有較強的噪聲,信噪比約為1:10,難以進行直接測量。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,再對這部分信號進行整流采樣,從而實現(xiàn)流量信號的可靠檢出。
樣機與標(biāo)準(zhǔn)表測得的實驗數(shù)據(jù)如表1所示,大部分測量點的誤差在士1.0%以內(nèi),個別流量較小的測量點誤差超過1%。
5.結(jié)束語
電容式電磁流量計雖然在原理上早已經(jīng)解決,但在實際設(shè)計制作過程中,由于信號微弱、易受干擾、信噪比低等特點,使其對傳感器和轉(zhuǎn)換器有很高的要求。本文研制的樣機在傳感器設(shè)計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)檢測方法應(yīng)用到信號處理中,設(shè)計了一種改進的旋轉(zhuǎn)電容濾波方式實現(xiàn)流量信號的互相關(guān)處理,在低信噪比環(huán)境下,較準(zhǔn)確地實現(xiàn)了流量測量,并且零點較穩(wěn)定。
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解決電磁流量計故障的幾種排除方法
下一條：
在造紙廠流量測量中電磁流量計的應(yīng)用
