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电磁流量计信号处理方法的分析与讨论

发布时间:2018-04-26
 

摘要:基于低频矩形波励磁方式下电磁流量计的运行原理,探讨了在励磁周期下获得准确流量值信号的基本关系,并就实现此信号基本关系的方法和对应的信号精度与动态响应问题,对现行方法进行了讨论。作为改进,本文提出了一种基线控制的信号处理新方法,通过比较试验,证实了新方法有较高的精度和较快的动态响应。
1、电磁流量计信号处理问题
在现行的电磁流量计中,低频矩形波励磁方式(keyed dc,field)成了主要的励磁形式,在理论上,它使工频干扰、励磁相位干扰、电极极化以及零点漂移等干扰有了可克服的途径,所谓低频矩形波励磁,是一种励磁周期为工频周期的整数倍且励磁过程为正负恒值周期交替的矩形波励磁,但随信号处理方法的不同,将使对应电磁流量计的静动态流量测量性能有所差异。理想的信号处理方法应保持电磁流量计基本原理上的纯线性和快速响应特性。
图1是电磁流量计的基本原理图。

导电性流体在传感器工作磁场B(由励磁电流I产生的)作用下,使两测量电极a和b产生正比于流体流速V的感应电势e,电磁流量计的理想测量方程可表示为

其中,C为仪表常数,D为传感器的管道直径。
方程(1)表示电磁流量计产生的感应电动势与流体流速V呈线性关系,并且具有对流体流速变化的响应无延时的优点。
但在实际的电磁流量计中,电极a和b上叠加了一系列的干扰信号,一般得到的信号

式中,第二、第三项为磁场变化时产生的正交与同相干扰(若磁场不变时,此两项为零);eo为零点漂移干扰(实际电极两端 内阻可达几兆欧量级,致使信号中积累起较大的零点漂移值); 为共模干扰(若图1中的A是差分放大器,即可基本消除此项干扰);ea为电极间可能产生的极化电压干扰和工频进入的串模干扰(对于恒定磁场励磁时极化电压干扰将使信号完全饱和而无法反映eab的值)。

图2中,磁场B是一种常用的低频矩形波励磁形式,电势信号e是对应励磁方式下的典型信号形式,信号e中的尖峰主要是由励磁正负变化时引入的干扰,而eo即是信号中的零点漂移干扰,显然,在t1和t2时刻附近,矩形波励磁磁场恒定不变,则信号中就没有式(2)的磁场正交与同相干扰,这就是低频矩形波励磁方式给电磁流量计的信号处理带来的一个优点。同时,由于低频矩形波励磁方法基本减弱了电极极化干扰,即式(2)中的ed主要是工频引入的串模干扰,若假设图1中的A是一个差分放大器,则在图2的t1或t2附近的信号为
e=eb+en+ed (3)
从低频矩形渡励磁方式下电磁流量计运行原理可知,要实现对流体流速感应电势eab的准确测量,可利用以下基本关系。
a.若低频矩形波励磁周期是工频周期的整数倍,则 eab可由式(1)的流体流速感应电势信号决定。
b.在一个励磁周期下,图2中的t1和t2点为工频串模干扰的等效干扰点,于是在一个低频矩形波励磁周期下有对流体流速感应电势eab信号的一次基本算式

式(4)给出了电磁流量计信号测量的基本算式,但若要高精度、高动态响应地得出流体流速感应电势eab信号值,对应的信号处理方法将需要解决下列两个问题。
第一,图2的低频矩形波励磁周期实际已成为对流体流速V的基本采样周期。如要提高电磁流量计的动态响应速度,应采用最小的低频矩形波励磁周期(即工频周期的1倍);而采用较大的低频矩形波励磁周期时,却有利于减弱信号e的尖峰影响,并有利于减小零点漂移eu的累积使信号零点较为稳定,即存在对信号的动态响应与零点漂移稳定性问题。
第二,实际的e值一般(几十微伏级)小于信号中零点漂移eu最大值(达百毫伏级),约为eo×10-3,因此要保证高精度地实现基本算式(4),须通过信号处理手段使信号eab在数值上大于零点漂移eo,即存在既要基本消除零点漂移值eo,又要有效地放大感应电势信号eah的问题。
对上述两个问题的不同解决途径将引出不同的信号处理方法,本文就如何有效地放大感应电势信号eah和提高信号动态响应速度两个方面对信号处理方法进行探讨,并提出一种较理想的基线控制法信号处理方法。
2、对两种现行信号处理方法的分析与讨论
2.1电容隔离法
电容隔离法是将零点漂移eo近似作为直流处理的一种方法,即通过电容耦合来隔离零点漂移干扰,实现对感应电势信号eab的有效放大。图3是电容隔离法的一种典型信号处理框图。

图3中,各级信号都通过电容来耦台,差分减法器D1用来消除信号的共模干扰,信号放大器使信号在消除直流分量后放大K倍,然后,两个采样保持器在图4的t1与t2时刻采样保持信号,并经差分减法器D2来实现式(4),此方法可在一个励磁周期下得出uo=2Keah。

由于耦合电容必须通过正负矩形波的感应电势eab信号,对应电容的值就必须较大(几十微法)。同时,实际零点漂移不是一个真正的直流分量,这将使信号处理输出uo出现相对不稳定的情况,事实上,电容耦合将使正负恒定励磁段的感应电势信号eab产生一定的畸变,而励磁周期较小时又会使零点漂移不能接近于直流分量。因此,实际的电容隔离法一般只用于励磁周期在8倍以上工频周期的情况。为了保证具有稳定的流量测量值,通常电容隔离法还要对信号处理输出进行较大时间常数的滤波,这导致其信号响应时间将远远大于励磁周期。当然,在一些流体流速变化不是很大的场合,电容隔离法是一种实用的信号处理方法。
2.2零点漂移反馈法
这种方法是希望在信号放大过程中实现对零点漂移干扰的动态消除。8O年代国内外先后提出了一些采用零点漂移反馈法的信号处理方法。尽管各种零点漂移反馈法在求得零点漂移值的方式上有所差异,但其信号处理的原理和性能是基本一致的。图5是一种零点漂移反馈法原理框图。在图中的两采样保持器输出端上,通过两个电阻r的中点来获取零点漂移信号,对应的零点漂移反馈信号有

显然,反馈信号f在动磁周期下可对(放大的)信号u中的零点漂移信号eo进行动态消除。

图6是消除了零点漂移且放大了K倍的信号u的波形,再经图5中两个采样保持器和差分减法器D2的处理来实现式(4),从信号u的波形看,零点漂移反馈法可使用最小(工频周期l倍)励磁周期,并能在动态消除零点漂移的情况下有效地放大感应电势信号。

但零点漂移反馈法的实际信号动态响应时间并不是一个励磁周期。当流体流速变化对将使零点漂移反馈经多个励磁周期才能达到稳态的调整过程,并使信号处理输出也产生相应时间的响应过程,引用基本算式(4)和反馈算式(5),得出图5的信号处理输出

即图5的零点漂移反馈法信号处理输出是两个励磁周期下式(4)的平均值。因此,由于零点漂移反馈的作用,当流体流速变化使感应电势eah变化为eah+△时,图5的实际输出响应为

当n=6时,有,即要经3个励磁周期后才能基本达到应有的响应值。因此,尽管零点漂移反馈法具有使用最小励磁周期和较高精度实现式(4)的能力,但其对信号的动态响应时间一般至少是对应励磁周期的3倍。
3、一种基线控制法的信号处理方法
如果把算式(4)看作是e(t2)为参考点来求e(t1)的幅值,即以负恒定励磁下的信号值作为一个基线值,而正恒定励磁下相对于此基线值的信号幅值就是一个励磁周期下的感应电势信号。因此,基于相对基线关系,这里提出一种基线控制法的信号处理方法。
图7是这种方法的基本原理框图。图中把u(t2)值作为信号基线来进行每个励磁周期的反馈控制,达到在消除零点漂移下对感应电势信号的有效放大,图8表示了将负恒定励磁下的信号值作为信号基线来按励磁周期进行反馈控制的信号关系。

反馈信号直接从放大器K的输出端取得,即在t时刻,将矩形负(或正)恒定励磁段下的信号值作为信号相对基线,在每个励磁周期进行一次反馈控制调节、图中的BLT可以是一个与期望基线值比较的基线调节器,在图8中,它从对应的开始基线调节,在te前保持基线调节结果。若以零为期望基线值,理想的反馈信号保持值为
图7在每个励磁周期中的te时间都对放大的信号进行了以基线为标准的平移控制,放大后的信号在两采样保持器的操作下使差分减法器 D2具有了实现高精度减法的能力。这样,图7的信号处理方法既可使用最小的励磁周期又具备了高精度实现式(4)的能力。
为了得出基线控制法的信号动态响应过程,这里按图8的信号关系,以负恒定励磁段下的信号值作为信号相对基线来进行分析。假设,在t1前的t时刻感应电势为eab(t),并假设信号基线已得到控制:即有

4、结束语
本文主要探讨了电磁流量计在低频矩形波励磁方式下的信号处理方法,电磁流量计还有一些其他的励磁方式及其对应的信号处理方法 (如双频劢磁方式及其信号处理方法),但本质上还是矩形波励磁的方式,因此,上述对信号处理方法的分析与探讨具有一定的普遍性。
实际电磁流量计的信号处理问题还将包台诸如传感器信号阻抗匹配、流体在电极上的流动噪声、电子器件噪声和一些信号智能化处理等其他问题。因此,在实际实现电磁流量计的信号处理方法时还必须考虑上述诸多因素。