本文摘要：摘要:電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。測(cè)量時(shí)，金屬電極與電解質(zhì)會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生極化噪聲。極化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號(hào)幅值，使電極輸出信號(hào)信噪比較低極化噪聲存在漂移的現(xiàn)象，會(huì)影響電磁流量計(jì)變送器的信號(hào)調(diào)理工作，限制電
摘要:電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。測(cè)量時(shí)，金屬電極與電解質(zhì)會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生極化噪聲。極化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號(hào)幅值，使電極輸出信號(hào)信噪比較低ꎻ極化噪聲存在漂移的現(xiàn)象，會(huì)影響電磁流量計(jì)變送器的信號(hào)調(diào)理工作，限制電路的放大倍數(shù)，增加ADC采樣位數(shù)、電路成本、功耗等。對(duì)此，提出了一種基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)硬件電路實(shí)時(shí)提取和抵消極化噪聲，極大地提高了電極輸出信號(hào)信噪比。通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案不但能有效濾除極化噪聲，而且能提高信號(hào)調(diào)理電路的放大倍數(shù)、減少ADC的采樣位數(shù)、減少電路的成本和功耗。
關(guān)鍵詞:電磁流量計(jì)ꎻ極化噪聲ꎻ信噪比ꎻ前饋控制ꎻ自適應(yīng)抵消ꎻ信號(hào)調(diào)理電路ꎻ放大倍數(shù)ꎻADC采樣
0引言
電磁流量計(jì)是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)。信號(hào)測(cè)量時(shí)，傳感器電極拾取流量信號(hào)和噪聲信號(hào)。流量信號(hào)幅值一般為幾十到數(shù)百微伏。而噪聲信號(hào)中的極化噪聲存在漂移的現(xiàn)象，幅值一般在幾毫伏到數(shù)百毫伏區(qū)間變化，也有可能達(dá)到數(shù)伏[1]。兩者幅值的巨大差異以及極化噪聲無(wú)法通過(guò)良好的接地或者改變勵(lì)磁的方式消除，極大地影響了信噪比。為了提高電磁流量計(jì)傳感器輸出信號(hào)的信噪比，目前，國(guó)內(nèi)外主要有四種解決方案。①極化噪聲補(bǔ)償?shù)姆桨�。根�?jù)極化噪聲緩慢變化的特點(diǎn)，采用不勵(lì)磁時(shí)段極化噪聲來(lái)補(bǔ)償勵(lì)磁時(shí)段的極化噪聲。但是，由于極化噪聲的不規(guī)律性，會(huì)導(dǎo)致電磁流量計(jì)的零點(diǎn)較差。②低通濾波反饋的方案[2]。
根據(jù)極化噪聲所處的頻帶略低于流量信號(hào)的特點(diǎn)，采用一階低通濾波器提取極化噪聲，并進(jìn)行反饋補(bǔ)償。但是，一階低通濾波器的過(guò)渡帶很寬，會(huì)使流量信號(hào)出現(xiàn)畸變的現(xiàn)象。因此，該方案被用在瞬態(tài)勵(lì)磁中，尚未應(yīng)用于商用儀表。③采用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogtodigitalconverter，ADC)的方案。利用32位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接采集信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理方法提取出流量信號(hào)。但該方案增加了程序的復(fù)雜性。同時(shí)，高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率與采樣率成反比。
因此，為了保證較高的分辨率，只能使用很低的勵(lì)磁頻率。④閾值控制的偏置調(diào)節(jié)方法[3]。當(dāng)信號(hào)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalprocessor，DSP)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digitaltoanalogconverter，DAC)模塊輸出偏置調(diào)節(jié)電壓，將傳感器輸出信號(hào)調(diào)整到0附近。但這種調(diào)節(jié)方法會(huì)使流量信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)跳變，對(duì)后續(xù)的梳狀帶通濾波造成影響，導(dǎo)致輸出信號(hào)出現(xiàn)間斷性錯(cuò)誤。為此，本文分析極化噪聲產(chǎn)生的具體原因及分布特性，提出前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案�；谠摲桨�，研制了電磁流量計(jì)變送器中的信號(hào)調(diào)理電路ꎻ并用研制的調(diào)理電路替換課題組研制的電磁流量計(jì)變送器中的調(diào)理電路，形成一套完整的電磁流量計(jì)變送器，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。
1噪聲分析
極化噪聲主要源于電極與電解質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)。金屬電極帶電的正離子逐漸溶解于所測(cè)量的電解質(zhì)流體，自身帶負(fù)電荷，致使電解質(zhì)流體中的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，形成復(fù)雜的電解雙層結(jié)構(gòu)。雙電層之間產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，從而在電解質(zhì)流體和電極之間形成電位差。這個(gè)電位差就是極化電勢(shì)。若兩電極結(jié)構(gòu)完全相同，則極化電勢(shì)會(huì)相互抵消。但由于兩電極表面的結(jié)構(gòu)差異，極化電勢(shì)會(huì)由共模電壓轉(zhuǎn)為差模電壓，并耦合在信號(hào)上。該極化電勢(shì)被認(rèn)為是直流分量[1，4￣6]。而且，電極表面上的灰塵或放電離子等沉積物會(huì)隨著時(shí)間的推移緩慢累積。當(dāng)有流動(dòng)的電解質(zhì)流體出現(xiàn)或電解質(zhì)流體流速發(fā)生變化時(shí)，這些累積的沉積物會(huì)被慢慢撕開(kāi)。
在這一過(guò)程中，極化電勢(shì)大小會(huì)發(fā)生隨機(jī)變化，形成漂移的極化電壓[7]。極化電壓的大小在一定程度上取決于電極的制作材料和所測(cè)量的電解質(zhì)流體的性質(zhì)同時(shí)，也受溫度的影響。為了研究極化噪聲的特性，研制了對(duì)電極輸出信號(hào)進(jìn)行放大和高頻濾波的信號(hào)調(diào)理電路1。配合本課題組原有的變送器，針對(duì)重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司口徑為40mm的電磁流量傳感器，采集濾除高頻且放大的電極輸出信號(hào)，并進(jìn)行頻譜分析。其中，勵(lì)磁頻率為12.5Hz，水流量為20m3/h，采樣頻率為1500Hz，采樣時(shí)間為200s。
觀察信號(hào)調(diào)理電路的輸出信號(hào)可以發(fā)現(xiàn):電極輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大后存在嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象，信號(hào)累積的漂移量達(dá)到了1.2V，遠(yuǎn)大于70mV左右的流量信號(hào)(流速為1m/s信號(hào)幅值約為100μV，流量為20m3/h時(shí)流速為4.44m/s，信號(hào)幅值約為444μV，放大170倍后約為75.5mVꎻ70mV為觀測(cè)結(jié)果)。而該結(jié)果僅僅是將電極輸出信號(hào)放大了170倍。當(dāng)放大倍數(shù)更大時(shí)，如果任由電極輸出信號(hào)發(fā)生漂移，那么放大器輸出信號(hào)很可能達(dá)到飽和，ADC的供電電壓會(huì)達(dá)到5V，導(dǎo)致ADC無(wú)法正常工作。
為了觀察流量信號(hào)與極化噪聲的頻段分布，將290000點(diǎn)信號(hào)去均值后，從4096點(diǎn)開(kāi)始，等距取60段，每段4096點(diǎn)，分別作4096點(diǎn)的快速傅里葉變換(fastFouriertransform，F(xiàn)FT)，并求出其平均幅值譜，如圖1(b)所示。由圖1(b)可以看出:極化噪聲以直流噪聲為主，主要分布于零頻附近的低頻區(qū)域，幾乎不與流量信號(hào)頻段重疊。當(dāng)勵(lì)磁頻率為2.5~5Hz[8]，可以用一個(gè)過(guò)渡帶特性較陡的高階低通濾波器來(lái)提取極化噪聲。
2極化噪聲抵消方案
2.1抵消原理
根據(jù)極化噪聲的特性，同時(shí)考慮到硬件系統(tǒng)處理噪聲更具實(shí)時(shí)性與可靠性，提出一種基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案，并用硬件實(shí)現(xiàn)。
3驗(yàn)證試驗(yàn)
為了驗(yàn)證基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的效果，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路2，并替換本課題組研制的電磁流量變送器中的信號(hào)調(diào)理電路ꎻ再匹配電磁流量傳感器，組成了一個(gè)完整的基于數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalprocessor，DSP)的電磁流量計(jì)[8￣10]。在容積法水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行了信號(hào)調(diào)理電路濾波試驗(yàn)、電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)和降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)。
4結(jié)論
極化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號(hào)幅值，會(huì)造成電極輸出信號(hào)信噪比較低ꎻ同時(shí)，極化噪聲的漂移會(huì)限制電路的放大倍數(shù)，增加了ADC采樣位數(shù)、電路成本、功耗等。針對(duì)這些問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電極輸出信號(hào)采集與頻譜分析，研究了極化噪聲的分布特性，發(fā)現(xiàn)漂移的極化噪聲主要分布于零頻附近的低頻區(qū)域，基本不與信號(hào)頻段重疊。根據(jù)極化噪聲的分布特性，提出了一種基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方案，并用硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
前置差分放大后的電極輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)八階低通濾波器，提取出其中的極化噪聲ꎻ然后以極化噪聲作為前饋量，經(jīng)過(guò)下級(jí)放大器，用差分放大后的電極輸出信號(hào)減去極化噪聲，以此實(shí)現(xiàn)極化噪聲的自適應(yīng)抵消。為驗(yàn)證該方案的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路2，配合課題組原有的變送器及川儀DN40傳感器，在容積法水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)。信號(hào)調(diào)理電路濾波試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效消除電極輸出信號(hào)中的極化噪聲。電磁流量計(jì)水流量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)信號(hào)調(diào)理電路放大340倍、ADC為24位時(shí)，在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi)，流量計(jì)的準(zhǔn)確度為0.3級(jí)。這說(shuō)明采用自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的信號(hào)調(diào)理電路2能夠滿足實(shí)際測(cè)量要求，且提高信號(hào)放大倍數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更低流量的測(cè)量。
降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，將信號(hào)調(diào)理電路放大倍數(shù)提高至3500倍，同時(shí)用24位ADC的高14位來(lái)模擬16位ADC，在流速為0.5~5m/s的范圍內(nèi)，流量計(jì)的準(zhǔn)確度可達(dá)0.3級(jí)。這說(shuō)明基于前饋控制的自適應(yīng)極化噪聲抵消方法可以將信號(hào)放大較高的倍數(shù)，從而有效降低ADC的采樣位數(shù)、芯片供電電壓，以及電路成本和功耗。
電路論文投稿刊物：《中國(guó)集成電路》(月刊)創(chuàng)刊于1992年，是由中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部主管，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)/集成電路設(shè)計(jì)分會(huì)主辦的全國(guó)性專業(yè)電子刊物。自創(chuàng)刊以來(lái)，一直致力于IC市場(chǎng)應(yīng)用分析，介紹先進(jìn)的IC設(shè)計(jì)、制造、封裝工藝和技術(shù)以及先進(jìn)的組織形式和管理經(jīng)驗(yàn)。在業(yè)界形成了一定影響和良好口碑，并隨中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)一同成長(zhǎng)。
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