電磁流量計(jì)自適應(yīng)極化噪聲抵消系統(tǒng)研究

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2020-03-28 12:05

本文摘要：摘要:電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用廣泛的測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。測量時，金屬電極與電解質(zhì)會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生極化噪聲。極化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號幅值，使電極輸出信號信噪比較低極化噪聲存在漂移的現(xiàn)象，會影響電磁流量計(jì)變送器的信號調(diào)理工作，限制電

　　摘要:電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用廣泛的測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。測量時，金屬電極與電解質(zhì)會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生極化噪聲。極化噪聲幅值遠(yuǎn)高于流量信號幅值，使電極輸出信號信噪比較低ꎻ極化噪聲存在漂移的現(xiàn)象，會影響電磁流量計(jì)變送器的信號調(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)的信號調(diào)理電路，通過硬件電路實(shí)時提取和抵消極化噪聲，極大地提高了電極輸出信號信噪比。通過試驗(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信號調(diào)理電路ꎻ放大倍數(shù)ꎻADC采樣

中國集成電路

　　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)。信號測量時，傳感器電極拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般為幾十到數(shù)百微伏。而噪聲信號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法通過良好的接地或者改變勵磁的方式消除，極大地影響了信噪比。為了提高電磁流量計(jì)傳感器輸出信號的信噪比，目前，國內(nèi)外主要有四種解決方案。①極化噪聲補(bǔ)償?shù)姆桨浮８鶕?jù)極化噪聲緩慢變化的特點(diǎn)，采用不勵磁時段極化噪聲來補(bǔ)償勵磁時段的極化噪聲。但是，由于極化噪聲的不規(guī)律性，會導(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渡帶很寬，會使流量信號出現(xiàn)畸變的現(xiàn)象。因此，該方案被用在瞬態(tài)勵磁中，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，然后通過數(shù)字信號處理方法提取出流量信號。但該方案增加了程序的復(fù)雜性。同時，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，只能使用很低的勵磁頻率。④閾值控制的偏置調(diào)節(jié)方法[3]。當(dāng)信號超過設(shè)定的閾值時，數(shù)字信號處理器(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，將傳感器輸出信號調(diào)整到0附近。但這種調(diào)節(jié)方法會使流量信號產(chǎn)生一個跳變，對后續(xù)的梳狀帶通濾波造成影響，導(dǎo)致輸出信號出現(xiàn)間斷性錯誤。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)生一個電場，從而在電解質(zhì)流體和電極之間形成電位差。這個電位差就是極化電勢。若兩電極結(jié)構(gòu)完全相同，則極化電勢會相互抵消。但由于兩電極表面的結(jié)構(gòu)差異，極化電勢會由共模電壓轉(zhuǎn)為差模電壓，并耦合在信號上。該極化電勢被認(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隨著時間的推移緩慢累積。當(dāng)有流動的電解質(zhì)流體出現(xiàn)或電解質(zhì)流體流速發(fā)生變化時，這些累積的沉積物會被慢慢撕開。

　　在這一過程中，極化電勢大小會發(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量的電解質(zhì)流體的性質(zhì)同時，也受溫度的影響。為了研究極化噪聲的特性，研制了對電極輸出信號進(jìn)行放大和高頻濾波的信號調(diào)理電路1。配合本課題組原有的變送器，針對重慶川儀自動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，并進(jìn)行頻譜分析。其中，勵磁頻率為12.5Hz，水流量為20m3/h，采樣頻率為1500Hz，采樣時間為200s。

　　觀察信號調(diào)理電路的輸出信號可以發(fā)現(xiàn):電極輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路放大后存在嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象，信號累積的漂移量達(dá)到了1.2V，遠(yuǎn)大于70mV左右的流量信號(流速為1m/s信號幅值約為100μV，流量為20m3/h時流速為4.44m/s，信號幅值約為444μV，放大170倍后約為75.5mVꎻ70mV為觀測結(jié)果)。而該結(jié)果僅僅是將電極輸出信號放大了170倍。當(dāng)放大倍數(shù)更大時，如果任由電極輸出信號發(fā)生漂移，那么放大器輸出信號很可能達(dá)到飽和，ADC的供電電壓會達(dá)到5V，導(dǎo)致ADC無法正常工作。

　　為了觀察流量信號與極化噪聲的頻段分布，將290000點(diǎn)信號去均值后，從4096點(diǎn)開始，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，幾乎不與流量信號頻段重疊。當(dāng)勵磁頻率為2.5~5Hz[8]，可以用一個過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提取極化噪聲。

　　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，同時考慮到硬件系統(tǒng)處理噪聲更具實(shí)時性與可靠性，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調(diào)理電路ꎻ再匹配電磁流量傳感器，組成了一個完整的基于數(shù)字信號處理器(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)高于流量信號幅值，會造成電極輸出信號信噪比較低ꎻ同時，極化噪聲的漂移會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。針對這些問題，通過對電極輸出信號采集與頻譜分析，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經(jīng)過一個八階低通濾波器，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)過下級放大器，用差分放大后的電極輸出信號減去極化噪聲，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)信號調(diào)理電路放大340倍、ADC為24位時，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。這說明采用自適應(yīng)極化噪聲抵消方法的信號調(diào)理電路2能夠滿足實(shí)際測量要求，且提高信號放大倍數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更低流量的測量。

　　降A(chǔ)DC位數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，將信號調(diào)理電路放大倍數(shù)提高至3500倍，同時用24位ADC的高14位來模擬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。這說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。

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