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酒精流量计的抗(kàng)干扰(rǎo)措(cuò)施及其(qí)效果分析

点击次(cì)数:2064 发布时间(jiān):2020-08-15 06:01:37
摘要:为了抑制和排除(chú)酒精流量计测量过程中的干扰,提高信噪比,提高测量的精确度和稳定性,讨论了酒精流量计几类干扰噪声产生的物理机理和特征,简(jiǎn)要阐述了(le)酒(jiǔ)精流量计的(de)几种硬件和软件方(fāng)面的抗干扰技术。硬件方面设计了高精度低功耗的矩形波(bō)激磁(cí)电路,并从激磁电路中引出(chū)A/D转换器的参考电压,提高了A/ D转换结果的抗干(gàn)扰能力。软件方(fāng)面主要采用“计算斜率法”和“正负差值法”相结(jié)合的方法消除零点漂移。实验表明(míng),这(zhè)些方(fāng)法在智能酒精流量计的测量过程中取得了明显的(de)效果。
酒精流量计(jì)是利用法拉*电磁感应定律来测量导电液体的(de)体积流量的仪表,具有很多突出的优点,例如:无可动部件(jiàn),不会产生压力损失和堵塞管道;测量导电介质的流量,不受(shòu)温度、黏度、密度、压力、雷诺数以及(jí)在一定范围内电导(dǎo)率变化的影响;测量原(yuán)理为线性(xìng),精度高,测量范(fàn)围大;耐腐蚀性好并且可测(cè)量正反流速等等。但在实际测量中,干扰信号与有用(yòng)的信号混(hún)在一起,它们不仅成分复杂(zá),而且有时候干扰信号还(hái)会比流量(liàng)信号大。在这种情况下怎样抑制和排除这些干扰,提高信噪比,提高测量(liàng)的精确(què)度和稳定性就(jiù)成了研制和使用酒精(jīng)流量计的一个技术关键。
以往(wǎng)的酒精流量计的设计很多还(hái)有待改进,例如(rú):激磁电路基本(běn)采用模拟式恒流源,功耗大的同时也(yě)引入了干扰,并且精确度(dù)不(bú)高;转换器大多使用8位或16位的(de)单片机,较为(wéi)复杂的算法就难以实现或响应时间过慢;抗干扰主要集中在硬件电路的(de)设计等。本系统采用32位(wèi)ARM处理(lǐ)器,提高数据处理能(néng)力和(hé)算法复杂度(dù);并设计了低功耗的激磁电路(lù),同时利用反馈原理消除激励电流(liú)不稳定对A/D转换结果的影响并在软件算法(fǎ)和硬件电路方面提出了有效的消除零点漂移以(yǐ)及其他干扰(rǎo)的措施,使酒精流量计测量精度更为提高。
1、酒精流量计的测量原理
由(yóu)法拉*电磁感应(yīng)定律可知,当导体在磁场中做切割磁力线运动时(shí),在导体两端就产生感(gǎn)应电动势。设在磁场强度为B的均匀磁(cí)场中放置一个垂直于(yú)磁场方向的直径为D的管道,当导(dǎo)电液体(tǐ)在(zài)管道中流动时(shí),导电液体切割磁力线,就会在和(hé)磁场及流动方向垂直的方向产生感应电动势。如果在管道截面上垂直于(yú)磁场的直径两端安装一对电(diàn)*,两电*之间就会产生感应电动(dòng)势。如管道内流速v为轴对称分布,不考(kǎo)虑感应电动势的正负可得:

其中,B为(wéi)磁感应强度,A为磁通(tōng)量变化面积,D为导体长度,dl为被测介质运动的距离,v为被测介质运动的速度(dù),U为感应电动势。
所测液体的体积流量为:

式(1)说明,导(dǎo)体在磁场内作切割磁力线运(yùn)动,导(dǎo)体两端产生的感应电动势(shì)的大小与磁感应强度B成正比,与导(dǎo)体的长度D成正比,与导体运动的速(sù)度v成正(zhèng)比。由(yóu)式(2)可知液体的体积流量与感应电动势成正比,这就是酒精流量计的设计原理。
2、酒精流量计中的干(gàn)扰源分(fèn)析
传感器提供给转换(huàn)器的流量信号是电*间的电位差,即一种电压信(xìn)号。在实际测量(liàng)中,由于电磁感(gǎn)应、静电感应以及电化(huà)学电势等原因,电*上所得到的电压不仅仅是(shì)与(yǔ)流速成(chéng)比例的电动势,也包含各种各样的干扰成分在内。
*先酒精流量计(jì)工作现场存在大量(liàng)的工频信号,耦合在激(jī)磁回路、电*、前端(duān)放大器的工频干扰(rǎo)噪声对流量测量的准确性造成*大的影响。其(qí)次,在低频矩形波激磁方式下(xià),其干扰主要表现为由激磁电流突变产生的(de)微分干扰信(xìn)号,随着电流的(de)稳定,干扰信号随之消失;另外,由于电磁流量传感器的(de)“变压器效(xiào)应”,会产生(shēng)相位上与流量信号相差90°的正交干扰信号;此外,由于(yú)电磁屏蔽缺陷(xiàn),接(jiē)地不良,杂散电容等引起返回电流不平衡产生共(gòng)模干扰,它可能导致电路某些参考电位变化,是造成酒精流量计零点漂移的原因之一,同时产生高的辐(fú)射电场使电路的电磁兼容(róng)性恶化;串(chuàn)模干(gàn)扰是由于印刷电路板设(shè)计电磁兼容性考虑不足造成的信号质量下(xià)降,特(tè)别(bié)是高速走线(xiàn)和模拟电路易受到影响;还有就是电化(huà)学*化电动势干扰,它是被测液体中(zhōng)电解质在(zài)感应电场作用下在电*表面*化产生(shēng),是酒精流量计零点漂移的主要(yào)原因。
3、酒精流量计(jì)的抗干扰措施及其效果分析(xī)
3.1高精度的激磁电路的设计
该系统采用6.25Hz的双(shuāng)*性低频矩形波激磁,这种激磁方式(shì)不仅可以克服直流激磁产生的电**化效应,也可以(yǐ)克服工频正(zhèng)弦波激磁产生的正交干扰影响。
以往的激磁电路的设计都是采用恒流源和可控开关电路组成。恒流源是由电(diàn)压基准、比较放(fàng)大、控制调整和采(cǎi)样等(děng)部分组成的直流负反馈自动调节系统,常用的(de)激磁(cí)电路就是用串联调整型(xíng)恒流电源盒控(kòng)制开关组成的,如图1。其中Vref是(shì)参考电压,Rs是采样电阻,Is为流过Rs的电流,就(jiù)是所需的恒流,RL为电磁流量传感器线圈,K1、K2、K3、K4为可控开(kāi)关,以达(dá)到使线圈(quān)RL中流经正负交换的电流,对传感器激磁。

由理(lǐ)想运算放大器“虚(xū)短”原理可知:

由此可知,要想获得一个稳(wěn)定(dìng)的输(shū)出电(diàn)流Is,*先,必须要提供一个(gè)高精度的基准电(diàn)压和高精度采样(yàng)电阻(zǔ)。由于运放在调整(zhěng)控制过程中的作用,运(yùn)放的增益直接影响输出电流的精度,高增(zēng)益和低漂移的运放是必要的选(xuǎn)择。由于采样电阻与负载串连,流过的(de)电流通常比较大(dà),因此局部温度也会随之(zhī)上(shàng)升,导致元器件温度上升,恒流源的温度稳定性变坏,采(cǎi)样电阻Rs随温度或其他环境参数的变化(huà)而改变,势必影响Is的精度。其次,恒流电源的输出电流全(quán)部流过(guò)调整管,因此调整管上的(de)功耗也很大,必须选择大(dà)功率的晶体管,然而大功率晶体管需要较大的基*驱动电流,以(yǐ)满足对运放有较高驱动能力的要求。再(zài)次,双*型三*管的漏电流和(hé)电流放大系数对温度比较敏感,温度稳定性较差。还有,电(diàn)压电流(liú)变换器使用的负反馈闭环控制,电(diàn)流稳定度与放大(dà)器(qì)放(fàng)大倍数有直接关系,在大功率电源(yuán)里基本上是倒数关系。运放的温度漂(piāo)移和失调对电路(lù)的精度和(hé)温度稳定性有很大的影响。
为此,设计了一个新型的激磁电(diàn)路,并将激励电流反馈到(dào)A/D转换器,以消除激励电流不稳定对A/D转换结果的影响,如图2。

其中+24V是由220V的交流电通过变压、整流(liú)、滤波之后,输(shū)入可调集成稳压器LM317,通过高精度的(de)滑动(dòng)变阻器调节而得(dé)到的恒压源。LM317保证(zhèng)1.5A输出电流,典型线性(xìng)调整率0.01%,典型负载调整率0.1%,80dB纹波抑制比,输出短路保护,过流、过热保护,调整管安全工作区保护。系统的微控制器采用ARM7芯片STR710,通过它的I/O端(duān)口控制(zhì)图2中的P2.8和P2.9,ARM7芯片STR710进行(háng)控制,使端口P2输出正负(fù)24V交变的矩形波,从而对传感器激磁。另外,Vref(+)接该系统A/D转换(huàn)器的参(cān)考输入端VREF(+)。
整个电路(lù)的工作过程为:当(dāng)P2.9为高电平时,Q1、Q2、Q3、Q4导(dǎo)通,此时Q5的基*电流为零,Q5截(jié)止,此(cǐ)时P2的端口2输出+24V的电压。此时(shí)P2.8为(wéi)低(dī)电(diàn)平,Q6、Q7、Q8、Q9,此时(shí)有电流流经Q10基*,并使其基*和发射级导通,Q10的功能相当于一个二*管(guǎn)的作用,此时(shí)P1端口没有电压输出。那么,A/D转换器的参考输入端Vref(+)为:

其(qí)中,Vp2是P2端口输出电压(yā)幅值的绝对(duì)值,此(cǐ)处应该是+24V。整个电路是对称的(de),且R15=R20,当P2.9为(wéi)低电平,P2.8为高电平时,P2的端口2无电压输出,端口1输出+24V的电压(yā),Vref(+)值不变,如此周而复始输出频率为6.25Hz的的双*性矩形(xíng)波。用Multisim仿真结果如图3所示。

此外,把Vref(+)作为A/D转换器的参考输入,可以大大提(tí)高系统的温度(dù)稳定性。A/D转换(huàn)的结果可表示为:

其(qí)中,Vin为经放大、滤波处理过的电压(yā)信(xìn)号,也是(shì)A/D转换器的输(shū)入信号(hào),Vout为(wéi)传感器输出的原始流量信号(hào),K0为信号放大倍数(shù)。
由公式(1)可知:

通电螺线管(guǎn)线圈产生的磁场为:

其(qí)中,μ0为真空磁导率,N为(wéi)传感器线圈匝数,I为流过线圈的电流,l为(wéi)线圈的长度。
由图2可知(zhī):

把式(7)、(8)、(9)带入(rù)式(6)可得:

由式(11)、(12)可知在保证R21精度的前提下,A/D转换的结果只与液体的流速有关,不受电磁流量传感器线圈电阻变化的影响。该电路通(tōng)过MCU控制三*管的通断得到(dào)激磁信号,三*管的为电流控制(zhì)元件,该电路实现了小电流控制大电压,三*管的功耗低,电路的响应速度快,温度稳定性好,抗干扰能力强,对酒精流量计(jì)整体精度的提高起到了决(jué)定性的作用。
3.2微分干扰和工频干扰的(de)消除
信号中往往同时存(cún)在微分干扰和工频干扰信号,在信号处理电路中的低通滤波往往很难将工频干(gàn)扰完全滤出。本系统采用了同步采样和工频补(bǔ)偿(cháng)技术,以抑制流量信号电势中混入工频干扰和工频电源频率波动产生工频干扰,并有效去除微分(fèn)干扰。同步采样(yàng)技术,采样开始时间(jiān)滞后(hòu)激磁信号1/4个周期,其采样脉宽为(wéi)工频(pín)周期的偶数(shù)倍,消除微分干扰的同时使流量信号电(diàn)势中工频干扰(rǎo)平均值等于零,以消除工频干扰的影响(xiǎng);工频电源的频率(lǜ)波动(dòng)补偿是保证频率的动态波动中,激磁电源和采样脉冲得以同步调整,真正实现(xiàn)同步采样技术和同步激磁技术,同步A/D转换,降低了微分干扰(rǎo)和工频干扰的影响。
3.3零点漂移(yí)消除
所谓零点漂移,就是(shì)当传感器的(de)输入信号为零时,放大器的输出并不是零(líng)。零点漂移的信号会在各级放大的电路间(jiān)传递,经过多(duō)级放大后,在输出端成(chéng)为较大的(de)信号,由于传感器输出(chū)的有用信号较弱,零点漂移就可能将有用信号淹没,使电路无法正常工作。零点漂移可分为基线零点漂(piāo)移和斜率零点漂移(yí)。对于零点漂移的抑制,该系统采用软硬件相结合的措施。硬(yìng)件电路(lù)方面,采用三运放的差动电路输入,实现对大(dà)内阻的微弱信号采集,并有效抑制了共模信(xìn)号的引入。一(yī)级放大(dà)电路(lù)之后采用隔直电(diàn)容,滤除基线零点漂移,防止直流信号过大,超出A/D转换的输入范(fàn)围。
有(yǒu)时硬件的方法是(shì)不可能(néng)完全满足系统的要求的,必须结合(hé)软件的方(fāng)法才能更好地达到系(xì)统的要求,也(yě)就是现在所说的(de)软件即是虚拟(nǐ)硬件。结合硬件采用软件的方(fāng)法简单易行,可以很好消除采集数据(jù)中的零(líng)点(diǎn)漂移,并且(qiě)其成本比用硬件的方法低,改进软件的算法可以方便实现对系统的改进。对于该系统的(de)零(líng)点漂移(yí),采用“计算斜率法”和“正负差值法”相(xiàng)结(jié)合的方法可以很有效地消除基线(xiàn)零点漂移和斜率零点漂移对酒(jiǔ)精流(liú)量计精(jīng)度的(de)影响。
图4为经过信号处理和同步采样后的信(xìn)号,同时存在基线零点漂移和斜率零点(diǎn)漂移。斜率零点漂移则多见于积分系统,随着时间的(de)推移,积分器的零点可能会出现**间累(lèi)加漂移。此外,外界的环境温度的变化也是斜率零点漂移产生的重要原因。

鉴于斜率零点漂移产生的机理,可以(yǐ)在标定的时候确定零点漂移的斜率(lǜ)K。也就是在管道液体静止不动流量(liàng)为零的时候对输出信号进行采样,设从时间t1进行采样,采样历时Δt,经过一段时间后又从t2开始采样,历时Δt后采样结束。分别得到两组离散的信号x1到xn和x1到xn,分别除(chú)去*大值、*小值后对剩下(n-2)个值进行平均,得:

那么斜率零点漂移的斜率为:

对于基线(xiàn)零点漂移,“正负差值法”是比较有(yǒu)效便捷的选择,它不需要直接(jiē)消除信号中的基线零点(diǎn)漂(piāo)移,而是通过算法上去掉基线零点(diǎn)漂移(yí)对测量结果的影响。该系统中,激磁信号的频率为6.25Hz,由于所测量的液体(tǐ)流速不会有明显的突变,所以在信号的一个周(zhōu)期0.16s内,可以采用一个波峰减去波谷(gǔ)的(de)均值来表示此时的流量信号,也即如图3中|y4-y1|其中y4是从nT+T/4到nT+T/2采样结果的(de)算术平均值,y1是从到(n+1)T进行(háng)采样结(jié)果的算术平均值。但是(shì)由于斜率零点漂移的存在,会出现如图3中|y3-y2|的误差,所以需(xū)要利用式(15)的结果对该误(wù)差进行修正,修正后的结(jié)果也就是此时(shí)管道中液(yè)体(tǐ)感应出的电动势为:

对(duì)于式(16)结果,去除了工频干(gàn)扰、微分干扰、零点漂移的影响,大大提高了酒(jiǔ)精流量计的测量精度。
3.4其他去除干(gàn)扰的措施
对于由电磁流(liú)量传感器(qì)的(de)“变压器效应”所产生的正交干扰,采用“变送器(qì)调零法”来消除,这个方(fāng)法既方(fāng)便又实用。
软件设计方面,采用了数字滤波技术,它能完成模拟滤波不能完成的功能,很容易剔出脉(mò)冲干扰,消(xiāo)除数字电路毛刺,提高A/D转换的(de)抗工频干扰能力(lì)以及输入微处理器数字的可靠性。此外,还采用了掉电保护技术,软件指令冗余措(cuò)施,软件陷阱抗干扰方法以及看门狗技术,这些措施的采用有效地排除了智能酒精流(liú)量计微处(chù)理器失控。
在PCB电路板制作上,采用数字地与模拟地分开走线并加粗(cū),*后用0欧电阻单点相连。数字电源与模拟电源也分开供电,合理加装了去藕电容,并协(xié)调好不同类型IC的点评匹(pǐ)配(pèi)。数字(zì)信号和模(mó)拟信号分开走线,有效防止(zhǐ)了并(bìng)行走线产生(shēng)寄生电容(róng)和共(gòng)生电容。选择高性能的抗干扰芯片,这是(shì)抗干扰技术重要环节。
酒精流量计的(de)安装方面,使传感器的外壳应接地,并(bìng)且将流量调节(jiē)阀门(mén)放在流量(liàng)计的下游,垂直安装(若水平安装的流量计应保证上游10倍直径,下游5倍直径的直管段),这样达到整流的目的,从而减小了流速分布(bù)不均对测量精度的影响。减(jiǎn)短信(xìn)号传送电缆,否则(zé)由电缆分布电容引起的负载效应就会增(zēng)大测量(liàng)误(wù)差,也(yě)增加了信号受到干扰的可(kě)能。
4、结束语
智能酒精流量计多种抗干扰技术的采用,大大(dà)抑制和消除了干扰信号对有用信号的影响,增(zēng)强了酒精流量计的抗干扰能力(lì),经酒精流量计制作样(yàng)机反复实验(yàn)证明,测量精度(dù)可达到0.5%,提高了以往测量的精度和(hé)可靠性。

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