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电磁流量计自适应极化噪声抵消系统研究

来源:www.sancdc.com作者:发表时间:2020-02-20

 摘要:电磁流量计是一种应用广泛的测量导电液体体积流量的仪表。测量时,金属电极与电解质会发生电化学反应,产生极化噪声。极化噪声幅值远高于流量信号幅值,使电极输出信号信噪比较低;极化噪声存在漂移的现象,会影响电磁流量计变送器的信号调理工作,限制电路的放大倍数增加ADC采样位数、电路成本、功耗等。对此,提出了一种基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方案,设计了相应的信号调理电路,通过硬件电路实时提取和抵消极化噪声,极大地提高了电极输出信号信噪比。通过试验,验证了该方案不但能有效滤除极化噪声,而且能提高信号调理电路的放大倍数、减少ADC的采样位数、减少电路的成本和功耗。
0引言
    电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律测量导电液体体积流量的仪表,广泛应用于石油、化工、冶金、造纸等行业。信号测量时,传感器电极拾取流量信号和噪声信号。流量信号幅值一般为几十到数百微伏。而噪声信号中的极化噪声存在漂移的现象,幅值一般在几毫伏到数百毫伏区问变化,也有可能达到数伏川。两者幅值的巨大差异以及极化噪声无法通过良好的接地或者改变励磁的方式消除,极大地影响了信噪比。
    为了提高电磁流量计传感器输出信号的信噪比,目前,国内外主要有四种解决方案。
    ①极化噪声补偿的方案。根据极化噪声缓慢变化的特点,采用不励磁时段极化噪声来补偿励磁时段的极化噪声。但是,由于极化噪声的不规律性,会导致电磁流量计的零点较差。
    ②低通滤波反馈的方案[[21。根据极化噪声所处的频带略低于流量信号的特点,采用一阶低通滤波器提取极化噪声,并进行反馈补偿。但是,一阶低通滤波器的过渡带很宽,会使流量信号出现畸变的现象。因此,该方案被用在瞬态励磁中,尚未应用于商用仪表。
    ③采用高精度的模数转换器(analog to digitalconverter, ADC)的方案。利用32位高精度的模数转换器直接采集信号,然后通过数字信号处理方法提取出流量信号。但该方案增加了程序的复杂性。同时,高精度的模数转换器的分辨率与采样率成反比。因此,为了保证较高的分辨率,只能使用很低的励磁频率。
    ④阑值控制的偏置调节方法。当信号超过设定的闭值时,数字信号处理器(digital signal processor,DSP)控制数模转换器(digital to analog converter, DAC )模块输出偏置调节电压,将传感器输出信号调整到0附近。但这种调节方法会使流量信号产生一个跳变,对后续的梳状带通滤波造成影响,导致输出信号出现间断性错误。
    为此,本文分析极化噪声产生的具体原因及分布特性,提出前馈控制的自适应极化噪声抵消方案。基于该方案,研制了电磁流量计变送器中的信号调理电路;并用研制的调理电路替换课题组研制的电磁流量计变送器中的调理电路,形成一套完整的电磁流量计变送器,进行验证试验。
1、噪声分析
信号调理电路1输出信号频谱图

    极化噪声主要源于电极与电解质的电化学反应。金属电极带电的正离子逐渐溶解于所测量的电解质流体,自身带负电荷,致使电解质流体中的正负电荷中心发生相对位移,形成复杂的电解双层结构。双电层之间产生一个电场,从而在电解质流体和电极之间形成电位差。这个电位差就是极化电势。若两电极结构完全相同,则极化电势会相互抵消。但由于两电极表面的结构差异,极化电势会由共模电压转为差模电压,并藕合在信号上。该极化电势被认为是直流分量〔1,4-6]O而且,电极表面上的灰尘或放电离子等沉积物会随着时间的推移缓慢累积。当有流动的电解质流体出现或电解质流体流速发生变化时,这些累积的沉积物会被慢慢撕开。在这一过程中,极化电势大小会发生随机噪声为主,主要分布于零频附近的低频区域,几乎不与流量信号频段重叠。当励磁频率为2.5一5 Hz l81,可以用一个过渡带特性较陡的高阶低通滤波器来提取极化噪声。
2极化噪声抵消方案
2.1抵消原理
电磁流量计噪声抵消原理框图

    根据极化噪声的特性,同时考虑到硬件系统处理噪声更具实时性与可靠性,提出一种基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方案,并用硬件实现。噪声抵消方法原理如图2所示。
    电极输出信号S(t)包含流量信号,(t)、极化噪声n1(t)和高频噪声n2(t),如式(1)所示:
          S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
    电极输出信号S(t)经过前置差分放大器A,后,得到信号A1.S(t)。由于极化噪声n, (1)频段与流量信号,(t)频段存在很好的区分度,那么信号A,·S(t)经过一个低频滤波器H, ((0),就可以将其中的极化噪声N, (I)提取出来。
      n,(,)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
    以极化噪声n, (1)作为前馈量,经过运算放大器A2,用信号A, " S(t)减去n, (t),就可以实现自适应极化噪声抵消,得到不含有极化噪声的信号S,(t)。
        s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
              【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
    再经过低通滤波器丛(。)滤除高频噪声n2(t),就可以得到最终输人ADC的信号S2(t)。
      S2(t)=Si(t)·从(。)=A1A2·s(t)    (4)
    最后,在软件中通过梳状带通滤波和幅值解调等信号处理方法,滤除工频干扰和微分干扰,就可以得到流速值。
2.2硬件电路研制
    根据前馈控制的自适应极化噪声抵消原理,设计了信号调理电路2,以实现极化噪声的滤除。信号调理电路2主要包括前置差分放大电路、极化噪声提取与抵消电路、低通滤波放大电路三部分。调理电路如图3所示。
    ①前置差分放大电路。
    前置差分放大电路主要实现信号的放大和共模噪声的抑制。电路采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失调漂移、低增益漂移的精密仪用放大器。前置差分放大电路如图4所示。
电磁流量计调理电路框图
本文未完待续.........