摘要：傳統(tǒng)電磁流量計(jì)在消除微分干擾時(shí)大多數(shù)采用在硬件電路.上消除或者避開微分干擾時(shí)段進(jìn)行采樣，很少研究影響干擾的原因�；谡鎸�(shí)電極情況，建立電極回路測(cè)量模型并基于模型進(jìn)行電極信號(hào)仿真，研究了傳感器參數(shù)和電極參數(shù)變化對(duì)微分干擾的影響。結(jié)果表明，當(dāng)參數(shù)取值不同時(shí)尖峰干擾也不相同，從而為研究和消除干擾減小測(cè)量誤差提供理論依據(jù)。
引言
電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的流量?jī)x表，主要由傳感器和變送器組成，傳感器將待測(cè)流體轉(zhuǎn)換成電信號(hào),變送器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行一系列的處理轉(zhuǎn)換成實(shí)際對(duì)應(yīng)的流量。理想情況下電極上感應(yīng)出的電勢(shì)與流體流速成正比，但在實(shí)際中電極信號(hào)摻雜許多干擾信號(hào)，主要的干擾為微分干擾、同向干擾、工頻干擾、共模干擾、串模干擾、漿液干擾和極化干擾等。為確保流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性須對(duì)干擾進(jìn)行抑制，如采用交流勵(lì)磁克服極化干擾、高共模抑制比差分放大器克服共模干擾、勵(lì)磁頻率為工頻整數(shù)倍克服工頻干擾、良好接地技術(shù)和靜電屏蔽克服串模干擾、漿液噪聲符合1/f特性可通過提高勵(lì)磁頻率加以克服。經(jīng)上述信號(hào)處理方法之后電極上主要的干擾為微分干擾。當(dāng)采用交流勵(lì)磁時(shí)，由于存在勵(lì)磁線圈等效電感，勵(lì)磁切換過程中勵(lì)磁電流存在漸變過程，在這一過程中磁感應(yīng)強(qiáng)度處于非穩(wěn)定狀態(tài)，變化的磁場(chǎng)穿過由被測(cè)流體、測(cè)量電極、電極引出線和變送器共同組成的閉合回路，實(shí)際中該回路不可能與磁力線保持平行，此時(shí)勵(lì)磁線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈，閉合回路等價(jià)于只有一匝的次級(jí)線圈且回路大小可等效為回路電感。根據(jù)“變壓器效應(yīng)”會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰即微分干擾疊加在電極上，影響流量的測(cè)量。
數(shù)據(jù)采集分析
1.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
針對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)，甚至回零這一問題，特去某煤化工企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。該公司所使用的對(duì)置式四噴嘴氣化爐有4個(gè)噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm,管中水煤漿流量基本穩(wěn)定在19m2/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線_上安裝了3臺(tái)電磁流量計(jì)，每臺(tái)電磁流量計(jì)由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1臺(tái)電磁流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因?yàn)樵撆_(tái)電磁流量計(jì)測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大，甚至出現(xiàn)回零的現(xiàn)象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號(hào)線和勵(lì)磁線接到該電磁流量傳感器的電極和勵(lì)磁線圈上,組合成完整的電磁流量計(jì),進(jìn)行水煤漿數(shù)據(jù)采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵(lì)磁方案，其硬件主要包括勵(lì)磁控制系統(tǒng)和信號(hào)采集處理系統(tǒng)，具體的模塊有勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)調(diào)理采集模塊、信號(hào)處理控制模塊、人機(jī)接口模塊、通信模塊及電源管理模塊。信號(hào)調(diào)理采集模塊中的調(diào)理電路對(duì)一次儀表輸出的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，截止頻率是2kHz,放大倍數(shù)約為230倍。通過NI公司USB-6216型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把調(diào)理電路的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)差分輸人端，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡工作在差分的測(cè)量模式，設(shè)置采集卡的采樣頻率為10kHz.采集多組水煤漿信號(hào)數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的時(shí)間長度為5min.
1.2數(shù)據(jù)分析
現(xiàn)場(chǎng)采集了25Hz方波勵(lì)磁下的水煤漿信號(hào)，發(fā)現(xiàn)水煤漿信號(hào)的幅值非常大，甚至接近AD的量程上限。水煤漿信號(hào)主要由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和電極噪聲組成。其中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)是由導(dǎo)電液體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的，其幅值和相同流量下介質(zhì)為水的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值相同，僅約為數(shù)十毫伏。這是因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)不受被測(cè)導(dǎo)電介質(zhì)的溫度、黏度、密度以及導(dǎo)電率的影響，只要經(jīng)過水標(biāo)定后，就可以用來測(cè)量其他導(dǎo)電液體的流量。電極噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電極而引起的信號(hào)跳變，也稱為漿液噪聲，具有強(qiáng)非平穩(wěn)性、隨機(jī)性，頻域具有近似1/f的特性。水煤漿信號(hào)中的漿液噪聲幅值非常大，峰值可達(dá)數(shù)伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。這給流量信號(hào)的提取造成了極大的困難”。
2基于MATLAB的電極信號(hào)仿真
2.1仿真模型
基于Matlab中Siumlink對(duì)電極信號(hào)進(jìn)行仿真，勵(lì)磁方式為三值波勵(lì)磁，勵(lì)磁頻率f=25Hz,傳感器參數(shù)D=40mm、Rx=88.80、Lx=162mH,勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)Ue=100V、穩(wěn)態(tài)電流I0=200mA。由公式(1)，在固定流速下感應(yīng)電勢(shì)與勵(lì)磁電流成正比，通過增加Gain1模塊得到感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)。對(duì)勵(lì)磁流進(jìn)行求導(dǎo)即經(jīng)模塊Derivative得到微分噪聲，其中Gain值與Lx和L1相關(guān)。感應(yīng)電勢(shì)與噪聲經(jīng)Add1疊加之后得到電極信號(hào)E1(t)。scope觀察輸出信號(hào)波形。將傳感器參數(shù)代人到勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間公式中，得電流上升時(shí)間為360μs，測(cè)得實(shí)際上升時(shí)間為390μs，兩者相差不大，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。
2.2仿真實(shí)驗(yàn)
仿真試驗(yàn)中，設(shè)定線圈等效電感取值范圍為162~212mH，間隔10mH;閉合回路等效電感范圍0.2~1mH,間隔為0.2mH;雙電層電容、接觸電阻隨流體電導(dǎo)率變化而變化，電導(dǎo)率增大接觸電阻和雙電層電容減小而電荷傳遞電阻增大。可設(shè)定電極接觸電阻、雙電層電容和電荷傳遞電阻范圍分別為5~15kM、10~20μF和50~60Ω，由公式(7)知，可用T2表示.上述三者關(guān)系。仿真參數(shù)取值不同情況下，通過MATLABI具箱對(duì)仿真測(cè)量得到的干擾峰值進(jìn)行曲線擬合畫出相應(yīng)的曲線圖吧。
3結(jié)束語
主要針對(duì)電磁流量計(jì)的50Hz工頻干擾，提出采用巴特沃斯帶阻濾波的信號(hào)處理方法，運(yùn)用MATLAB實(shí)現(xiàn)巴特沃斯帶阻濾波器的設(shè)計(jì)。通過MATLAB仿真，驗(yàn)證了本濾波方法的可行性，將50Hz工頻干擾有效地濾除，研制出基于MSP430的低頻矩形波勵(lì)磁的轉(zhuǎn)換器，并設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)處理信號(hào)。為了驗(yàn)證濾波算法的可行性，并測(cè)試電磁流量計(jì)的測(cè)量精度，采用標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。
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