一、信號檢測與采樣方法
電磁流量傳感器的小流量信號非常微弱,尤其在需要電池供電而受到功耗限制的情況下,往往低至幾μV甚至1μV以下。為了將流量信號從環(huán)境噪音與測量電極的極化電勢中分離出來,必須要采用有效的信號檢測電路與數(shù)據(jù)采樣方法。因此,本文采用并聯(lián)同相差動(dòng)放大電路,并結(jié)合具有低偏置電壓、低零漂的高性能OP放大器組成放大電路，以獲得具有高輸入阻抗、高穩(wěn)定性的前置放大電路,如圖1所示。后面連接的基本差動(dòng)放大電路用來提高共模抑制比,其放大倍數(shù)為.
式中:Auf差動(dòng)電路放大倍數(shù);RF1、RF2一前置放大級OP放大器A1、A2的負(fù)反饋電阻;R01一前級輸出電阻。
由于測量電極在被測流體中發(fā)生原電池反應(yīng),電極上獲得的信號不僅包含與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢,還有直流極化電勢、磁通變化引起的交流噪聲等,以及通過各種耦合途徑引入環(huán)境因素帶來的高頻噪音。因此,在電極與放大器之間增加了低通濾波器,以減小環(huán)境噪聲的影響。此外，本文采用的單極性O(shè)P放大器,為了防止負(fù)半周期的信號丟棄,在濾波器與放大器之間增加偏置電路,將“浮動(dòng)"的電極信號拉高進(jìn)行放大。兩個(gè)放大電路具有對稱性,且并聯(lián)連接,通過單片機(jī)控制信號進(jìn)行切換。
通過單片機(jī)對AD轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的引腳進(jìn)行控制，獲得采用的采樣方式如圖2所示。在電極信號中,除了環(huán)境噪音外,還存在直流噪聲(極化電勢)和交流噪聲(磁通變化)。其中,直流噪聲由電極與流體接觸面的電化學(xué)特性決定,不隨時(shí)間變化，可通過相鄰的正半周期與負(fù)半周期的采樣數(shù)據(jù)做差來抑制。交流噪聲由磁場變化引起,由于勵(lì)磁脈沖使矩磁材料磁路在極短的時(shí)間內(nèi)完成磁場的反轉(zhuǎn),磁通變化dp/dt很大,會(huì)在電極上產(chǎn)生附加電勢,其值在下一個(gè)勵(lì)磁脈沖到來之前隨時(shí)間衰減。為了減小交流噪聲的影響,對電極信號的半周期進(jìn)行后端采樣。
二、數(shù)據(jù)處理方法與結(jié)果
通過電極獲取的流量信號仍然參雜著很多干擾信號以及電路自身的噪聲信號，經(jīng)過前述差分放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換后獲得的數(shù)字量中仍含有一.定的干擾。為了進(jìn)一步凈化信號,抑制干擾，需采用一定的數(shù)字濾波等計(jì)算方法進(jìn)行處理,算法如圖3所示。
圖3所示的流程為測量系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的處理過程,因此未涉及勵(lì)磁、通信等功能模塊。系統(tǒng)對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,區(qū)分電極處于空氣、靜水或流水等三種不同狀態(tài),如圖4所示。
根據(jù)狀態(tài)的判斷結(jié)果，將靜水和空氣中的數(shù)據(jù)置0,并傳輸至液晶屏顯示。若是流水狀態(tài),則進(jìn)--步進(jìn)行流量大小的判定，判定的依據(jù)為采樣數(shù)據(jù)的大小。對于小流量數(shù)據(jù)進(jìn)行小流濾波對于大流數(shù)據(jù)進(jìn)行大流濾波。進(jìn)行不同流量濾波的原因是針對管路中的流動(dòng)噪聲進(jìn)行處理。小流量時(shí)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均濾波,而大流量時(shí)要進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除及加權(quán)平均濾波。
三、測試結(jié)果分析
經(jīng)過上述測量方法與數(shù)據(jù)處理后的DN20管徑試驗(yàn)樣機(jī)測量結(jié)果如表1所示。從表中可以看出,在常用流量Q3(4000L/h)內(nèi),流量傳感器具有很好的流量特性,在R200范圍內(nèi)相對誤差≤2%,在R160范圍內(nèi)相對誤差≤1%。其流量誤差分布如圖5所示，在全流量范圍內(nèi),測量誤差全部在MPE(最大允許誤差)內(nèi)。
四、結(jié)論.
電磁流量傳感器具有明顯測量優(yōu)勢，但是信號弱、易受干擾也是必須解決的問題。本文根據(jù)被測信號產(chǎn)生的機(jī)理與特點(diǎn),選用并聯(lián)同相輸入差動(dòng)放大電路進(jìn)行信號放大,并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。根據(jù)流量信號的特點(diǎn)，先進(jìn)行空氣、小流量、大流量的狀態(tài)判斷。根據(jù)判斷結(jié)果，選擇與狀態(tài)相適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，以對不同流量狀態(tài)下的主要干擾因素進(jìn)行排除,獲得流量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)樣機(jī)的測量結(jié)果驗(yàn)證了本方法的可行性,并為更深入的流量測量提供了可借鑒的方法。
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