窄带滤波微流量电磁流量计的相关技术窄带滤波微流量电磁流量计的相关技术
摘.. 要: 微流量信号是叠加着多种噪声干扰的弱信号, 为了准确提取流速信号, 在电磁流量计中采用窄带滤波信号调理技术, 滤除高次谐波, 取出信号基波, 再经相敏解调、低通滤波消除微分噪声和同相噪声, 提高微流量信号的信噪比. 根据窄带滤波对交变磁场的要求, 提出并制作每个周期内激磁电流平均值恒定的恒均值电流源. 对其在环境温度、电网电压发生变化时的稳定性进行了理论分析和实测验证. 实际应用证明, 可将电磁流量计测量下限扩展到0..002 m3 /h, 实现微流量准确测量.
关键词: 窄带滤波; 微流量测量; 电磁流量计; 激磁电流源
现代工业生产, 尤其医药卫生、生物工程和精细化工等行业需要微流量测量的场合越来越多, 提高微流量流量计的性能指标已引起人们重视[ 1] . 由于微流量电磁流量传感器的输出信号比较微弱, 通常低至微伏级, 且使用环境复杂, 受多种噪声干扰, 常常被淹没[ 2 ] . 现有电磁流量计的信号调理技术, 制约测量下限的扩展. 本文提出窄带滤波信号调理技术和恒均值电流激磁技术, 使微流量信号的信噪比得以提高.
1.. 窄带滤波电磁流量计工作原理
由法拉第电磁感应原理得知, 当测量管路中的导电流体以流速v ( t) 作切割磁感线运动时, 将在检测电极间得到感应电动势( 流量信号) e( t) [ 3] . 图1为窄带滤波微流量电磁流量计原理框图, 激磁电源驱动传感器的线圈产生交变磁场b ( t), 若以b ( t ) 为载波信号, 流速v( t ) 为调制信号, 则感应电动势e( t) = d b ( t), v ( t) (d为检测电极间距离), 实现信号的调制. 微流量电磁传感器输出的感应电动势e( t) 一般只有微伏级, 而且叠加多种噪声干扰, 不能进行直接测量, 需经前置放大、窄带滤波取出其基波e1 ( t), 用解调脉冲p ( t) 对e1 ( t ) 进行相敏检波获得流速信号基波v1 ( t) = e1 ( t ) p ( t ), v1 ( t ) 的平均值、峰值均可表征导电流体的流速信息, 对其进行积算即可测出流体的流量.
2.. 信号调理技术
信号调理技术是电磁流量计的核心技术. 它不仅要对流量信号e( t) 进行放大, 更为重要的是在噪声干扰严重的条件下, 如何有效地降低噪声功率, 提取有用的流速信号v1 ( t). 电磁流量计的感应电动势叠加着多种噪声干扰, 如: 共模噪声、串模噪声[ 4] 、微分噪声[ 5] 、电化学噪声和流动噪声等[ 6] , 表示为e( t) = a1 s in( ..t + ..1 ) + .. .. n = 2an sin( n..t + ..n ) + ec + ed + ..1 db dt + ..2 d2b dt2 + n( t ) . 式中: 前两项为流量信号的基波和高次谐波; ec 为共模噪声; ed 为串模噪声; ..1 dbdt 为微分噪声; ..2 d2b dt2 为同相噪声; n ( t) 为其他噪声(电化学噪声、流动噪声等). 图1.. 微流量电磁流量计原理框图
2..1.. 窄带滤波信号调理技术
当前在智能电磁流量计中大多应用峰值采样保持信号调理技术, 虽能消除微分噪声的影响, 但因采用了宽带信号放大电路, 噪声随信号一同被放大, 必然使噪声频谱混叠或移频到流量信号的频带内, 使e( t) 的信噪比很低, 导致电磁流量计的分辨率差, 准确度低, 流量的下限难以扩展[ 7] . 峰值采样保持信号调理技术制约了电磁流量计性能指标的进一步提高. 因此, 采用图2所示的窄带滤波信号调理技术, 先对放大后的流量信号e( t) 进行窄带滤波, 滤除高次谐波, 取出基波分量e1 ( t), 并使噪声功率随带宽减小而降低, 提高信噪比, 再利用相敏解调降低微分噪声影响, 得到较为理想的流速信号v1 ( t). 图2.. 窄带滤波及相敏解调电路
2..2.. 抑制微分噪声技术
在多种噪声干扰中, 由测量电极引线的单匝变压器效应所产生的微分噪声影响较大[ 8] , 其特点是当信号电平达到稳态时, 微分噪声衰减为零[ 9] . 峰值采样保持信号调理技术是在信号达到稳态时进行采样, 恰好避开微分噪声的干扰[ 10] . 窄带滤波信号调理技术, 滤除e( t) 高次谐波后的基波e1 ( t) 中虽然含流量信号的基波es1 ( t ) 和微分噪声的基波ec1 ( t), 但相位差为90o, 且解调脉冲p ( t) 与es1 ( t) 同步, 与ec1 ( t) 正交. 如图3所示, 相敏解调将ec1 ( t ) 与p ( t) 相乘, 低通滤波后正负相互抵消, 有效去除了微分噪声和同相噪声. 对e1 ( t) 相敏解调、低通滤波和直流放大可得到流速信号v1 ( t).图3.. 基波信号解调过程波形图
3.. 激磁电流源技术
峰值采样保持信号调理技术是对e( t) 的峰值进行采样、保持测量, 所以只要求采样时保持磁场b ( t) 稳定[ 11] . 窄带滤波信号调理技术则是对e( t) 的基波进行平均值测量, 此时要求在e( t) 的每个周期内磁场b ( t) 具有恒定的平均值. 显然对
产生磁场的激磁电流源有更高的要求, 为此我们设计了在每个周期内电流平均值恒定的恒均值激磁电流源, 产生满足窄带滤波调理技术所需的恒均值磁场.
3..1.. 恒均值激磁电流源电路
通过取样、比较实现闭环反馈调节的恒均值电流源, 如图4所示. 工作过程: 图4.. 恒均值电流源电路.. .. 1) 当i ( t) 恒定时, a 点的u0 不变, b 点有i1 = i2, ic = 0, 电容c 1没有充电或放电过程, 积分放大器、调整管t 的输出电压保持不变, 电路处于稳流输出状态; 2) 当i( t) 发生变化, i1 .. i2, ic( .. 0)对c1进行充电或放电, 经积分放大器调节ub, 改变功率管t 的输出ec, 实现i( t ) 的稳流. 当i ( t) 增加, 有: i( t) .. .. u0 .. .. i2 .. .. i1 > i2 .. ub .. .. ec .. .. i( t).. . 若i( t) 减小, 则: i( t) .. .. u0 .. .. i2 .. .. i1 < i2 .. ub .. .. ec .. .. i( t).. . 微流量电磁流量计工作时, 解调脉冲p ( t) 使q1 ~ q4开关管交替导通, 恒均值电流i ( t) 作用于激磁线圈, 由激磁电流il ( t) 产生恒均值稳定的交变磁场b ( t), 如图5所示. 图5.. 取样点电流i( t)、激磁电流il ( t) 波形图
3..2.. 温度变化对激磁电流的影响
微流量智能电磁流量计工作环境复杂多变, 其中温度变化的影响尤为明显. 由于激磁线圈的等效内阻r, 存在温度系数, 所以温度变化对r 的影响不可忽视[ 12] . 当0 .. 的内阻为100 .., 在20 .. 为108..568 .., 30 .. 则为112..844 .. [ 13] . 参考图4对激磁线圈电流回路分析, 得到激磁电流il ( t) 表达式: il ( t) = er 1 - 2e-rl t , .. .. .. .. 0.. t < t2; - er 1- 2e- rl t- t2 , .. t2 .. t < t. 输出电流i ( t) 表达式: i( t) = er 1 - 2e- rl t , 0 .. t < t2. 式中: t 为激磁周期; r 为激磁线圈内阻; l 为激磁线圈电感; e 为激磁电源电压. 设: 温度变化前线圈电阻为r1, 温度变化后线圈电阻为r2, 且r2 = r 1 ( 1 + ..), .. .. 0..039. 根据恒均值电流源所产生电流平均值是恒定的, 可以得出温度变化前后i( t ) 的峰值关系为令: .. .. = 4l.. tr 1, i2m = i1m 1 - 4l .. tr1 = i1m ( 1 - ..) . 式中: i1m 为温度变化前i ( t) 的峰值e1 /r1; i2m为温度变化后i( t) 的峰值e 2 /r2. 由于输出电流i( t)、激磁电流il ( t) 的平均值均恒定, 而信号调理部分要采用窄带滤波取出基波, 但il ( t) 基波的平均值不一定恒定, 要分析其受温度变化的影响. 对il ( t ) 进行傅里叶变换求出激磁电流基波为il 1 ( t) = a21 + b21 sin( ..t + ..1 ) . 式中: a1 = - er 8tr l 4..2 + tr l 2, b1 = er 4 tr l 2 .. 4..2 + tr l 2 , ..1 = - arctan 2..l tr . 则基波il 1 ( t) 平均值为il 1 = t2 ..t2 0 a21 + b21 sin( ..t + ..1 ) dt. .. .. 温度变化对基波平均值相位的影响, 设: 基波相位变化为...., 温度变化前基波平均值相位为1.. ..0 s in ..d..= 2.., ( ..= ..t+ ..1 ), .. .. 温度变化后基波平均均值相位为1.. ..0 sin( ..+ .