电磁流量计中噪声的产生机理及对策

电磁流量计由于其可靠性高、耐腐蚀性强、测量精度高、容易变更测量范围等特点,目前在石油、化工、冶金、造纸等行业得到了广泛的应用;特别是在能源短缺的今天,电磁流量计的发展为资源的科学管理提供了重要的基础技术支持。然而,科学技术的迅速发展对电磁流量计提出了更高、更新的要求,尤其是在流量测量的精确度和稳定性方面。电磁流量计中干扰信号与流量信号混合在一起,不仅成分复杂而且有的干扰信号数量级与流量信号相当,此外噪声进入微处理器可能造成系统运行异常,在这种情况下,如何抑制干扰成为研制和使用电磁流量计的一项关键技术。

1电磁流量计中噪声的产生机理及对策

电磁流量计工作原理基于法拉第电磁感应定律,通过测量导电流体在磁场中的感应电动势来推算流体流量。励磁磁场、感应电动势采集电极、信号运算放大电路以及模数转换器都容易受到工作现场的电场和磁场辐射耦合,因此电磁耦合是流量测量中最主要的干扰方式;其次被测液体的电化学反应和泥浆干扰是流量测量的另一噪声来源。

1.1微分干扰产生机理及对策

在现行的电磁流量计设计中,低频矩形波励磁方式结合了直流励磁和交流励磁两者的优点,成为主要励磁方式之一。在低频励磁方式下,其干扰主要表现为:由励磁电流突变产生的微分干扰信号[1]。理想励磁磁场信号为低频矩形波,实际上随着励磁电流变化(dI/dt)在磁场上产生微分干扰信号,随着电流的稳定,干扰信号随之消失,因此同步采样技术可以有效抑制微分干扰信号。实际设计中,模数转化器使用AD公司的24位SigmaDelta模数转化器AD7714。AD7714可以分别采用硬件和软件方式进行采样开始时间控制,从而实现同步采样。采用软件方式时,当控制寄存器中FSYNC位为逻辑1时,模数转换器处于复位状态;向该位写逻辑0时,器件开始采样输入信号。在应用中,低频励磁信号由MSP430单片机内部定时器产生,同时产生采样信号。如图1所示,采样开始时间滞后励磁信号1/4个周期。

1.2工频串模干扰产生机理及对策

在电磁流量计的工作现场存在大量工频信号,叠加在励磁回路、电极、前端放大器的工频干扰噪声对流量的准确测量造成极大影响。其中辐射耦合到励磁回路的工频辐射磁场(包括其谐波)造成励磁磁场波动,影响流量测量。当流体流速较小时,工频干扰信号与有效流量信号在同一数量级,严重影响测量结果。

已知工频耦合噪声基波频率为50Hz,因此可以采用模拟或数字滤波器使滤波器带宽限制在50Hz以内以抑制噪声。在实际应用中使用SigmaDelta模数转换器AD7714内部包含的数字滤波模块,数字滤波器相对模拟滤波器除具有灵活性高、参数设置方便等特点之外,还可以降低A/D转换期间引入的噪声。AD7714数字滤波器为(sinx/x)3低通滤波器,其在频域的传递函数为:

式中:fs为采样频率;AD7714采样频率为1912kHz;N为滤波采样个数;f为数字滤波器响应频率。通过设定滤波采样个数可以改变数字滤波器的截止频率和一次陷波频率。在本设计中综合考虑模数转换速度和去除噪声性能,设置N值使滤波器截止频率为50Hz,滤波器频域响应如图2所示,滤波器对工频50Hz及其偶次谐波有很好的抑制作用。

除使用数字滤波器外,在A/D输入端设置RC模拟低通滤波器还可以带来其他作用。在实际测量观察到的流量信号中存在尖脉冲噪声,可能使模数转换器饱和,导致数字滤波器失效,使用模拟滤波器可以提前剔除这些信号。

1.3共模干扰、串扰产生机理及对策

共模干扰的产生主要是由于电磁屏蔽缺陷、接地不良、杂散电容等引起返回电流不平衡。共模干扰可能导致电路某些参考电位变化,是造成电磁流量计零点漂移的原因之一;同时共模信号产生很高的辐射电场使电路的电磁兼容性恶化。串扰是由于印刷电路板设计电磁兼容性考虑不足造成信号质量下降,特别是高速走线和模拟电路易受到影响。

对由共模干扰信号导致的参考电位变化,应用中流量电压采用差分形式,通过双绞线送入放大器,前端放大器选用高共模抑制比、低漂移、高输入阻抗的运放,可以有效抑制共模干扰。此外,电磁流量计电路板设计符合电磁兼容性要求降低串扰对信号的影响:使用满足功能要求的速率尽可能低的逻辑器件。选用在逻辑状态变换过程中输入电流消耗更小的元件。尽可能选择表面封装的元器件。合理安排元件布局,模拟与数字部分隔离,防止数字信号影响模拟信号。适当配置去耦电容,选择合适的电容容量,去耦电容尽量靠近元器件。对于敏感信号回路,如时钟信号、模拟输入信号严格控制回路面积。铺设地平面提供低阻抗信号回路,加强屏蔽效果。

1.4其他干扰对策

电化学极化电动势干扰是被测液体中电解质在感应电场作用下在电极表面极化产生的,是电磁流量计零点漂移的主要原因之一。采用交流励磁方式可以有效地减小极化电动势,此外在应用中微处理器运算时将两次流量电压采样值相减,这样不但可以减小极化电动势,而且可以补偿由共模干扰带来的零点漂移。

泥浆干扰是在测量泥浆、纤维浆等固液两相特性液体时,固体颗粒或者气泡与电极发生摩擦,在电极表面的电化学电动势突然变化,电磁流量计传感器输出信号输出尖峰脉冲状干扰。在低频励磁情况下,泥浆干扰产生的尖脉冲数量级大,极大地影响流量的准确测量,在实际设计中,采用多种信号处理混合方式抑制噪声,信号处理原理如图3所示。

流量计正常运行时,尖峰脉冲噪声出现的概率小,被测液体流速不会在短时间内变化,基于以上特性,对流量信号进行限幅滤波处理:当前输入信号相对上周期输入信号超出噪声容限范围,该信号被认为是噪声信号,不再进一步计算。

滑动平均滤波是处理流量信号经常采用的信号处理办法,可以有效降低采样误差;滑动平均滤波函数的脉冲响应时间是受滑动窗口数控制的,如果能动态调整窗口数目,那么响应速度就会大大提高;在应用中使用改进的滑动平均滤波函数,通过响应时间控制器控制滑动窗口数,当响应时间超过设定值时,将窗口数设置为1,使输出信号迅速变化,获得较好的动态性能。