電容式電磁流量計(jì)的去噪問題

電容式電磁流量計(jì)的去噪問題
  摘.. 要.. 根據(jù)電容式電磁流量計(jì)的各個(gè)功能將其分塊, 再逐塊介紹和分析在流量計(jì)研制過程中遇到的各種噪聲問題, 進(jìn)而提出解決方案。具有較強(qiáng)的針對性和實(shí)用性。
  關(guān)鍵詞.. 電容式電磁流量計(jì); 噪聲; 解決方案
  0 .. 引言
   電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制作的流量計(jì), 在實(shí)際研發(fā)中會遇到許多噪聲問題。圖1 列出其每個(gè)組成部分可能引入的噪聲, 這些噪聲以不同的形式和方式進(jìn)入測量系統(tǒng), 成為提高信噪比和測量精度的障礙。本文通過分析傳感器前端遇到的噪聲的產(chǎn)生機(jī)制得出對應(yīng)的解決方案。圖1 .. 噪聲形式及分布圖
   1 .. 噪聲原理及解決方案
   1..1 .. 傳感器( 電極+ 轉(zhuǎn)換器)
   該部分中流動的信號是未經(jīng)放大處理的微弱流量信號, 也就最容易受到外部因素的干擾, 由圖1 可知它引入的噪聲種類最多, 在此對這些噪聲進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的解決方案。在提出噪聲及其解決方案之前先對流量信號本身進(jìn)行討論, 在信號處理中盡可能地提高信噪比是處理的主要目標(biāo), 但由于勵(lì)磁功率等因素的限制, 在電極處獲得的流量信號幅值有限并且十分微弱, 而在研制電磁流量計(jì)中我們使用了電容式電極( 其原因在后面將有論述) , 此電極的輸出阻抗RC1 很高, 為106 .. 數(shù)量級, 如管內(nèi)被測流體為導(dǎo)電率極低的酒精等, 則內(nèi)阻R 0可能達(dá)到108 .. 數(shù)量級, 進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的電壓值為Vs= Zi R0+ RC1+ Zi Vi , 為使流量信號能夠基本不失真地進(jìn)入信號處理板中, 這就要求轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有*的輸入阻抗Zi。我們采用了輸入阻抗數(shù)量級為1010 .. 的自舉電路作為轉(zhuǎn)換器, 其等效原理圖如圖2 所示。圖2 .. 自舉電路圖圖2 中, C1 是電極的等效電容; RC1 為其阻抗; Vi為流量信號電動勢; R0 為管內(nèi)流體內(nèi)阻。顯然, 信號失真小于1%, 很大程度上保證了流量信號的完整性。
   1..1..1 .. 雜散噪聲
   以往的電磁流量計(jì)的電極部分是以金屬導(dǎo)體的形式與被測液體產(chǎn)生接觸的, 被測流體流動時(shí)與電極部分產(chǎn)生碰撞形成不規(guī)則的雜散噪聲。使用電容式電磁流量計(jì), 電極部分不與被測流體直接接觸而是透過管壁與流體的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)。如圖3 中所示, 使用導(dǎo)電片為電極附著在測量管道外形成電容式電極, 進(jìn)而管道內(nèi)表面無任何其他物質(zhì), 被測流體在管體內(nèi)暢通無阻, 沒有雜散噪聲產(chǎn)生。
圖3 .. 流量計(jì)電極及布線圖
   1..1..2 .. 正交/ 同相干擾
   又稱為微分干擾, 是變化的勵(lì)磁磁場通過被測流體、傳感器、轉(zhuǎn)換器和信號放大器組成的回路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢, 此現(xiàn)象被稱為.. 變壓器效應(yīng).., 其電動勢可表示為: E = dB dt 式中: E 為次級電動勢; B 為磁場強(qiáng)度。為減小正交干擾的幅值需要在制作工藝上下功夫, 使圖3 中D - A - B - C 形成的回路平面盡量同勵(lì)磁磁場平行, 進(jìn)而的消除正交干擾。因?yàn)檎桓蓴_與同相干擾是不隨流量而變化的, 也可用初值相減的方法去除。
   1..1..3 .. 勵(lì)磁電場干擾
   由于流量信號很微弱且敏感, 易受外部影響, 所以離它很近的勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的勵(lì)磁電場就成為影響流量信號精度的致命因素, 其產(chǎn)生的與勵(lì)磁電流同形式的電場輻射對傳感器部分形成很大的干擾信號, 能將流量信號*湮沒。解決方法是對傳感器部分及輸出線部分進(jìn)行整體的接地屏蔽, 屏蔽層需*包裹傳感器部分, 使屏蔽層內(nèi)成為一個(gè)等勢體。因?yàn)殡姌O部分獲得的流量信號很微弱, 其獲得的電壓容易經(jīng)分布電容泄漏, 所以需在此傳輸線上加反饋屏蔽, 如圖4 所示。圖4 .. 電極輸出信號線屏蔽圖
   1..1..4 .. 工頻干擾
   此干擾來源之一是外部電場, 主要是工頻電場以串模耦合形式通過被測流體等外部媒介進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部, 其次是系統(tǒng)供電電源和勵(lì)磁信號引入的工頻形式的干擾, 此工頻干擾的特點(diǎn)是幅值遠(yuǎn)大于流量信號且無處不在并隨工作現(xiàn)場的不同其形式如頻率、幅值也有所變化。消除其串模干擾的方法是將被測流體良好接地, 使此工頻信號成為整個(gè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓, 整個(gè)系統(tǒng)的零電位隨串模信號的變化而變化, 但其內(nèi)部的電壓是不隨其變化的。再就是窄帶濾波, 去除信號處理板引入的工頻噪聲。
   1..1..5 .. 共模/ 差模干擾
   外部干擾電場耦合進(jìn)入傳輸線部分, 具有混合有共模和差模形式的干擾, 此干擾具有不確定性, 隨時(shí)間地點(diǎn)的不同而變化。去除方法是將傳感器與放大電路的長連接線以雙絞線的方式纏繞, 從而減小回路面積以降低差模形式的感應(yīng)電壓。由于傳輸線間很接近, 使得每纏繞兩圈分別獲得的容性耦合干擾大小相等而極性相反, 進(jìn)而消除了整根雙絞線引入的差模干擾, 在后期的放大電路中使用運(yùn)算放大器進(jìn)行差動放大消除共模干擾。
   1..1..6 .. 串模干擾
   通過地線等途徑提高或降低基準(zhǔn)電勢, 使系統(tǒng)的工作電壓不穩(wěn)定。如圖5 所示為傳感器與接收放大器的連接電路。連接傳感器和放大器的導(dǎo)線模型化為與電阻Rw1和Rw 2串聯(lián)的理想導(dǎo)體。傳感器模型轉(zhuǎn)化為電壓源Vs 和與它相關(guān)的電阻Rs。節(jié)點(diǎn)Vg1是傳感器這邊的局部地, 節(jié)點(diǎn)Vg 2是接收端所在地的局部地。假設(shè)放大器的輸入端到局部地的電阻等于Ri。兩個(gè)局部地被電阻為Rg 的分布式接地系統(tǒng)的導(dǎo)線連接在一起, 因?yàn)橛须娏髁鬟M(jìn)接地節(jié)點(diǎn), 所以兩個(gè)局部地就不可能處在同一電位上, 而有Vgd 的電勢差, 則: 圖5 .. 串模干擾原理圖
Vi= ( Vs + Vgd) R i R i+ R s+ R w1 說明只要Ri .. ( Rs + R w1 ) , 則只將Vgd 作為加入到Vs中的誤差或干擾信號。解決辦法有兩個(gè): 1) 使用單點(diǎn)接地, 斷開Vg1處節(jié)點(diǎn)與Vs 的連線, 這樣參考地只有一個(gè), Vgd 也就無法在系統(tǒng)中形成通路; 2) 第二個(gè)就是像去除共模干擾的方法一樣將傳感器與放大電路的長連接線以雙絞線的方式纏繞并在接收放大器端增加一個(gè)差分放大器, 通過求差值的方法消除地線引入的干擾。
   1..1..7 .. 高低頻耦合干擾
   除上面提到的頻率確定或形式確定的干擾外, 還有其他的現(xiàn)場干擾進(jìn)入, 譬如現(xiàn)場擁有15Hz 以下的低頻及1kHz 以上的高頻, 其干擾進(jìn)入整個(gè)測量系統(tǒng)的傳輸線、導(dǎo)線等部分受到空間電場輻射, 導(dǎo)致信號電壓擾動, 低頻部分與處理放大后流量信號處于同一量級, 它使工作信號做低頻的擾動, 容易造成信號溢出, 而高頻信號幅值較后期流量信號小, 但仍會影響采樣值的精度。為此, 我們對信號進(jìn)行較高Q 值的窄帶濾波, 使用二階壓控型有源帶通濾波器作為濾波單元, 其原理圖及頻率特性如圖6、7所示。圖6 .. 二階帶通濾波原理圖其傳遞函數(shù): A ( ..) = A 0 1+ jQ ( .. ..0 - ..0 .. ) 其中: A 0= Af 3- Af , A f = 1+ Rf R , ..0 = 1 RC , 1Q = 3- Af 。再將圖6 所示的電路進(jìn)行四次級聯(lián)形成八階帶通濾波器, 其頻率響應(yīng)如圖8 所示。圖7.. 二階帶通濾波器幅頻圖圖8.. 八階帶通濾波器幅頻圖
   2 .. 結(jié)束語
   本文主要探討了在研發(fā)過程中遇到的各種噪聲情況及處理方法, 當(dāng)然電容式電磁流量計(jì)所涉及的噪聲方面不僅如此, 運(yùn)放的量化誤差、采樣時(shí)的量化誤差對測量精度都有影響, 還需要對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化等處理并通過控制器對流量結(jié)果進(jìn)行控制、顯示。傳感器部分的形狀、結(jié)構(gòu)和工藝及管體部分材料也需要引起足夠的重視。
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