低頻矩形波電磁流量計(jì)信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量過(guò)程中各種干擾對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精確度和穩(wěn)定性的影響，提出了一種新的信號(hào)處理方法。首先分析了幾種干擾產(chǎn)生的機(jī)理和特征，然后設(shè)計(jì)了電磁流量計(jì)勵(lì)磁電路，信號(hào)采集電路，電平提升電路和精密全波整流電路。并結(jié)合模擬開(kāi)關(guān)技術(shù)給出了信號(hào)波形的處理方法。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法能夠有效地抑制干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和測(cè)量精確度。

關(guān)鍵字：電磁流量計(jì) 模擬開(kāi)關(guān) 干擾 測(cè)量精確度

 

0 引言

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種儀表。由于其內(nèi)部無(wú)可動(dòng)部件、測(cè)量值具有與液體流速成線性、測(cè)量范圍寬、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，一直以來(lái)就受到人們的重視。目前已在石油、化工、冶金、醫(yī)藥、環(huán)保等方面得到廣泛應(yīng)用。但是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電磁流量計(jì)測(cè)量精確度不高，與國(guó)際水平有很大差距，所以成為制約我國(guó)智能儀表發(fā)展的瓶頸。電磁流量計(jì)按照激勵(lì)劃分已經(jīng)經(jīng)歷了直流電磁流量計(jì)，交流電磁流量計(jì)，低頻矩形波電磁流量計(jì)和雙頻電磁流量計(jì)四個(gè)階段。但是目前市場(chǎng)上以低頻矩形波電磁流量計(jì)居多，本文設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)也是一種低頻二值矩形波激勵(lì)的電磁流量計(jì)。

1 電磁流量計(jì)測(cè)量原理和干擾源分析

1.1 電磁流量計(jì)的測(cè)量原理

電磁流量計(jì)的原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。圖1為電磁流量計(jì)的測(cè)量原理圖。

當(dāng)導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中作切割磁感應(yīng)線運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體中的帶電粒子受洛倫茲力的作用，在與流速和磁場(chǎng)兩者相垂直的方向產(chǎn)生與流速成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由電磁流量計(jì)管壁上的一對(duì)電極檢測(cè)到，其值為

E=B·D·V （1）

式中：E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度（T）；D為測(cè)量管道的直徑（m）；V為流體的速度（m/s）。

由式（1）可知，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流體的流速成線性關(guān)系，與流體的壓力、溫度、密度、粘度等物理參數(shù)無(wú)關(guān)。

 

圖1 電磁流量計(jì)原理圖

1.2 干擾源的分析

對(duì)于采用低頻矩形波激勵(lì)的電磁流量計(jì)，雖然它不會(huì)像直流勵(lì)磁方式那樣，產(chǎn)生很大的極化現(xiàn)象，也不會(huì)像交流勵(lì)磁方式，產(chǎn)生很強(qiáng)的正交干擾，但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，電極上所得到的電壓不僅僅是與流速成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也包括各種干擾成分在內(nèi)。其中包括工頻干擾、微分干擾、共模干擾、串模干擾和電化學(xué)干擾等?？梢越⒁韵碌男盘?hào)模型來(lái)表示電磁流量計(jì)電極上實(shí)際得到的電壓信號(hào)。

 （2）

式中：BVD稱為流速信號(hào)，是電磁流量計(jì)需要得到的真實(shí)測(cè)量值。

是微分干擾，由于矩形波激勵(lì)也存在上升沿和下降沿，在上升沿和下降沿必然會(huì)引入微分干擾，而且沿越陡微分干擾越大，但是這個(gè)微分干擾會(huì)隨著磁場(chǎng)的穩(wěn)定，很快消失。

同相干擾，同相干擾是微分干擾的再次微分得到的，微分干擾越大，同相干擾也就越大，盡量降低正交干擾，同相干擾也會(huì)降低，而且同相干擾也是零點(diǎn)漂移的根源之一。

e_c共模干擾，是由于電磁屏蔽缺陷，接地不良，雜散電容等，引起返回電流不平衡而產(chǎn)生的，它是造成電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的重要原因之一。

e_d串模干擾，串模干擾的來(lái)源是電磁干擾和靜電干擾。電磁干擾主要是因?yàn)樵诹髁坑?jì)附近有功率磁場(chǎng)設(shè)備存在，由于設(shè)備漏磁，周圍產(chǎn)生較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，就會(huì)在回路中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，形成串模干擾。

e_z電化學(xué)干擾，由于電極感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在兩極極性不同，而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面出現(xiàn)極化現(xiàn)象，雖然采用矩形波勵(lì)磁能顯著減弱極化電勢(shì)，但是不能從根本上完全消除極化電勢(shì)干擾。

工頻干擾，首先是工作現(xiàn)場(chǎng)存在有大量的工頻信號(hào)；另外還有勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾。

在以上各種干擾中，串模干擾可以通過(guò)使用雙絞線、靜電屏蔽和良好的接地，使其得到很好的抑制。電化學(xué)干擾是比較微弱的，可以忽略不計(jì)。微分干擾和同相干擾是電磁流量計(jì)的主要干擾，但是共模干擾和工頻干擾也不可忽略。這些干擾往往會(huì)影響測(cè)量精確度，甚至使測(cè)量無(wú)法進(jìn)行，所以有效的消除這幾種干擾是提高測(cè)量精確度的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)采用低頻矩形波作為勵(lì)磁信號(hào)，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，其頻率f=6.25Hz。硬件電路主要包括四部分：勵(lì)磁電路、信號(hào)采集電路、電平提升電路和精密全波整流電路。

2.1 勵(lì)磁電路

勵(lì)磁電路主要功能是為電磁鐵提供一定頻率、一定壓降的脈寬電壓。本文勵(lì)磁電路的頻率為1/8工頻，即f=6.25Hz，驅(qū)動(dòng)電壓幅值Vs=12V。勵(lì)磁電路如圖2所示。

勵(lì)磁電路主要由L298N和HD74HC04P兩款芯片組成，圖2是兩款芯片的內(nèi)部簡(jiǎn)化原理圖。L298N是SGS公司生產(chǎn)的一款內(nèi)部具有兩個(gè)H橋的高電壓大電流的雙全橋式驅(qū)動(dòng)器。能夠驅(qū)動(dòng)46V，2A以下的感性負(fù)載，工作溫度從－25℃～130℃。L298N的引腳4是電感器件電源正端，引腳1和引腳15是電感器件電源負(fù)端，因此引腳4與引腳1和引腳15可形成閉合回路；引腳9是邏輯控制電源的正端，引腳8是邏輯控制電源的負(fù)端；引腳6－EnA和引腳11－EnB分別是第一H橋和第二H橋使能引腳；引腳5－IN1和引腳7－IN2是第一個(gè)H橋電路的控制引腳，它們的不同狀態(tài)值來(lái)決定H橋引腳2－OUT1和引腳3－OUT2的電壓輸出方向。第一H橋輸入引腳狀態(tài)與輸出引腳狀態(tài)真值關(guān)系如表1所示。

 

圖2 勵(lì)磁電路

表1 輸入引腳狀態(tài)與輸出引腳狀態(tài)真值表

 

注：H代表高電平，L代表低電平。

HD74HCO4P是一款邏輯非門(mén)芯片，具有6路非門(mén)。利用一款HD74HCO4P芯片就可以滿足兩個(gè)H橋的控制輸入引腳的不同狀態(tài)要求。當(dāng)從Vi端口輸入低頻矩形波信號(hào)時(shí)，就會(huì)使兩個(gè)電磁鐵同時(shí)產(chǎn)生交替互補(bǔ)的低頻交變磁場(chǎng)。

2.2 信號(hào)采集電路

由于傳感器傳回的信號(hào)非常微弱，一般在幾十μV到1mV左右，且內(nèi)阻較大，只有選用輸入阻抗非常高的儀用放大器，才能有效的抑制干擾并將有用的信號(hào)放大。信號(hào)采集電路如圖3所示。

 

圖3 信號(hào)采集電路

該電路由前置放大電路、濾波電路和二級(jí)放大電路三部分組成，灰色部分代表模擬開(kāi)關(guān)CD4052BE。濾波電路利用運(yùn)放LM358N芯片實(shí)現(xiàn)。其中濾波電路的前半部分是一個(gè)二階低通濾波器，它的截止頻率是20Hz左右，后半部分是一個(gè)二階高通濾波器，它的截止頻率是1Hz左右，它們共同組成一個(gè)帶通濾波器，對(duì)電路中混入的低頻干擾和高頻干擾（包括工頻干擾在內(nèi)）有很好的抑制作用。

前置放大電路和二級(jí)放大電路利用兩個(gè)儀用放大器AD620AN芯片實(shí)現(xiàn)。AD620AN芯片是一款精確度高、低噪聲、高輸入阻抗、使用簡(jiǎn)單的儀用放大器，它的最大增益為1000。增益值計(jì)算公式如下：

 （3）

在式（3）中，R_G是AD620AN的增益電阻，可通過(guò)調(diào)節(jié)R_G來(lái)調(diào)節(jié)AD620AN放大增益。在一級(jí)放大電路和二級(jí)放大電路中，電阻R₁₁和R₂₁分別是AD620的增益電阻R_G。

為了消除微分干擾，在前置放大電路和濾波電路之間加入了模擬開(kāi)關(guān)CD4052BE，模擬開(kāi)關(guān)用單片機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)微分干擾產(chǎn)生的尖刺到來(lái)時(shí)，關(guān)閉模擬開(kāi)關(guān)，避免尖刺進(jìn)入后面的電路，由于后面濾波電路中的電容對(duì)之前的信號(hào)具有保持作用，就算切斷信號(hào)，也不會(huì)對(duì)后面的電路造成影響。當(dāng)尖刺過(guò)去后，再接通模擬開(kāi)關(guān)，繼續(xù)對(duì)后續(xù)的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。

2.3 電平提升電路

電路中由于同相干擾和共模干擾的存在，使輸出的波形向下或者向上漂移，相對(duì)于零線上下不對(duì)稱?？梢砸腚娖教嵘娐穼?duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使其關(guān)于零線對(duì)稱，電平提升電路如圖4所示。

 

圖4 電平提升電路

2.4 精密全波整流電路

由于電磁流量計(jì)采用的是低頻矩形波勵(lì)磁方式，所以流量傳感器傳回的也是低頻正負(fù)交替電壓信號(hào)，而單片機(jī)PIC16F877A模擬量接口的電壓范圍是0V～5V，因此負(fù)電壓模擬信號(hào)不能被單片機(jī)模擬量接口識(shí)別，而導(dǎo)致對(duì)電磁流量計(jì)電壓信號(hào)采集失真，極大的影響了單片機(jī)對(duì)流量計(jì)電壓信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。精密全波整流電路的功能是將輸入電壓取絕對(duì)值并以正電壓的形式輸出，這樣信號(hào)采集電路輸出的電壓經(jīng)過(guò)精密全波整流電路后，就能滿足PIC16F877A模擬量接口的電壓范圍，可以直接輸入給PIC16F877A的A/D接口。

精密全波整流電路由兩個(gè)運(yùn)算放大器LM358N和七個(gè)精密電阻組成。當(dāng)輸入端電壓Vi為正時(shí)，A1的1端輸出電壓為負(fù)，此時(shí)，D2截止，D1導(dǎo)通，A1回路為反相放大器，經(jīng)D1輸出－Vi給A2。此時(shí)A2為一加法電路，R5和R7組成的電路部分比例系數(shù)為－2，于是－Vi經(jīng)過(guò)該部分后變成了2Vi；由R4和R7組成的電路部分比例系數(shù)為－1，于是Vi經(jīng)過(guò)該部分后變成了－Vi，將兩部分相加得到A2的輸出為Vi。當(dāng)輸入端電壓Vi為負(fù)時(shí)，此時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，關(guān)閉了A1的反饋回路，A2的R4和R7組成的電路部分組成反相放大器，得到的輸出信號(hào)為－Vi，即

 （4）

精密全波整流電路如圖5所示。Vi是輸入信號(hào)，Vx為A2的輸出信號(hào)，為了使輸出信號(hào)平滑穩(wěn)定，后面加了一個(gè)由R8和C1組成的濾波電路，Vo為最終的輸出信號(hào)。

 

圖5 精密全波整流電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 勵(lì)磁控制信號(hào)的產(chǎn)生

本文的勵(lì)磁控制信號(hào)由單片機(jī)發(fā)出，單片機(jī)使用定時(shí)器0進(jìn)行計(jì)數(shù)延遲，每間隔80ms，單片機(jī)在中斷程序中使普通I/O口的高低電平發(fā)生一次跳變，于是該端口便模擬出一個(gè)頻率為f=6.25Hz，即周期T=160ms的矩形波信號(hào)。

3.2 微分干擾的消除

微分干擾，也就是常說(shuō)的“毛刺”，它一般出現(xiàn)先在高電平向低電平跳變和低電平向高電平跳變兩處，它是實(shí)際測(cè)量信號(hào)中的錯(cuò)誤部分。由前置放大電路輸出的波形可知，毛刺持續(xù)的時(shí)間為10ms左右，幅值為300mV，幾乎是有用信號(hào)幅值的3倍。為了消除毛刺，除了硬件方面選用模擬開(kāi)關(guān)外，軟件方面也要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間對(duì)模擬開(kāi)關(guān)的關(guān)閉和導(dǎo)通進(jìn)行嚴(yán)格的控制，既要能有效避開(kāi)毛刺，又不會(huì)使有用信號(hào)失真。由于勵(lì)磁電路的控制信號(hào)是由單片機(jī)產(chǎn)生的，所以模擬開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)也可以由同一塊單片機(jī)產(chǎn)生，并且實(shí)現(xiàn)與勵(lì)磁信號(hào)的同步控制。在每次勵(lì)磁信號(hào)跳變的時(shí)刻，啟動(dòng)定時(shí)器1，當(dāng)定時(shí)器1延遲75ms時(shí)（也就是毛刺即將到來(lái)的時(shí)刻） 進(jìn)入中斷程序，用普通I/O口發(fā)出控制信號(hào)，使模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)間為10ms，避開(kāi)毛刺后，單片機(jī)再發(fā)出控制信號(hào)讓模擬開(kāi)關(guān)閉合。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換使用PIC16F877A自帶的A/D轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近法，可以將模擬量轉(zhuǎn)換成10位數(shù)字量表示的值。對(duì)于5V的系統(tǒng)，10位A/D能夠分辨的最小電壓值為4.88mV，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。

3.4 數(shù)字濾波技術(shù)

數(shù)字濾波技術(shù)是智能儀表中最常采用的技術(shù)。該方法是在單片機(jī)的RAM中建立一個(gè)緩沖區(qū)，依次存放N次采樣的數(shù)據(jù)，（可以把這一組數(shù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度為N），每次新采集到的數(shù)據(jù)存放在隊(duì)尾，并將最早采集的數(shù)據(jù)剔除，然后取平均值。這樣每采集一次數(shù)據(jù)就進(jìn)行一次求平均值計(jì)算，既提高了計(jì)算精確度，又大大加快了單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用的是二值勵(lì)磁方式，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是一個(gè)方波信號(hào)。由于傳感器傳回的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是非常微弱的，僅有幾十μV左右，一般示波器很難直接檢測(cè)到。經(jīng)過(guò)前置放大電路AD620AN放大后的信號(hào)如圖6所示。

 

6 經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后的信號(hào)波形

由圖6可知，僅經(jīng)過(guò)前置放大電路的波形，微分干擾非常大，幾乎是有用信號(hào)的三倍多。經(jīng)過(guò)本文設(shè)計(jì)的采集電路后的最終波形如圖7所示。

 

7 經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路的波形

從圖7可以看出，經(jīng)采集電路后，之前由于微分干擾產(chǎn)生的毛刺已經(jīng)消除。能夠消除毛刺的主要原因就是因?yàn)殡娐分胁捎昧四M開(kāi)關(guān)CD4052BE。如果采集電路中不加模擬開(kāi)關(guān)，則在同樣的條件下得到的波形如圖8所示。對(duì)比兩幅圖可以看出，加和不加模擬開(kāi)關(guān)的差別是非常大的，所以模擬開(kāi)關(guān)對(duì)于消除微分干擾，效果是非常明顯的。

 

8 采集電路中不加模擬開(kāi)關(guān)的波形圖

為了消除同相干擾和共模干擾引起的零點(diǎn)漂移。硬件電路中，引入了電平提升電路，它可以有效的使波形關(guān)于零線上下對(duì)稱，然后就可以應(yīng)用精密全波整流電路，將其轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，以便單片機(jī)采集。經(jīng)過(guò)電平提升電路和精密全波整流電路后的波形圖如圖9所示。圖9中曲線1的矩形波是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路和電平提升電路后的波形；曲線2是曲線1經(jīng)過(guò)精密全波整流電路后的波形?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)精密整流電路后的波形幾乎是一條直線，這樣有利于單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D采樣。

 

9 經(jīng)過(guò)電平提升電路和絕對(duì)值電路后的波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了電磁流量計(jì)的勵(lì)磁電路和信號(hào)處理電路。重點(diǎn)對(duì)電磁流量計(jì)中的微分干擾、同相干擾、共模干擾和工頻干擾進(jìn)行了分析和處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電路能夠有效的抑制電磁流量計(jì)中的主要干擾，使電磁流量計(jì)抗干擾能力增強(qiáng)，其測(cè)量誤差由原先的21.02%減小到3.13%，并且剔除了信號(hào)中錯(cuò)誤的部分（即“毛刺”），測(cè)量精確度和可靠性顯著提高，具有很大的實(shí)用價(jià)值。