電磁流量計自適應極化噪聲抵消系統研究

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2020-03-28 12:05

本文摘要：摘要:電磁流量計是一種應用廣泛的測量導電液體體積流量的儀表。測量時，金屬電極與電解質會發生電化學反應，產生極化噪聲。極化噪聲幅值遠高于流量信號幅值，使電極輸出信號信噪比較低極化噪聲存在漂移的現象，會影響電磁流量計變送器的信號調理工作，限制電

　　摘要:電磁流量計是一種應用廣泛的測量導電液體體積流量的儀表。測量時，金屬電極與電解質會發生電化學反應，產生極化噪聲。極化噪聲幅值遠高于流量信號幅值，使電極輸出信號信噪比較低ꎻ極化噪聲存在漂移的現象，會影響電磁流量計變送器的信號調理工作，限制電路的放大倍數，增加ADC采樣位數、電路成本、功耗等。對此，提出了一種基于前饋控制的自適應極化噪聲抵消方案，設計了相應的信號調理電路，通過硬件電路實時提取和抵消極化噪聲，極大地提高了電極輸出信號信噪比。通過試驗，驗證了該方案不但能有效濾除極化噪聲，而且能提高信號調理電路的放大倍數、減少ADC的采樣位數、減少電路的成本和功耗。

　　關鍵詞:電磁流量計ꎻ極化噪聲ꎻ信噪比ꎻ前饋控制ꎻ自適應抵消ꎻ信號調理電路ꎻ放大倍數ꎻADC采樣

中國集成電路

　　0引言

　　電磁流量計是一種根據法拉第電磁感應定律測量導電液體體積流量的儀表，廣泛應用于石油、化工、冶金、造紙等行業。信號測量時，傳感器電極拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般為幾十到數百微伏。而噪聲信號中的極化噪聲存在漂移的現象，幅值一般在幾毫伏到數百毫伏區間變化，也有可能達到數伏[1]。兩者幅值的巨大差異以及極化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵磁的方式消除，極大地影響了信噪比。為了提高電磁流量計傳感器輸出信號的信噪比，目前，國內外主要有四種解決方案。①極化噪聲補償的方案。根據極化噪聲緩慢變化的特點，采用不勵磁時段極化噪聲來補償勵磁時段的極化噪聲。但是，由于極化噪聲的不規律性，會導致電磁流量計的零點較差。②低通濾波反饋的方案[2]。

　　根據極化噪聲所處的頻帶略低于流量信號的特點，采用一階低通濾波器提取極化噪聲，并進行反饋補償。但是，一階低通濾波器的過渡帶很寬，會使流量信號出現畸變的現象。因此，該方案被用在瞬態勵磁中，尚未應用于商用儀表。③采用高精度的模數轉換器(analogtodigitalconverter，ADC)的方案。利用32位高精度的模數轉換器直接采集信號，然后通過數字信號處理方法提取出流量信號。但該方案增加了程序的復雜性。同時，高精度的模數轉換器的分辨率與采樣率成反比。

　　因此，為了保證較高的分辨率，只能使用很低的勵磁頻率。④閾值控制的偏置調節方法[3]。當信號超過設定的閾值時，數字信號處理器(digitalsignalprocessor，DSP)控制數模轉換器(digitaltoanalogconverter，DAC)模塊輸出偏置調節電壓，將傳感器輸出信號調整到0附近。但這種調節方法會使流量信號產生一個跳變，對后續的梳狀帶通濾波造成影響，導致輸出信號出現間斷性錯誤。為此，本文分析極化噪聲產生的具體原因及分布特性，提出前饋控制的自適應極化噪聲抵消方案�；谠摲桨�，研制了電磁流量計變送器中的信號調理電路ꎻ并用研制的調理電路替換課題組研制的電磁流量計變送器中的調理電路，形成一套完整的電磁流量計變送器，進行驗證試驗。

　　1噪聲分析

　　極化噪聲主要源于電極與電解質的電化學反應。金屬電極帶電的正離子逐漸溶解于所測量的電解質流體，自身帶負電荷，致使電解質流體中的正負電荷中心發生相對位移，形成復雜的電解雙層結構。雙電層之間產生一個電場，從而在電解質流體和電極之間形成電位差。這個電位差就是極化電勢。若兩電極結構完全相同，則極化電勢會相互抵消。但由于兩電極表面的結構差異，極化電勢會由共模電壓轉為差模電壓，并耦合在信號上。該極化電勢被認為是直流分量[1，4￣6]。而且，電極表面上的灰塵或放電離子等沉積物會隨著時間的推移緩慢累積。當有流動的電解質流體出現或電解質流體流速發生變化時，這些累積的沉積物會被慢慢撕開。

　　在這一過程中，極化電勢大小會發生隨機變化，形成漂移的極化電壓[7]。極化電壓的大小在一定程度上取決于電極的制作材料和所測量的電解質流體的性質同時，也受溫度的影響。為了研究極化噪聲的特性，研制了對電極輸出信號進行放大和高頻濾波的信號調理電路1。配合本課題組原有的變送器，針對重慶川儀自動化股份有限公司口徑為40mm的電磁流量傳感器，采集濾除高頻且放大的電極輸出信號，并進行頻譜分析。其中，勵磁頻率為12.5Hz，水流量為20m3/h，采樣頻率為1500Hz，采樣時間為200s。

　　觀察信號調理電路的輸出信號可以發現:電極輸出信號經過信號調理電路放大后存在嚴重的漂移現象，信號累積的漂移量達到了1.2V，遠大于70mV左右的流量信號(流速為1m/s信號幅值約為100μV，流量為20m3/h時流速為4.44m/s，信號幅值約為444μV，放大170倍后約為75.5mVꎻ70mV為觀測結果)。而該結果僅僅是將電極輸出信號放大了170倍。當放大倍數更大時，如果任由電極輸出信號發生漂移，那么放大器輸出信號很可能達到飽和，ADC的供電電壓會達到5V，導致ADC無法正常工作。

　　為了觀察流量信號與極化噪聲的頻段分布，將290000點信號去均值后，從4096點開始，等距取60段，每段4096點，分別作4096點的快速傅里葉變換(fastFouriertransform，FFT)，并求出其平均幅值譜，如圖1(b)所示。由圖1(b)可以看出:極化噪聲以直流噪聲為主，主要分布于零頻附近的低頻區域，幾乎不與流量信號頻段重疊。當勵磁頻率為2.5~5Hz[8]，可以用一個過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提取極化噪聲。

　　2極化噪聲抵消方案

　　2.1抵消原理

　　根據極化噪聲的特性，同時考慮到硬件系統處理噪聲更具實時性與可靠性，提出一種基于前饋控制的自適應極化噪聲抵消方案，并用硬件實現。

　　3驗證試驗

　　為了驗證基于前饋控制的自適應極化噪聲抵消方法的效果，設計了信號調理電路2，并替換本課題組研制的電磁流量變送器中的信號調理電路ꎻ再匹配電磁流量傳感器，組成了一個完整的基于數字信號處理器(digitalsignalprocessor，DSP)的電磁流量計[8￣10]。在容積法水流量標定裝置上進行了信號調理電路濾波試驗、電磁流量計水流量標定試驗和降ADC位數試驗。

　　4結論

　　極化噪聲幅值遠高于流量信號幅值，會造成電極輸出信號信噪比較低ꎻ同時，極化噪聲的漂移會限制電路的放大倍數，增加了ADC采樣位數、電路成本、功耗等。針對這些問題，通過對電極輸出信號采集與頻譜分析，研究了極化噪聲的分布特性，發現漂移的極化噪聲主要分布于零頻附近的低頻區域，基本不與信號頻段重疊。根據極化噪聲的分布特性，提出了一種基于前饋控制的自適應極化噪聲抵消方案，并用硬件系統實現。

　　前置差分放大后的電極輸出信號經過一個八階低通濾波器，提取出其中的極化噪聲ꎻ然后以極化噪聲作為前饋量，經過下級放大器，用差分放大后的電極輸出信號減去極化噪聲，以此實現極化噪聲的自適應抵消。為驗證該方案的實際效果，設計了信號調理電路2，配合課題組原有的變送器及川儀DN40傳感器，在容積法水流量標定裝置上進行了試驗。信號調理電路濾波試驗結果表明，該系統能夠有效消除電極輸出信號中的極化噪聲。電磁流量計水流量標定試驗結果表明，當信號調理電路放大340倍、ADC為24位時，在流速為0.5~5m/s的范圍內，流量計的準確度為0.3級。這說明采用自適應極化噪聲抵消方法的信號調理電路2能夠滿足實際測量要求，且提高信號放大倍數可以實現更低流量的測量。

　　降ADC位數試驗結果表明，將信號調理電路放大倍數提高至3500倍，同時用24位ADC的高14位來模擬16位ADC，在流速為0.5~5m/s的范圍內，流量計的準確度可達0.3級。這說明基于前饋控制的自適應極化噪聲抵消方法可以將信號放大較高的倍數，從而有效降低ADC的采樣位數、芯片供電電壓，以及電路成本和功耗。

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