脈沖渦輪流量計自適應(yīng)*化噪聲抵消系統(tǒng)研究
點擊次數(shù)：1886 發(fā)布時間：2021-01-13 17:37:41
摘要：脈沖渦輪流量計是一種應(yīng)用廣泛的測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。測量時，金屬電*與電解質(zhì)會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生*化噪聲。*化噪聲幅值遠高于流量信號幅值，使電*輸出信號信噪比較低;*化噪聲存在漂移的現(xiàn)象，會影響脈沖渦輪流量計變送器的信號調(diào)理工作，限制電路的放大倍數(shù)增加ADC采樣位數(shù)、電路成本、功耗等。對此，提出了一種基于前饋控制的自適應(yīng)*化噪聲抵消方案，設(shè)計了相應(yīng)的信號調(diào)理電路，通過硬件電路實時提取和抵消*化噪聲，*大地提高了電*輸出信號信噪比。通過試驗，驗證了該方案不但能有效濾除*化噪聲，而且能提高信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)、減少ADC的采樣位數(shù)、減少電路的成本和功耗。
引言
脈沖渦輪流量計是一種根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)。信號測量時，傳感器電*拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般為幾十到數(shù)百微伏。而噪聲信號中的*化噪聲存在漂移的現(xiàn)象，幅值一般在幾毫伏到數(shù)百毫伏區(qū)問變化，也有可能達到數(shù)伏川。兩者幅值的巨大差異以及*化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵磁的方式消除，*大地影響了信噪比。
為了提高脈沖渦輪流量計傳感器輸出信號的信噪比，目前，國內(nèi)外主要有四種解決方案。
①*化噪聲補償?shù)姆桨浮８鶕?jù)*化噪聲緩慢變化的特點，采用不勵磁時段*化噪聲來補償勵磁時段的*化噪聲。但是，由于*化噪聲的不規(guī)律性，會導(dǎo)致脈沖渦輪流量計的零點較差。
②低通濾波反饋的方案。根據(jù)*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*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(xiàn)畸變的現(xiàn)象。因此，該方案被用在瞬態(tài)勵磁中，尚未應(yīng)用于商用儀表。
③采用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digitalconverter, ADC)的方案。利用32位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接采集信號，然后通過數(shù)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(fù)雜性。同時，高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)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闌值控制的偏置調(diào)節(jié)方法。當(dāng)信號超過設(shè)定的閉值時，數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter, DAC )模塊輸出偏置調(diào)節(jié)電壓，將傳感器輸出信號調(diào)整到0附近。但這種調(diào)節(jié)方法會使流量信號產(chǎn)生一個跳變，對后續(xù)的梳狀帶通濾波造成影響，導(dǎo)致輸出信號出現(xiàn)間斷性錯誤。
為此，本文分析*化噪聲產(chǎn)生的具體原因及分布特性，提出前饋控制的自適應(yīng)*化噪聲抵消方案。基于該方案，研制了脈沖渦輪流量計變送器中的信號調(diào)理電路;并用研制的調(diào)理電路替換課題組研制的脈沖渦輪流量計變送器中的調(diào)理電路，形成一套完整的脈沖渦輪流量計變送器，進行驗證試驗。
*化噪聲主要源于電*與電解質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)。金屬電*帶電的正離子逐漸溶解于所測量的電解質(zhì)流體，自身帶負電荷，致使電解質(zhì)流體中的正負電荷中心發(fā)生相對位移，形成復(fù)雜的電解雙層結(jié)構(gòu)。雙電層之間產(chǎn)生一個電場，從而在電解質(zhì)流體和電*之間形成電位差。這個電位差就是*化電勢。若兩電*結(jié)構(gòu)完全相同，則*化電勢會相互抵消。但由于兩電*表面的結(jié)構(gòu)差異，*化電勢會由共模電壓轉(zhuǎn)為差模電壓，并藕合在信號上。該*化電勢被認(rèn)為是直流分量〔1,4-6]O而且，電*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(dāng)有流動的電解質(zhì)流體出現(xiàn)或電解質(zhì)流體流速發(fā)生變化時，這些累積的沉積物會被慢慢撕開。在這一過程中，*化電勢大小會發(fā)生隨機噪聲為主，主要分布于零頻附近的低頻區(qū)域，幾乎不與流量信號頻段重疊。當(dāng)勵磁頻率為2.5一5 Hz l81，可以用一個過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提取*化噪聲。
2 *化噪聲抵消方案
2.1 抵消原理
根據(jù)*化噪聲的特性，同時考慮到硬件系統(tǒng)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(yīng)*化噪聲抵消方案，并用硬件實現(xiàn)。噪聲抵消方法原理如圖2所示。
電*輸出信號S(t)包含流量信號，(t)、*化噪聲n1(t)和高頻噪聲n2(t)，如式(1)所示:
S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
電*輸出信號S(t)經(jīng)過前置差分放大器A，后，得到信號A1.S(t)。由于*化噪聲n, (1)頻段與流量信號，(t)頻段存在很好的區(qū)分度，那么信號A,-S(t)經(jīng)過一個低頻濾波器H, ((0)，就可以將其中的*化噪聲N, (I)提取出來。
n,(，)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
以*化噪聲n, (1)作為前饋量，經(jīng)過運算放大器A2，用信號A, S(t)減去n, (t)，就可以實現(xiàn)自適應(yīng)*化噪聲抵消，得到不含有*化噪聲的信號S,(t)。
s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
再經(jīng)過低通濾波器叢(。)濾除高頻噪聲n2(t)，就可以得到*終輸人ADC的信號S2(t)。
S2(t)=Si(t)·從(。)=A1A2·s(t)(4)
*后，在軟件中通過梳狀帶通濾波和幅值解調(diào)等信號處理方法，濾除工頻干擾和微分干擾，就可以得到流速值。
2.2 硬件電路研制
根據(jù)前饋控制的自適應(yīng)*化噪聲抵消原理，設(shè)計了信號調(diào)理電路2，以實現(xiàn)*化噪聲的濾除。信號調(diào)理電路2主要包括前置差分放大電路、*化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放大電路三部分。調(diào)理電路如圖3所示。
①前置差分放大電路。
前置差分放大電路主要實現(xiàn)信號的放大和共模噪聲的抑制。電路采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失調(diào)漂移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分放大電路如圖4所示。
引言
脈沖渦輪流量計是一種根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)。信號測量時，傳感器電*拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般為幾十到數(shù)百微伏。而噪聲信號中的*化噪聲存在漂移的現(xiàn)象，幅值一般在幾毫伏到數(shù)百毫伏區(qū)問變化，也有可能達到數(shù)伏川。兩者幅值的巨大差異以及*化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵磁的方式消除，*大地影響了信噪比。
為了提高脈沖渦輪流量計傳感器輸出信號的信噪比，目前，國內(nèi)外主要有四種解決方案。
①*化噪聲補償?shù)姆桨浮８鶕?jù)*化噪聲緩慢變化的特點，采用不勵磁時段*化噪聲來補償勵磁時段的*化噪聲。但是，由于*化噪聲的不規(guī)律性，會導(dǎo)致脈沖渦輪流量計的零點較差。
②低通濾波反饋的方案。根據(jù)*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*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(xiàn)畸變的現(xiàn)象。因此，該方案被用在瞬態(tài)勵磁中，尚未應(yīng)用于商用儀表。
③采用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digitalconverter, ADC)的方案。利用32位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接采集信號，然后通過數(shù)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(fù)雜性。同時，高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)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闌值控制的偏置調(diào)節(jié)方法。當(dāng)信號超過設(shè)定的閉值時，數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter, DAC )模塊輸出偏置調(diào)節(jié)電壓，將傳感器輸出信號調(diào)整到0附近。但這種調(diào)節(jié)方法會使流量信號產(chǎn)生一個跳變，對后續(xù)的梳狀帶通濾波造成影響，導(dǎo)致輸出信號出現(xiàn)間斷性錯誤。
為此，本文分析*化噪聲產(chǎn)生的具體原因及分布特性，提出前饋控制的自適應(yīng)*化噪聲抵消方案。基于該方案，研制了脈沖渦輪流量計變送器中的信號調(diào)理電路;并用研制的調(diào)理電路替換課題組研制的脈沖渦輪流量計變送器中的調(diào)理電路，形成一套完整的脈沖渦輪流量計變送器，進行驗證試驗。
*化噪聲主要源于電*與電解質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)。金屬電*帶電的正離子逐漸溶解于所測量的電解質(zhì)流體，自身帶負電荷，致使電解質(zhì)流體中的正負電荷中心發(fā)生相對位移，形成復(fù)雜的電解雙層結(jié)構(gòu)。雙電層之間產(chǎn)生一個電場，從而在電解質(zhì)流體和電*之間形成電位差。這個電位差就是*化電勢。若兩電*結(jié)構(gòu)完全相同，則*化電勢會相互抵消。但由于兩電*表面的結(jié)構(gòu)差異，*化電勢會由共模電壓轉(zhuǎn)為差模電壓，并藕合在信號上。該*化電勢被認(rèn)為是直流分量〔1,4-6]O而且，電*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(dāng)有流動的電解質(zhì)流體出現(xiàn)或電解質(zhì)流體流速發(fā)生變化時，這些累積的沉積物會被慢慢撕開。在這一過程中，*化電勢大小會發(fā)生隨機噪聲為主，主要分布于零頻附近的低頻區(qū)域，幾乎不與流量信號頻段重疊。當(dāng)勵磁頻率為2.5一5 Hz l81，可以用一個過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提取*化噪聲。
2 *化噪聲抵消方案
2.1 抵消原理
根據(jù)*化噪聲的特性，同時考慮到硬件系統(tǒng)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(yīng)*化噪聲抵消方案，并用硬件實現(xiàn)。噪聲抵消方法原理如圖2所示。
電*輸出信號S(t)包含流量信號，(t)、*化噪聲n1(t)和高頻噪聲n2(t)，如式(1)所示:
S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
電*輸出信號S(t)經(jīng)過前置差分放大器A，后，得到信號A1.S(t)。由于*化噪聲n, (1)頻段與流量信號，(t)頻段存在很好的區(qū)分度，那么信號A,-S(t)經(jīng)過一個低頻濾波器H, ((0)，就可以將其中的*化噪聲N, (I)提取出來。
n,(，)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
以*化噪聲n, (1)作為前饋量，經(jīng)過運算放大器A2，用信號A, S(t)減去n, (t)，就可以實現(xiàn)自適應(yīng)*化噪聲抵消，得到不含有*化噪聲的信號S,(t)。
s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
再經(jīng)過低通濾波器叢(。)濾除高頻噪聲n2(t)，就可以得到*終輸人ADC的信號S2(t)。
S2(t)=Si(t)·從(。)=A1A2·s(t)(4)
*后，在軟件中通過梳狀帶通濾波和幅值解調(diào)等信號處理方法，濾除工頻干擾和微分干擾，就可以得到流速值。
2.2 硬件電路研制
根據(jù)前饋控制的自適應(yīng)*化噪聲抵消原理，設(shè)計了信號調(diào)理電路2，以實現(xiàn)*化噪聲的濾除。信號調(diào)理電路2主要包括前置差分放大電路、*化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放大電路三部分。調(diào)理電路如圖3所示。
①前置差分放大電路。
前置差分放大電路主要實現(xiàn)信號的放大和共模噪聲的抑制。電路采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失調(diào)漂移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分放大電路如圖4所示。