摘要(yao):電磁(ci)流量(liang)計 是(shi)一種(zhong)應用(yong)廣泛(fan)的測(ce)量導(dao)電液(ye)體體(ti)積流(liu)量的(de)儀表(biao)。測📞量(liang)時,金(jin)屬電(dian)極與(yu)電解(jie)質會(hui)發生(sheng)電化(hua)學反(fan)應,産(chan)生極(ji)化噪(zao)聲✨。極(ji)化噪(zao)聲❤️幅(fu)值遠(yuan)高于(yu)流量(liang)信号(hao)幅值(zhi),使電(dian)🤩極輸(shu)出信(xin)号信(xin)噪比(bi)較低(di);極化(hua)噪聲(sheng)存在(zai)漂移(yi)的現(xian)象,會(hui)影響(xiang)電磁(ci)流量(liang)計變(bian)送器(qi)的信(xin)号調(diao)理工(gong)作,限(xian)制電(dian)路的(de)放大(da)倍數(shu),增加(jia)ADC采樣(yang)位數(shu)電路(lu)成本(ben)、功耗(hao)等。對(dui)此,提(ti)出了(le)一種(zhong)基于(yu)前饋(kui)控制(zhi)的自(zi)适🈚應(ying)極化(hua)噪聲(sheng)抵消(xiao)✍️方案(an)，設計(ji)了相(xiang)應的(de)信号(hao)調理(li)電路(lu),通過(guo)硬件(jian)電路(lu)實時(shi)提取(qu)和抵(di)消極(ji)化噪(zao)聲極(ji)大地(di)提高(gao)了電(dian)極輸(shu)出信(xin)🏃‍♂️号信(xin)噪比(bi)。通過(guo)試驗(yan),驗證(zheng)了該(gai)方案(an)不但(dan)能有(you)效濾(lü)除極(ji)化噪(zao)聲,而(er)且能(neng)提高(gao)信🌈号(hao)調理(li)電路(lu)的放(fang)大倍(bei)數、減(jian)少ADC的(de)采樣(yang)位數(shu)減少(shao)電路(lu)的成(cheng)本和(he)功耗(hao)。
0引言(yan)
　　電磁(ci)流量(liang)計是(shi)一種(zhong)根據(ju)法拉(la)第電(dian)磁感(gan)應定(ding)律測(ce)量導(dao)電液(ye)✏️體體(ti)積流(liu)量的(de)儀表(biao),廣泛(fan)應用(yong)于石(shi)油、化(hua)工、冶(ye)金、造(zao)🙇🏻紙等(deng)行業(ye)。信号(hao)測量(liang)時,傳(chuan)感器(qi)電極(ji)拾取(qu)流量(liang)信号(hao)和噪(zao)🔞聲信(xin)号💜。流(liu)量信(xin)♍号幅(fu)值一(yi).般爲(wei)幾十(shi)到數(shu)百微(wei)伏。而(er)噪聲(sheng)🛀🏻信号(hao)中的(de)極化(hua)噪聲(sheng)存在(zai)漂移(yi)的現(xian)象,幅(fu)值❌一(yi)般在(zai)幾毫(hao)伏到(dao)數百(bai)毫伏(fu)區間(jian)變化(hua),也有(you)可能(neng)達到(dao)📱數伏(fu)"。兩者(zhe)幅值(zhi)的巨(ju)大差(cha)異以(yi)及極(ji)化噪(zao)聲無(wu)法通(tong)過良(liang)好的(de)接地(di)或者(zhe)改變(bian)勵磁(ci)的方(fang)式❗消(xiao)除,極(ji)大地(di)影響(xiang)⁉️了信(xin)噪比(bi)。
　　爲了(le)提高(gao)電磁(ci)流量(liang)計傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)的信(xin)噪比(bi)，目🐇前(qian)，國内(nei)♉外主(zhu)要有(you)四種(zhong)解決(jue)方案(an)。
①極化(hua)噪聲(sheng)補償(chang)的方(fang)案。根(gen)據極(ji)化噪(zao)聲緩(huan)慢變(bian)化的(de)特點(dian)⁉️,采用(yong)不勵(li)磁時(shi)段極(ji)化噪(zao)聲來(lai)補償(chang)勵磁(ci)時段(duan)💃🏻的極(ji)化噪(zao)聲。但(dan)是,由(you)于極(ji)🔞化噪(zao)聲的(de)不規(gui)律性(xing),會導(dao)緻電(dian)磁流(liu)量計(ji)的零(ling)點較(jiao)差。
②低(di)通濾(lü)波反(fan)饋的(de)方案(an)[2]。根據(ju)極化(hua)噪聲(sheng)所處(chu)的頻(pin)帶略(lue)低于(yu)流量(liang)🌈信号(hao)的特(te)點,采(cai)用一(yi)階低(di)通濾(lü)波器(qi)提♉取(qu)極💁化(hua)噪聲(sheng),并進(jin)行反(fan)饋補(bu)償。但(dan)是,低(di)通濾(lü)波器(qi)的😍過(guo)渡帶(dai)很寬(kuan),會🏃🏻‍♂️使(shi)流量(liang)信号(hao)出現(xian)畸變(bian)♋的現(xian)象。因(yin)此，該(gai)方案(an)被用(yong)在瞬(shun)态勵(li)磁中(zhong),尚♋未(wei)應用(yong)于商(shang)用儀(yi)表。
③采(cai)用精(jing)度高(gao)的模(mo)數轉(zhuan)換器(qi)(analogtodigitalconverter,ADC)的方(fang)案。利(li)用32位(wei)精度(du)高的(de)模數(shu)⛷️轉✂️換(huan)器直(zhi)接采(cai)集信(xin)号,然(ran)後通(tong)過數(shu)字信(xin)号處(chu)理方(fang)法提(ti)取出(chu)流量(liang)信号(hao)。但該(gai)方案(an)增加(jia)了程(cheng)序的(de)複雜(za)性。同(tong)時🏃‍♂️,精(jing)度高(gao)的模(mo)數轉(zhuan)換器(qi)的分(fen)辨率(lü)與🌈采(cai)樣率(lü)成反(fan)比。因(yin)此，.爲(wei)了保(bao)證較(jiao)高的(de)分⚽辨(bian)率,隻(zhi)能使(shi)用很(hen)低的(de)勵磁(ci)頻率(lü)。
④阈值(zhi)控制(zhi)的偏(pian)置調(diao)節方(fang)法”。當(dang)信号(hao)超過(guo)設定(ding)的阈(yu)值🐉時(shi)⛹🏻‍♀️,數字(zi)信📧号(hao)處理(li)器(digitalsignalprocessor,DSP)控(kong)制數(shu)模轉(zhuan)換器(qi)(digitaltoanalogconverter,DAC)模塊(kuai)輸出(chu)偏置(zhi)調節(jie)電壓(ya),将傳(chuan)💛感器(qi)輸出(chu)信号(hao)調整(zheng)到0附(fu)近。但(dan)這種(zhong)調節(jie)方法(fa)♻️會使(shi)流㊙️量(liang)信号(hao)産生(sheng)一個(ge)跳變(bian)，對後(hou)續的(de)梳狀(zhuang)帶通(tong)濾波(bo)造成(cheng)影響(xiang),導緻(zhi)輸出(chu)信号(hao)出現(xian)間斷(duan)性錯(cuo)誤。
　　爲(wei)此,極(ji)化噪(zao)聲産(chan)生的(de)具體(ti)原因(yin)及分(fen)布特(te)性,提(ti)出前(qian)饋控(kong)制的(de)🍉自适(shi)應極(ji)化噪(zao)聲抵(di)消方(fang)案。基(ji)于該(gai)方案(an)，電🆚磁(ci)流量(liang)計變(bian)送👅器(qi)中❓的(de)信号(hao)調理(li)電路(lu);并用(yong)調理(li)電路(lu)替換(huan)課題(ti)組研(yan)制的(de)電磁(ci)流量(liang)計變(bian)送器(qi)中的(de)調理(li)電路(lu),形成(cheng)一套(tao)完整(zheng)的🏃🏻電(dian)磁流(liu)量計(ji)變送(song)器,進(jin)行驗(yan)證試(shi)驗。
1噪(zao)聲分(fen)析
　　極(ji)化噪(zao)聲主(zhu)要源(yuan)于電(dian)極與(yu)電解(jie)質的(de)電化(hua)學反(fan)應🏃‍♀️。金(jin)🔞屬電(dian)極帶(dai)電的(de)正離(li)子逐(zhu)漸溶(rong)解于(yu)所測(ce)量的(de)電✍️解(jie)質流(liu)體,自(zi)身帶(dai)負電(dian)荷🔴,緻(zhi)使電(dian)解質(zhi)流體(ti)中的(de)正負(fu)電荷(he)中心(xin)發生(sheng)相對(dui)位移(yi),形成(cheng)複雜(za)的電(dian)解雙(shuang)層結(jie)構。雙(shuang)電層(ceng)之間(jian)産☀️生(sheng)-一個(ge)電🐪場(chang),從而(er)在電(dian)解質(zhi)流🏃‍♀️體(ti)和電(dian)極之(zhi)㊙️間形(xing)成電(dian)位差(cha)。這個(ge)電位(wei)差就(jiu)是極(ji)化電(dian)勢。若(ruo)兩電(dian)極結(jie)構完(wan)全相(xiang)同,則(ze)極化(hua)電勢(shi)會🏃🏻‍♂️相(xiang)互🈲抵(di)消。但(dan)由于(yu)兩電(dian)😄極表(biao)面的(de)結構(gou)差異(yi),極化(hua)電勢(shi)會由(you)⛹🏻‍♀️共模(mo)電壓(ya)轉爲(wei)差✔️模(mo)電壓(ya),并耦(ou)合在(zai)信号(hao).上。該(gai)極化(hua)電勢(shi)被認(ren)爲是(shi)直流(liu)分量(liang)[1,460而且(qie),電極(ji)表面(mian)上的(de)灰塵(chen)或放(fang)電離(li)子等(deng)沉積(ji)物會(hui)随着(zhe)時間(jian)的推(tui)移緩(huan)慢累(lei)積。當(dang)有流(liu)動的(de)電解(jie)質流(liu)體出(chu)現或(huo)電解(jie)質流(liu)體流(liu)速發(fa)生變(bian)化時(shi),這些(xie)累😄積(ji)的✉️沉(chen)積物(wu)會被(bei)慢慢(man)撕開(kai)。在這(zhe)一-過(guo)程中(zhong),極化(hua)電勢(shi)大小(xiao)會發(fa)生☂️随(sui)機變(bian)化⛱️,形(xing)成漂(piao)移的(de)極化(hua)電☁️壓(ya)”。極化(hua)電壓(ya)的大(da)小在(zai)一定(ding)程🏃🏻度(du)上取(qu)決于(yu)電極(ji)的制(zhi)作材(cai)料和(he)所測(ce)量的(de)電解(jie)質流(liu)體💘的(de)性質(zhi);同時(shi),也受(shou)溫度(du)的影(ying)響。
　　爲(wei)了研(yan)究極(ji)化噪(zao)聲的(de)特性(xing),研制(zhi)了對(dui)電極(ji)輸出(chu)信号(hao)進行(hang)放大(da)和高(gao)頻濾(lü)波的(de)信号(hao)調理(li)電路(lu)1。配合(he)原有(you)的變(bian)送器(qi),針對(dui)口徑(jing)爲40mm的(de)電磁(ci)流量(liang)傳感(gan)器,采(cai)集濾(lü)除高(gao)頻且(qie)放大(da)的電(dian)極輸(shu)出信(xin)号,并(bing)進行(hang)頻譜(pu)分析(xi)。其中(zhong),勵磁(ci)頻率(lü)爲12.5Hz,水(shui)流量(liang)爲20m'/h,采(cai)樣頻(pin)率爲(wei)1500Hz,采樣(yang)時間(jian)爲200s。信(xin)号調(diao)理電(dian)路1輸(shu)出信(xin)号及(ji)頻譜(pu)如圖(tu)1所示(shi)。

　　觀察(cha)信号(hao)調理(li)電路(lu)的輸(shu)出信(xin)号可(ke)以發(fa)現:電(dian)極輸(shu)出信(xin)号經(jing)過信(xin)号調(diao)理電(dian)路放(fang)大後(hou)存在(zai)嚴重(zhong)的漂(piao)移現(xian)象,信(xin)号累(lei)積的(de)漂移(yi)❌量達(da)到了(le)1.2V,遠大(da)于70mV左(zuo)右的(de)流量(liang)信号(hao)(流速(su)爲1m/s信(xin)号幅(fu)值約(yue)爲100μV,流(liu)量爲(wei)20m/h時流(liu)速爲(wei)4.44m/s,信号(hao)幅值(zhi)約爲(wei)444μV,放大(da)170倍後(hou)約爲(wei)✍️75.5mV;70mV爲觀(guan)測結(jie)果)。而(er)該結(jie)果僅(jin)僅是(shi)将電(dian)極輸(shu)出信(xin)号放(fang)大了(le)170倍。當(dang)放大(da)倍數(shu)更大(da)時,如(ru)果任(ren)由電(dian)極輸(shu)出信(xin)号發(fa)生漂(piao)移,那(na)麽放(fang)📞大器(qi)輸出(chu)信号(hao)很可(ke)能達(da)♈到飽(bao)和,ADC的(de)供電(dian)電壓(ya)會達(da)到5V,導(dao)緻ADC無(wu)法正(zheng)常工(gong)㊙️作。
　　爲(wei)了觀(guan)察流(liu)量信(xin)号與(yu)極化(hua)噪聲(sheng)的頻(pin)段分(fen)布,将(jiang)290000點信(xin)号去(qu)均值(zhi)後,從(cong)4096點開(kai)始，等(deng)距取(qu)60段,每(mei)段4096點(dian),分别(bie)作4096點(dian)的快(kuai)速🛀傅(fu)裏葉(ye)變換(huan)(fastFouriertransform,FFT),并求(qiu)出其(qi)平均(jun)幅值(zhi)譜,如(ru)圖1(b)所(suo)示。由(you)圖1(b)可(ke)以看(kan)出:極(ji)化噪(zao)聲🎯以(yi)直流(liu)噪聲(sheng)爲主(zhu),主要(yao)分布(bu)于零(ling)頻附(fu)近的(de)低頻(pin)區域(yu),幾乎(hu)不與(yu)流量(liang)信🌂号(hao)頻段(duan)重疊(die)。當勵(li)磁頻(pin)率爲(wei)2.5~5Hz'[8]，可以(yi)用一(yi)個過(guo)渡帶(dai)特性(xing)較陡(dou)的高(gao)階低(di)通濾(lü)波器(qi)來🔞提(ti)取極(ji)化噪(zao)聲。
2極(ji)化噪(zao)聲抵(di)消方(fang)案
2.1抵(di)消原(yuan)理
　　根(gen)據極(ji)化噪(zao)聲的(de)特性(xing),同時(shi)考慮(lü)到硬(ying)件系(xi)統處(chu)理㊙️噪(zao)聲🈚更(geng)具實(shi)時性(xing)與可(ke)靠性(xing),提出(chu)一種(zhong)基于(yu)前饋(kui)控制(zhi)的😄自(zi)适應(ying)極🌈化(hua)噪聲(sheng)抵消(xiao)方案(an),并用(yong)硬件(jian)實現(xian)。噪聲(sheng)抵消(xiao)方法(fa)原🌏理(li)如圖(tu)⛹🏻‍♀️2所示(shi)。


　　最後(hou),在軟(ruan)件中(zhong)通過(guo)梳狀(zhuang)帶通(tong)濾波(bo)和幅(fu)值解(jie)調等(deng)信号(hao)👄處理(li)💋方🙇‍♀️法(fa),濾除(chu)工頻(pin)幹擾(rao)和微(wei)分幹(gan)擾，就(jiu)可以(yi)得到(dao)流速(su)值。
2.2.硬(ying)件電(dian)路研(yan)制
　　根(gen)據前(qian)饋控(kong)制的(de)自适(shi)應極(ji)化噪(zao)聲抵(di)消原(yuan)理,設(she)計了(le)信号(hao)調理(li)電路(lu)2,以實(shi)現極(ji)化噪(zao)聲的(de)濾除(chu)。信号(hao)調理(li)電路(lu)2主要(yao)包括(kuo)前置(zhi)差分(fen)放大(da)電路(lu)、極化(hua)噪聲(sheng)提取(qu)與抵(di)消電(dian)路、低(di)通濾(lü)波放(fang)大電(dian)路三(san)👈部分(fen)。調理(li)電路(lu)如圖(tu)3所示(shi)。

①前置(zhi)差分(fen)放大(da)電路(lu)。
　　前置(zhi)差分(fen)放大(da)電路(lu)主要(yao)實現(xian)信号(hao)的放(fang)大和(he)共模(mo)噪聲(sheng)的⛹🏻‍♀️抑(yi)制✍️。電(dian)路采(cai)用具(ju)有高(gao)共模(mo)抑制(zhi)比、高(gao)增益(yi)精度(du)、低失(shi)調漂(piao)移、低(di)增益(yi)漂移(yi)的精(jing)密儀(yi)用放(fang)大器(qi)。前置(zhi)差分(fen)放大(da)🈲電路(lu)如圖(tu)4所示(shi)。.


　　前置(zhi)差分(fen)放大(da)電路(lu)設計(ji)時要(yao)考慮(lü)後級(ji)電路(lu)電壓(ya)匹🐇配(pei)的🈲問(wen)題。下(xia)級電(dian)路芯(xin)片供(gong)電電(dian)壓爲(wei)+5V,而前(qian)置差(cha)分放(fang)大電(dian)路輸(shu)出信(xin)⛱️号存(cun)在負(fu)電壓(ya)。因此(ci),需要(yao)加入(ru)直流(liu)基準(zhun)。電極(ji)輸出(chu)信号(hao)中流(liu)量信(xin)号及(ji)其他(ta)噪聲(sheng)幅值(zhi)遠小(xiao)于極(ji)化噪(zao)聲幅(fu)值。由(you)于檢(jian)測到(dao)的電(dian)極輸(shu)出信(xin)号中(zhong)極化(hua)噪聲(sheng)幅值(zhi)最大(da)爲+200mV，電(dian)路🌍放(fang)大4.1倍(bei),那麽(me)‼️放大(da)器輸(shu)出的(de)極化(hua)噪聲(sheng)幅值(zhi)最大(da)也隻(zhi)有+820mV。而(er)電路(lu)直接(jie)加入(ru)了2.5V的(de)參考(kao)電壓(ya)，足以(yi)将前(qian)置差(cha)分放(fang)大電(dian)🥵路輸(shu)出信(xin)号由(you)雙極(ji)😄性轉(zhuan)爲單(dan)極性(xing)。
②極化(hua)噪聲(sheng)提取(qu)與抵(di)消電(dian)路。
　　極(ji)化噪(zao)聲提(ti)取與(yu)抵消(xiao)電路(lu)是爲(wei)了實(shi)現極(ji)化噪(zao)聲的(de)提取(qu)、抵消(xiao)✔️和流(liu)量信(xin)号的(de)放大(da)。電路(lu)分爲(wei)極化(hua)噪聲(sheng)提取(qu)電路(lu)和🤞噪(zao)聲抵(di)消💔與(yu)放大(da)電路(lu),分别(bie)由八(ba)階巴(ba)特沃(wo)斯低(di)通濾(lü)波器(qi)和精(jing)密儀(yi)用放(fang)大器(qi)構成(cheng)。
　　極化(hua)噪聲(sheng)提取(qu)電路(lu)通過(guo)八階(jie)巴特(te)沃斯(si)低通(tong)濾波(bo)器來(lai)🚶提取(qu)極化(hua)噪聲(sheng)。此低(di)通濾(lü)波器(qi)過渡(du)帶非(fei)常窄(zhai),其截(jie)止頻(pin)☎️率f。的(de)🔴大小(xiao)可以(yi)通過(guo)外接(jie)電容(rong)在1Hz~2kHz之(zhi)間調(diao)節。當(dang)fiw=2f。時,信(xin)号增(zeng)益爲(wei)-48dB,輸出(chu)信号(hao)衰減(jian)爲✊原(yuan)信号(hao)的1/251。當(dang)fw=3f時,信(xin)号增(zeng)益爲(wei)-76dB,輸出(chu)信号(hao)衰減(jian)爲原(yuan)信号(hao)的1/6310。如(ru)設置(zhi)f。=1Hz,那麽(me)輸出(chu)信㊙️号(hao)中完(wan)整保(bao)留1Hz及(ji)以下(xia)頻段(duan)的信(xin)号,1~3Hz内(nei)的信(xin)号出(chu)現不(bu)同程(cheng)度衰(shuai)減,3Hz及(ji)以上(shang)信号(hao)被完(wan)全衰(shuai)減。由(you)此就(jiu)可以(yi)通過(guo)該八(ba)階低(di)頻濾(lü)💋波器(qi)濾除(chu)勵磁(ci)頻🌈率(lü)12.5Hz(6.25Hz.3.125Hz)及以(yi)上頻(pin)段的(de)信号(hao),精确(que)提取(qu)出極(ji)☂️化噪(zao)聲。
　　噪(zao)聲抵(di)消與(yu)放大(da)電路(lu)中,采(cai)用前(qian)置差(cha)分放(fang)大後(hou)的電(dian)極輸(shu)✊出🚶信(xin)号減(jian)去低(di)通濾(lü)波器(qi)提取(qu)的極(ji)化噪(zao)聲,以(yi)實現(xian)極化(hua)噪聲(sheng)的🏃‍♀️自(zi)适應(ying)抵消(xiao)。此時(shi),經過(guo)噪聲(sheng)抵消(xiao)後的(de)信号(hao)中隻(zhi)含有(you)流量(liang)信号(hao)和高(gao)💋頻噪(zao)聲,而(er)且高(gao)頻噪(zao)聲幅(fu)值小(xiao)于流(liu)量信(xin)号幅(fu)值,因(yin)此可(ke)以通(tong)過放(fang)大器(qi)實現(xian)信号(hao)的更(geng)高倍(bei)數放(fang)大。以(yi)口徑(jing)爲40mm的(de)電磁(ci)流量(liang)傳感(gan)器爲(wei)例:當(dang)流速(su)爲5m/s時(shi),檢測(ce)到流(liu)量信(xin)号峰(feng)峰值(zhi)爲🤞1mV;以(yi)10m/s爲流(liu)速上(shang)限，則(ze)流量(liang)信号(hao)峰峰(feng)值最(zui)大爲(wei)2mV。由于(yu)ADC采用(yong)5V供電(dian),考🏃‍♂️慮(lü)到芯(xin)片性(xing)能等(deng)因素(su),不可(ke)能将(jiang)流量(liang)信号(hao)完全(quan)放大(da)到芯(xin)片供(gong)電電(dian)壓範(fan)圍。對(dui)此,将(jiang)信号(hao)最大(da)放大(da)👄到+4V,那(na)麽信(xin)号調(diao)理電(dian)路最(zui)大放(fang)大🆚倍(bei)數可(ke)達4000倍(bei)。扣除(chu)前置(zhi)放大(da)🚩4.1倍,那(na)麽後(hou)兩級(ji)電路(lu)最大(da)可放(fang)大975倍(bei)。
③低通(tong)濾波(bo)放大(da)電路(lu)。
　　低通(tong)濾波(bo)放大(da)電路(lu)的主(zhu)要目(mu)的是(shi)實現(xian)高頻(pin)噪聲(sheng)的濾(lü)除。
　　電(dian)極輸(shu)出信(xin)号經(jing)過自(zi)适應(ying)極化(hua)噪聲(sheng)抵消(xiao)後,除(chu)了12.5Hz(6.25Hz3.125Hz)的(de)流量(liang)信号(hao)外，還(hai)存在(zai)高頻(pin)噪聲(sheng)。高頻(pin)噪聲(sheng)進人(ren)ADC後,可(ke)能會(hui)造成(cheng)信🔞号(hao)的混(hun)疊⛹🏻‍♀️。所(suo)以,需(xu)要采(cai)用低(di)通濾(lü)波器(qi)來濾(lü)除高(gao)頻💃噪(zao)聲。
低(di)通濾(lü)波放(fang)大電(dian)路如(ru)圖6所(suo)示，

　　低(di)通濾(lü)波放(fang)大電(dian)路采(cai)用兩(liang)級二(er)階巴(ba)特沃(wo)斯低(di)通濾(lü)波✉️器(qi)級聯(lian)來構(gou)成四(si)階低(di)通濾(lü)波器(qi),其放(fang)大倍(bei)數爲(wei)10.9倍。考(kao)慮到(dao)能更(geng)多地(di)保留(liu)流量(liang)信号(hao)的諧(xie)波，設(she)置濾(lü)波器(qi)截止(zhi)頻率(lü)爲1.5kHz。
3驗(yan)證試(shi)驗
　　爲(wei)了驗(yan)證基(ji)于前(qian)饋控(kong)制的(de)自适(shi)應極(ji)化噪(zao)聲抵(di)消方(fang)法的(de)效果(guo),設計(ji)了信(xin)号調(diao)理電(dian)路2,并(bing)替換(huan)本課(ke)題組(zu)研制(zhi)的電(dian)磁流(liu)量變(bian)送器(qi)中的(de)信号(hao)調理(li)電路(lu);再匹(pi)配電(dian)磁流(liu)量傳(chuan)感器(qi),組成(cheng)了一(yi)個完(wan)整的(de)基于(yu)數字(zi)信号(hao)處理(li)器(digitalsignalprocessor,DSP)的(de)電磁(ci)流量(liang)計🈲[8-0,。在(zai)容積(ji)法水(shui)流量(liang)标⭐定(ding)裝置(zhi)上進(jin)行了(le)信号(hao)調理(li)電路(lu)濾波(bo)🥵試驗(yan)、電磁(ci)流✊量(liang)計水(shui)流量(liang)标定(ding)試驗(yan)和降(jiang)ADC位數(shu)試驗(yan)。
3.1試驗(yan)裝置(zhi)
　　試驗(yan)裝置(zhi)由水(shui)流量(liang)标定(ding)裝置(zhi)和數(shu)據采(cai)集系(xi)統組(zu)🌈成,如(ru)圖7所(suo)示。

　　圖(tu)7中:水(shui)流量(liang)标定(ding)裝置(zhi)的不(bu)确定(ding)度爲(wei)0.2%,電磁(ci)流量(liang)傳感(gan)器口(kou)徑爲(wei)40mm,電磁(ci)流量(liang)變送(song)器的(de)勵磁(ci)頻率(lü)爲12.5Hz。信(xin)号🧑🏾‍🤝‍🧑🏼調(diao)理電(dian)路🈲放(fang)大倍(bei)數✊和(he)ADC位數(shu)可調(diao):在信(xin)号調(diao)理電(dian)路濾(lü)波試(shi)驗和(he)電磁(ci)流量(liang)計水(shui)流量(liang)标定(ding)試驗(yan)中放(fang)大🤟倍(bei)數爲(wei)340倍,ADC位(wei)數爲(wei)24位;在(zai)降ADC位(wei)數試(shi)驗中(zhong)放大(da)倍數(shu)爲🧑🏾‍🤝‍🧑🏼3500倍(bei),取24位(wei)ADC的高(gao)14位來(lai)模拟(ni)16位ADC。
3.2信(xin)号調(diao)理電(dian)路濾(lü)波試(shi)驗
　　爲(wei)驗證(zheng)基于(yu)自适(shi)應極(ji)化噪(zao)聲抵(di)消方(fang)法的(de)信号(hao)調👉理(li)電路(lu)對極(ji)化噪(zao)聲的(de)消除(chu)效果(guo),在信(xin)号調(diao)理電(dian)路2輸(shu)人信(xin)号不(bu)斷發(fa)生漂(piao)移的(de)情況(kuang)下(如(ru)圖1(a)中(zhong)情況(kuang)),通😘過(guo)上位(wei)機(采(cai)樣頻(pin)率1500Hz,采(cai)樣時(shi)長200s)采(cai)集流(liu)✨速爲(wei)5m/s(流速(su)越☎️大(da),極化(hua)噪聲(sheng)幅值(zhi)越大(da))的信(xin)号調(diao)理電(dian)路2輸(shu)出信(xin)号,并(bing)對其(qi)進行(hang)了頻(pin)譜分(fen)析。
信(xin)号調(diao)理電(dian)路2輸(shu)出信(xin)号及(ji)頻譜(pu)圖如(ru)圖8所(suo)示。
　　觀(guan)察信(xin)号調(diao)理電(dian)路2輸(shu)出信(xin)号,發(fa)現經(jing)過自(zi)适應(ying)極化(hua)噪聲(sheng)抵消(xiao)後,信(xin)号平(ping)穩分(fen)布于(yu)零點(dian)上下(xia),基本(ben)不存(cun)在👣漂(piao)移的(de)現象(xiang),如圖(tu)8(a)所示(shi)。
　　信号(hao)頻譜(pu)分析(xi)方法(fa)與圖(tu)1(b)噪聲(sheng)分析(xi)時的(de)相同(tong),即将(jiang)290000點信(xin)号去(qu)基準(zhun)後,從(cong)4096點開(kai)始，等(deng)間距(ju)取60段(duan),每段(duan)4096點,再(zai)分别(bie)😍作4096點(dian)FFT,最後(hou)🔞求出(chu)其平(ping)均幅(fu)值譜(pu),如圖(tu)8(b)所示(shi)。根據(ju)💚頻譜(pu)圖可(ke)以發(fa)現:經(jing)過自(zi)适應(ying)極化(hua)噪聲(sheng)抵消(xiao)後信(xin)号調(diao)理電(dian)路2輸(shu)出信(xin)号中(zhong)基本(ben)😍不存(cun)在極(ji)化噪(zao)聲,隻(zhi)存在(zai)12.5Hz的流(liu)量⭐信(xin)号。由(you)此說(shuo)明,基(ji)于前(qian)饋控(kong)制的(de)自适(shi)☂️應極(ji)化噪(zao)聲抵(di)🛀🏻消電(dian)路能(neng)有效(xiao)濾除(chu)電極(ji)輸出(chu)信号(hao)㊙️中的(de)極化(hua)🌈噪聲(sheng)。

3.3電磁(ci)流量(liang)計水(shui)流量(liang)标定(ding)試驗(yan)
　　爲了(le)測試(shi)基于(yu)自适(shi)應極(ji)化噪(zao)聲抵(di)消方(fang)法的(de)信号(hao)調理(li)‼️電路(lu)👌2的實(shi)際效(xiao)果,進(jin)行了(le)容積(ji)法水(shui)流量(liang)标定(ding)試驗(yan)🧡。标定(ding)試驗(yan)中,在(zai)流速(su)爲0.15~5m/s的(de)範圍(wei)内，共(gong)選取(qu)了6個(ge)标定(ding)點,并(bing)通過(guo)示值(zhi)誤差(cha)拟合(he)方法(fa)計算(suan)儀表(biao)系數(shu)"],然後(hou)驗證(zheng)了電(dian)磁流(liu)量計(ji)的精(jing)度。放(fang)大340倍(bei)24位ADC水(shui)流量(liang)标定(ding)試驗(yan)結果(guo)如表(biao)1所示(shi)。

　　由表(biao)1可知(zhi):在流(liu)速爲(wei)0.5~5m/s的範(fan)圍内(nei),電磁(ci)流量(liang)計的(de)最大(da)測🏃‍♂️量(liang)誤差(cha)都在(zai)+0.3%以内(nei),重複(fu)性誤(wu)差均(jun)在0.1%以(yi)内,滿(man)足0.3級(ji)電磁(ci)流量(liang)⁉️計要(yao)求。該(gai)結果(guo)♊說明(ming),采用(yong)該信(xin)号調(diao)理電(dian)路的(de)基于(yu)DSP的電(dian)磁流(liu)量計(ji)具有(you)很好(hao)的🈲測(ce)量精(jing)度。同(tong)時,與(yu)放大(da)倍數(shu)爲180倍(bei)的電(dian)磁流(liu)量計(ji)相比(bi)，該設(she)計提(ti)高了(le)流量(liang)信号(hao)的放(fang)大倍(bei)數,可(ke)以實(shi)現更(geng)低流(liu)量的(de)👄測量(liang),即可(ke)以采(cai)用該(gai)方法(fa)來拓(tuo)寬電(dian)磁流(liu)量計(ji)的測(ce)量下(xia)限。
3.4降(jiang)ADC位數(shu)試驗(yan)
　　當電(dian)路放(fang)大倍(bei)數較(jiao)大時(shi)，流量(liang)信号(hao)幅值(zhi)相應(ying)較高(gao),對ADC分(fen)辨率(lü)的要(yao)求降(jiang)低,這(zhe)樣就(jiu)可以(yi)采用(yong)位數(shu)較低(di)的ADC來(lai)實現(xian)🔞信号(hao)的測(ce)量。同(tong)時，降(jiang)低ADC位(wei)數也(ye)将降(jiang)低電(dian)路的(de)成本(ben)。所以(yi)☀️,通過(guo)改變(bian)電路(lu)的放(fang)大倍(bei)數和(he)ADC采樣(yang)位數(shu)，并采(cai)🏃‍♂️用水(shui)流量(liang)标定(ding)試驗(yan)進行(hang)驗證(zheng)。
　　電極(ji)輸出(chu)信号(hao)經過(guo)自适(shi)應極(ji)化噪(zao)聲抵(di)消後(hou),信号(hao)調理(li)電路(lu)2最大(da)放大(da)倍數(shu)可達(da)4000倍。所(suo)以,可(ke)将信(xin)号調(diao)理電(dian)路2的(de)放大(da)倍數(shu)⁉️由340倍(bei)🌍提高(gao)至3500倍(bei)。普通(tong)DN40的電(dian)磁流(liu)量傳(chuan)感器(qi)流速(su)測量(liang)下✏️限(xian)爲0.5m/s,通(tong)過上(shang)位機(ji)采集(ji)了放(fang)大3500倍(bei)的信(xin)🐅号,發(fa).現流(liu)👉速0.5m/s時(shi)信号(hao)峰峰(feng)值約(yue)🛀爲346.7mV,而(er)測量(liang)🌏電壓(ya)範圍(wei)爲+5V的(de)16位ADC的(de)分辨(bian)率爲(wei)153μV,足以(yi)識🤩别(bie)信号(hao)。所以(yi),采用(yong)了16位(wei)ADC。16位❗ADC有(you)😘效位(wei)數-一(yi)般在(zai)㊙️14~16位。爲(wei)了方(fang)便在(zai)同等(deng)條件(jian)下驗(yan)證效(xiao)果,不(bu)再重(zhong)新設(she)計電(dian)路,而(er)是在(zai)标定(ding)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻時取(qu)原有(you)24位ADC的(de)高14位(wei)🧡來模(mo)拟16位(wei)ADC的效(xiao)果。
　　在(zai)流速(su)爲0.5~5m/s的(de)範圍(wei)内，共(gong)選取(qu)了5個(ge)标定(ding)點,并(bing)通過(guo)示值(zhi)誤差(cha)拟合(he)方法(fa)計算(suan)出儀(yi)表系(xi)數。然(ran)後,驗(yan)證電(dian)磁流(liu)量計(ji)的精(jing)度。放(fang)大🏃‍♂️3500倍(bei)、16位ADC水(shui)流量(liang)标定(ding)試驗(yan)結果(guo)如🌈表(biao)2所示(shi)。

　　由表(biao)2可知(zhi):在流(liu)速爲(wei)0.5~5m/s的範(fan)圍内(nei),電磁(ci)流量(liang)計的(de)最大(da)測量(liang)誤差(cha)都😘在(zai)+0.3%以内(nei),重複(fu)性誤(wu)差均(jun)在0.1%以(yi)内,滿(man)足0.3級(ji)電磁(ci)💞流量(liang)計要(yao)求。這(zhe)說明(ming)提出(chu)的基(ji)于硬(ying)件系(xi)統前(qian)🧡饋控(kong)制的(de)自适(shi)應極(ji)化噪(zao)聲抵(di)消方(fang)法能(neng)有效(xiao)抵消(xiao)極化(hua)噪聲(sheng)🌈,可以(yi)将信(xin)号放(fang)大較(jiao)高的(de)倍數(shu),從而(er)有效(xiao)降低(di)ADC的采(cai)樣位(wei)數,并(bing)減少(shao)成本(ben)。另外(wai)，濾除(chu)極化(hua)噪聲(sheng)後,放(fang)大的(de)電❄️極(ji)輸出(chu)信号(hao)幅值(zhi)🏃🏻在電(dian)路中(zhong)不會(hui)超過(guo)+5V。這樣(yang)就可(ke)🏃🏻‍♂️以将(jiang)電路(lu)中芯(xin)☁️片的(de)供電(dian)電壓(ya)降至(zhi)+5V,以減(jian)小🏃🏻電(dian)路功(gong)耗。
4結(jie)論
　　極(ji)化噪(zao)聲幅(fu)值遠(yuan)高于(yu)流量(liang)信号(hao)幅值(zhi),會造(zao)成電(dian)極🔴輸(shu)⛱️出信(xin)号信(xin)噪比(bi)較低(di);同時(shi)，極化(hua)噪聲(sheng)的漂(piao)移會(hui)限🧡制(zhi)電🈚路(lu)的放(fang)大倍(bei)數,增(zeng)加了(le)ADC采樣(yang)位數(shu)、電路(lu)成本(ben)、功耗(hao)等。針(zhen)對這(zhe)些問(wen)題,通(tong)過對(dui)電💚極(ji)輸出(chu)信号(hao)采集(ji)與頻(pin)譜分(fen)析,研(yan)究了(le)極🏃‍♀️化(hua)噪聲(sheng)的分(fen)布特(te)性,發(fa)現漂(piao)移🐕的(de)極化(hua)噪聲(sheng)主要(yao)分布(bu)于零(ling)頻附(fu)近的(de)低頻(pin)區域(yu),基本(ben)不與(yu)信号(hao)⚽頻段(duan)重疊(die)。
　　根據(ju)極化(hua)噪聲(sheng)的分(fen)布特(te)性,提(ti)出了(le)一種(zhong)基于(yu)前饋(kui)控制(zhi)的⛹🏻‍♀️自(zi)适應(ying)極化(hua)噪聲(sheng)抵消(xiao)方案(an),并用(yong)硬件(jian)系統(tong)實現(xian)。前置(zhi)差分(fen)放大(da)🏒後的(de)🐇電極(ji)輸出(chu)信号(hao)經過(guo)一一(yi)個八(ba)階低(di)通濾(lü)波器(qi),提取(qu)出其(qi)🏃中的(de)極化(hua)噪聲(sheng);然後(hou)以極(ji)化噪(zao)聲作(zuo)爲前(qian)饋量(liang),經過(guo)下級(ji)放大(da)器,用(yong)差分(fen)放大(da)後的(de)電極(ji)輸出(chu)信号(hao)🐇減去(qu)極化(hua)噪⛹🏻‍♀️聲(sheng),以此(ci)實現(xian)極化(hua)噪聲(sheng)的❤️自(zi)♋适應(ying)抵消(xiao)。
　　爲驗(yan)證該(gai)方案(an)的實(shi)際效(xiao)果,設(she)計了(le)信号(hao)調理(li)電路(lu)2,配合(he)課題(ti)組原(yuan)有的(de)變送(song)器及(ji)DN40傳感(gan)器，在(zai)容積(ji)法水(shui)✉️流量(liang)标定(ding)裝置(zhi)上進(jin)🌏行了(le)試驗(yan)。信号(hao)調理(li)電路(lu)濾波(bo)😘試驗(yan)結果(guo)表明(ming),該系(xi)統能(neng)夠有(you)效消(xiao)除電(dian)極輸(shu)出信(xin)号中(zhong)的極(ji)化噪(zao)聲。電(dian)磁流(liu)量計(ji)水流(liu)量标(biao)🔞定試(shi)驗結(jie)💘果表(biao)明,當(dang)信号(hao)調理(li)電路(lu)放大(da)340倍、ADC爲(wei)24位時(shi),在流(liu)速爲(wei)🌈0.5~5m/s的範(fan)圍内(nei)，流量(liang)計的(de)精度(du)爲0.3級(ji)。這說(shuo)明采(cai)用自(zi)适應(ying)極化(hua)噪聲(sheng)抵消(xiao)方法(fa)的信(xin)🔱号調(diao)理電(dian)路2能(neng)夠滿(man)足實(shi)際測(ce)量要(yao)求，且(qie)提高(gao)信号(hao)放大(da)倍數(shu)可以(yi)實現(xian)更低(di)流量(liang)的測(ce)量。降(jiang)ADC位數(shu)試驗(yan)結果(guo)表明(ming),将信(xin)号調(diao)理電(dian)路放(fang)大倍(bei)數提(ti)高至(zhi)3500倍,同(tong)時用(yong)24位ADC的(de)高14位(wei)來模(mo)拟16位(wei)ADC,在流(liu)速爲(wei)0.5~5m/s的範(fan)圍内(nei),流量(liang)🌐計的(de)精度(du)可達(da)0.3級。這(zhe)說明(ming)基于(yu)前饋(kui)控制(zhi)的自(zi)适應(ying)極化(hua)噪聲(sheng)抵消(xiao)方法(fa)可以(yi)将信(xin)号放(fang)大較(jiao)高的(de)倍數(shu),從而(er)有✉️效(xiao)降🐕低(di)👉ADC的采(cai)樣位(wei)數、芯(xin)片供(gong)電電(dian)壓，以(yi)及電(dian)路成(cheng)本和(he)功耗(hao)。

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