低頻矩形波電磁流量計信號處理電路的設計

摘 要：針對電磁流量計測量過程中各種干擾對系統測量精確度和穩定性的影響，提出了一種新的信號處理方法。首先分析了幾種干擾產生的機理和特征，然后設計了電磁流量計勵磁電路，信號采集電路，電平提升電路和精密全波整流電路。并結合模擬開關技術給出了信號波形的處理方法。實驗證明，這種方法能夠有效地抑制干擾，提高系統穩定性和測量精確度。

關鍵字：電磁流量計 模擬開關 干擾 測量精確度

 

0 引言

電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律制成的一種儀表。由于其內部無可動部件、測量值具有與液體流速成線性、測量范圍寬、精確度高等優點，一直以來就受到人們的重視。目前已在石油、化工、冶金、醫藥、環保等方面得到廣泛應用。但是國內生產的電磁流量計測量精確度不高，與國際水平有很大差距，所以成為制約我國智能儀表發展的瓶頸。電磁流量計按照激勵劃分已經經歷了直流電磁流量計，交流電磁流量計，低頻矩形波電磁流量計和雙頻電磁流量計四個階段。但是目前市場上以低頻矩形波電磁流量計居多，本文設計的電磁流量計也是一種低頻二值矩形波激勵的電磁流量計。

1 電磁流量計測量原理和干擾源分析

1.1 電磁流量計的測量原理

電磁流量計的原理是基于法拉第電磁感應定律。圖1為電磁流量計的測量原理圖。

當導電流體在磁場中作切割磁感應線運動時，流體中的帶電粒子受洛倫茲力的作用，在與流速和磁場兩者相垂直的方向產生與流速成正比的感應電動勢，該感應電動勢由電磁流量計管壁上的一對電極檢測到，其值為

E=B·D·V （1）

式中：E為感應電動勢（V）；B為磁場強度（T）；D為測量管道的直徑（m）；V為流體的速度（m/s）。

由式（1）可知，當磁場強度恒定時，感應電動勢與流體的流速成線性關系，與流體的壓力、溫度、密度、粘度等物理參數無關。

 

圖1 電磁流量計原理圖

1.2 干擾源的分析

對于采用低頻矩形波激勵的電磁流量計，雖然它不會像直流勵磁方式那樣，產生很大的極化現象，也不會像交流勵磁方式，產生很強的正交干擾，但是在實際測量過程中，電極上所得到的電壓不僅僅是與流速成正比的感應電動勢，也包括各種干擾成分在內。其中包括工頻干擾、微分干擾、共模干擾、串模干擾和電化學干擾等?？梢越⒁韵碌男盘柲Ｐ蛠肀硎倦姶帕髁坑嬰姌O上實際得到的電壓信號。

 （2）

式中：BVD稱為流速信號，是電磁流量計需要得到的真實測量值。

是微分干擾，由于矩形波激勵也存在上升沿和下降沿，在上升沿和下降沿必然會引入微分干擾，而且沿越陡微分干擾越大，但是這個微分干擾會隨著磁場的穩定，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，同相干擾也會降低，而且同相干擾也是零點漂移的根源之一。

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生的，它是造成電磁流量計零點漂移的重要原因之一。

e_d串模干擾，串模干擾的來源是電磁干擾和靜電干擾。電磁干擾主要是因為在流量計附近有功率磁場設備存在，由于設備漏磁，周圍產生較強的交變磁場，就會在回路中感應出電動勢，形成串模干擾。

e_z電化學干擾，由于電極感應電動勢在兩極極性不同，而導致電解質在電極表面出現極化現象，雖然采用矩形波勵磁能顯著減弱極化電勢，但是不能從根本上完全消除極化電勢干擾。

工頻干擾，首先是工作現場存在有大量的工頻信號；另外還有勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產生的工頻干擾。

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

2 系統硬件電路設計

本文設計的電磁流量計采用低頻矩形波作為勵磁信號，控制信號由單片機產生，其頻率f=6.25Hz。硬件電路主要包括四部分：勵磁電路、信號采集電路、電平提升電路和精密全波整流電路。

2.1 勵磁電路

勵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。本文勵磁電路的頻率為1/8工頻，即f=6.25Hz，驅動電壓幅值Vs=12V。勵磁電路如圖2所示。

勵磁電路主要由L298N和HD74HC04P兩款芯片組成，圖2是兩款芯片的內部簡化原理圖。L298N是SGS公司生產的一款內部具有兩個H橋的高電壓大電流的雙全橋式驅動器。能夠驅動46V，2A以下的感性負載，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H橋電路的控制引腳，它們的不同狀態值來決定H橋引腳2－OUT1和引腳3－OUT2的電壓輸出方向。第一H橋輸入引腳狀態與輸出引腳狀態真值關系如表1所示。

 

圖2 勵磁電路

表1 輸入引腳狀態與輸出引腳狀態真值表

 

注：H代表高電平，L代表低電平。

HD74HCO4P是一款邏輯非門芯片，具有6路非門。利用一款HD74HCO4P芯片就可以滿足兩個H橋的控制輸入引腳的不同狀態要求。當從Vi端口輸入低頻矩形波信號時，就會使兩個電磁鐵同時產生交替互補的低頻交變磁場。

2.2 信號采集電路

由于傳感器傳回的信號非常微弱，一般在幾十μV到1mV左右，且內阻較大，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放大。信號采集電路如圖3所示。

 

圖3 信號采集電路

該電路由前置放大電路、濾波電路和二級放大電路三部分組成，灰色部分代表模擬開關CD4052BE。濾波電路利用運放LM358N芯片實現。其中濾波電路的前半部分是一個二階低通濾波器，它的截止頻率是20Hz左右，后半部分是一個二階高通濾波器，它的截止頻率是1Hz左右，它們共同組成一個帶通濾波器，對電路中混入的低頻干擾和高頻干擾（包括工頻干擾在內）有很好的抑制作用。

前置放大電路和二級放大電路利用兩個儀用放大器AD620AN芯片實現。AD620AN芯片是一款精確度高、低噪聲、高輸入阻抗、使用簡單的儀用放大器，它的最大增益為1000。增益值計算公式如下：

 （3）

在式（3）中，R_G是AD620AN的增益電阻，可通過調節R_G來調節AD620AN放大增益。在一級放大電路和二級放大電路中，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關CD4052BE，模擬開關用單片機進行控制。當微分干擾產生的尖刺到來時，關閉模擬開關，避免尖刺進入后面的電路，由于后面濾波電路中的電容對之前的信號具有保持作用，就算切斷信號，也不會對后面的電路造成影響。當尖刺過去后，再接通模擬開關，繼續對后續的信號進行濾波和放大。

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，相對于零線上下不對稱?？梢砸腚娖教嵘娐穼ζ溥M行補償，使其關于零線對稱，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

由于電磁流量計采用的是低頻矩形波勵磁方式，所以流量傳感器傳回的也是低頻正負交替電壓信號，而單片機PIC16F877A模擬量接口的電壓范圍是0V～5V，因此負電壓模擬信號不能被單片機模擬量接口識別，而導致對電磁流量計電壓信號采集失真，極大的影響了單片機對流量計電壓信號的A/D轉換結果。精密全波整流電路的功能是將輸入電壓取絕對值并以正電壓的形式輸出，這樣信號采集電路輸出的電壓經過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運算放大器LM358N和七個精密電阻組成。當輸入端電壓Vi為正時，A1的1端輸出電壓為負，此時，D2截止，D1導通，A1回路為反相放大器，經D1輸出－Vi給A2。此時A2為一加法電路，R5和R7組成的電路部分比例系數為－2，于是－Vi經過該部分后變成了2Vi；由R4和R7組成的電路部分比例系數為－1，于是Vi經過該部分后變成了－Vi，將兩部分相加得到A2的輸出為Vi。當輸入端電壓Vi為負時，此時，D1截止，D2導通，關閉了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，得到的輸出信號為－Vi，即

 （4）

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

 

圖5 精密全波整流電路

3 系統軟件設計

3.1 勵磁控制信號的產生

本文的勵磁控制信號由單片機發出，單片機使用定時器0進行計數延遲，每間隔80ms，單片機在中斷程序中使普通I/O口的高低電平發生一次跳變，于是該端口便模擬出一個頻率為f=6.25Hz，即周期T=160ms的矩形波信號。

3.2 微分干擾的消除

微分干擾，也就是常說的“毛刺”，它一般出現先在高電平向低電平跳變和低電平向高電平跳變兩處，它是實際測量信號中的錯誤部分。由前置放大電路輸出的波形可知，毛刺持續的時間為10ms左右，幅值為300mV，幾乎是有用信號幅值的3倍。為了消除毛刺，除了硬件方面選用模擬開關外，軟件方面也要在適當的時間對模擬開關的關閉和導通進行嚴格的控制，既要能有效避開毛刺，又不會使有用信號失真。由于勵磁電路的控制信號是由單片機產生的，所以模擬開關的控制信號也可以由同一塊單片機產生，并且實現與勵磁信號的同步控制。在每次勵磁信號跳變的時刻，啟動定時器1，當定時器1延遲75ms時（也就是毛刺即將到來的時刻） 進入中斷程序，用普通I/O口發出控制信號，使模擬開關斷開，模擬開關斷開的時間為10ms，避開毛刺后，單片機再發出控制信號讓模擬開關閉合。

3.3 A/D轉換

A/D轉換使用PIC16F877A自帶的A/D轉換器。它采用逐次逼近法，可以將模擬量轉換成10位數字量表示的值。對于5V的系統，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的要求。

3.4 數字濾波技術

數字濾波技術是智能儀表中最常采用的技術。該方法是在單片機的RAM中建立一個緩沖區，依次存放N次采樣的數據，（可以把這一組數看成一個隊列，隊列的長度為N），每次新采集到的數據存放在隊尾，并將最早采集的數據剔除，然后取平均值。這樣每采集一次數據就進行一次求平均值計算，既提高了計算精確度，又大大加快了單片機的數據處理能力。

4 實驗結果

本文采用的是二值勵磁方式，所以產生的感應電動勢也是一個方波信號。由于傳感器傳回的感應電動勢是非常微弱的，僅有幾十μV左右，一般示波器很難直接檢測到。經過前置放大電路AD620AN放大后的信號如圖6所示。

 

6 經過一級放大后的信號波形

由圖6可知，僅經過前置放大電路的波形，微分干擾非常大，幾乎是有用信號的三倍多。經過本文設計的采集電路后的最終波形如圖7所示。

 

7 經過信號采集電路的波形

從圖7可以看出，經采集電路后，之前由于微分干擾產生的毛刺已經消除。能夠消除毛刺的主要原因就是因為電路中采用了模擬開關CD4052BE。如果采集電路中不加模擬開關，則在同樣的條件下得到的波形如圖8所示。對比兩幅圖可以看出，加和不加模擬開關的差別是非常大的，所以模擬開關對于消除微分干擾，效果是非常明顯的。

 

8 采集電路中不加模擬開關的波形圖

為了消除同相干擾和共模干擾引起的零點漂移。硬件電路中，引入了電平提升電路，它可以有效的使波形關于零線上下對稱，然后就可以應用精密全波整流電路，將其轉換成直流信號，以便單片機采集。經過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的矩形波是感應電動勢經過信號采集電路和電平提升電路后的波形；曲線2是曲線1經過精密全波整流電路后的波形?？梢钥闯鼋涍^精密整流電路后的波形幾乎是一條直線，這樣有利于單片機對信號進行A/D采樣。

 

9 經過電平提升電路和絕對值電路后的波形

5 結語

本文設計了電磁流量計的勵磁電路和信號處理電路。重點對電磁流量計中的微分干擾、同相干擾、共模干擾和工頻干擾進行了分析和處理。實驗結果表明，本文設計的電路能夠有效的抑制電磁流量計中的主要干擾，使電磁流量計抗干擾能力增強，其測量誤差由原先的21.02%減小到3.13%，并且剔除了信號中錯誤的部分（即“毛刺”），測量精確度和可靠性顯著提高，具有很大的實用價值。