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泥浆流量计信号处理新方法研究
江苏凯铭仪表有限公司   2022-04-15 15:25:20

泥浆流量计具有电极与被测流体不接触的特点,因而从根本上解决了电极表面附着、腐蚀、摩擦、液体渗漏等问题。而且对传统接触式电磁流量计难以测量的低电导率液体如酒精等也能进行测量,拓展了电磁流量计的适用范围,在造纸、石油、化工、冶炼等行业有着良好的应用前景。

由于电容式电磁流量计采用了电容耦合的方式来检测流量信号,耦合出来的感应信号微弱,并夹杂有一定的液体流动噪声,同时易受外界干扰,信噪比较低。目前感应信号的检出方式主要有两种:是直接检测感应信号电压;二是通过“虚地”技术,检测感应信号的电流。电流检测方式流量测量受耦合电容值变化的影响较大,一般较少采用。常用的电压检测方式由于传感器的耦合电容值一般为几十皮法,在几百赫兹的励磁频率下,信号源内阻很高为检出信号,转换器电路需要有很高的输人阻抗,般在1012Ω以上,如此高的输人阻抗电路很容易引入干扰,使信噪比进一步恶化。因而除了在传感器和电路设计中尽量屏蔽干扰外,后续的放大检出电路需要有很高的信噪比。本文在信号处理中引入了互相关检测方法,采用了适合泥浆流量计信号特点的旋转电容滤波方式,以简单的硬件电路实现了流量信号的检出,研制的样机测试结果表明该方法是有效的。

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1.互相关检测方法

互相关检测是应用信号周期性和噪声随机性的特点,通过互相关运算,去除噪声的一种弱信号检测方法。如果发送信号的频率已知,就可在接收端发出相同频率的“干净的”本地参考信号,与混有噪声的输人信号进行相关,能显著提高电路的抗干扰性。设输入信号为:

f1(t)=S1(t)+n(t)          1

参考信号为:

f2(t)=S2(t)           (2)          

则互相关函数

 

式中Rs1s2(τ)S1(t)S2(t)的互相关函数,S1(t)S2(t)是两个具有相同基波频率的周期函数时,合理选择延迟时间r可使积分值达到zui;Rns2(τ)n(t)S2(t)的互相关函数,一般来说,参考信号S(t)与噪声n(t)之间没有相关性,并且S2(t)是一个交流信号,平均值为零,所以积分值处处为零。

因此,对于一个已知频率的信号,选择一个合适的参考信号与之进行相关运算,就可以将该微弱的信号检测出来,而将其他频率的干扰信号进行屏蔽。同时互相关检测的抗干扰能力受积分时间限制,积分时间越长,抗干扰能力越强,需要的测量时间也就越长。

对于高频励磁的电容式电磁流量计来说,被测流体的流量变化是缓慢的,因此有足够的时间来满足相关运算对时间的要求。并且电磁流量计的信号是由与励磁电流频率相同的交变磁场产生的,具有与励磁电流相同的频率,釆用矩形波励磁,参考信号可以从励磁控制信号中获得。一般来说,流体中的各种噪声及电路中引入的干扰与参考信号不相关,因此,可以采用互相关检测方法来检测强噪声背景中的流量信号。图1为电磁流量计信号互相关检测框图。

 

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2.旋转电容滤波

2.1旋转电容滤波器

旋转电容滤波器基于相关检测原理,是一个抗干扰能力很强的电路,有很高的信噪比。其电路原理如图2(a)所示,电路由双刀双掷同步开关K1K2和一个RC积分电路组成。K1K2分别由频率为f。的互为反相的方波控制,使RC电路完成周期性地交替充电。其等效原理图如图2(b)所示,输入信号I()与振幅为士1,频率为f。的开关信号P(t)相乘,经过RC积分得到输出电压V(t)。当被测信号与参考信号同频同相位时,总是从一个方向向电容进行充电。而噪声由于频率和相位不可能全与开关同步,因此噪声在电容上的充、放电将互相抵消,从而得到抑制。

 

从电路分析上看,旋转电容滤波器的频率传输特性如图3所示,对于与参考信号频率相同的输入信号,其输出zui;对奇次谐波,输出响应同基波相比要小(2n+1);而其他频率的信号,偏离基频或奇次谐频越大,其输出幅值衰减就越大。因此,旋转电容滤波器相当于方波匹配滤波器。时间常数RC越大,带宽越窄,抑制噪声的能力也就越强,就越接近理想方波匹配滤波器。只要使参考信号与待测信号相匹配,即基频是同频同相位的,则输出信号与匹配信号的振幅成正比,从而实现对待测信号振幅信息的提取。

 

2.2改进的滤波方式

在电容式电磁流量计中,感应信号在高频矩形波磁场励磁下产生,是具有相同频率的矩形波信号,幅值大小对应一定的流速。从励磁控制信号中获取的参考信号可以和流量信号相匹配。同时当激励磁场发生方向转变时,会产生较大的微分于扰,有时是流量信号的几百甚至几千倍,微分干扰也是影响零点稳定的主要因素之ー。

 

若直接采用该滤波器的滤波方式,会将较强的微分干扰引入,一方面直接影响信噪比,另ー方面也会带来严重的零点漂移问题。根据微分干扰信号在磁场方向转换瞬间达到zui,随着磁场稳定迅速减小的特点,选择在每半个周期的zui后部分磁场zui稳定、微分干扰达到zui小时的信号进行相关滤波,如图4所示,4(a)是含有微分干扰的信号波形示意图,4(b)是与之进行互相关运算的开关参考信号。

为实现如图4(b)所示的参考信号,设计的旋转电容滤波基本电路如图5所示,S1aS1bS2aS2b2是两组同步开关,RC积分电路中的电阻R移到同步开关外面。这样当S1aS1bS2aS2b都断开时,输人信号不对电容充电,相当于信号乘以0后在电容上积分,此时电容只进行电位保持。在信号正半周,S1aS1b闭合时,信号对电容由上向下充电,相当于信号乘以+1后在电容上积分;在负半周,S2aS2b闭合时信号对电容充电方向仍由上向下,相当于信号乘以1后在电容上积分。滤波电路的积分时间仍由RC决定。经过一段时间积分,当测量时间t>=RC,电容两端的电压将反映出流速的大小。在实际电路设计中,积分时间常数RC取值为0.15s,在保证一定的响应速度下,有较强的抗干扰能力。

 

 

3.样机设计

基于以上分析,结合有关文献,设计并试制了台原理样机,整体结构框图如图6所示,主要包括励磁电略、传感器、信号处理模块、单片机和CPLD等模块。CPLD在单片机控制下为各模块提供同步控制时序。励磁电路在 CPLD控制下产生200Hz的矩形波激励磁场,当流体切割磁场时,在传感器中产生感应电势。信号处理模块取出感应信号,进行互相关处理并放大后,将流量信号送入单片机。


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