基于諧波分析的電磁流量計信號處理方法研究

許瑞祥 李芬 翟恒濤 肖遠歡 唐法偉

摘 要 傳統電磁流量計在消除微分干擾時大多數采用在硬件電路上消除或者避開微分干擾時段進行采樣，很少研究影響干擾的原因?；谡鎸嶋姌O情況，建立電極回路測量模型并基于模型進行電極信號仿真，研究了傳感器參數和電極參數變化對微分干擾的影響。結果表明，當參數取值不同時尖峰干擾也不相同，從而為研究和消除干擾減小測量誤差提供理論依據。

關鍵詞 電磁流量計;處理方法;理論依據

引言

電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律的流量儀表，主要由傳感器和變送器組成，傳感器將待測流體轉換成電信號，變送器對電信號進行一系列的處理轉換成實際對應的流量。理想情況下電極上感應出的電勢與流體流速成正比，但在實際中電極信號摻雜許多干擾信號，主要的干擾為微分干擾、同向干擾、工頻干擾、共模干擾、串模干擾、漿液干擾和極化干擾等。為確保流量計測量準確性須對干擾進行抑制，如采用交流勵磁克服極化干擾、高共模抑制比差分放大器克服共模干擾、勵磁頻率為工頻整數倍克服工頻干擾、良好接地技術和靜電屏蔽克服串模干擾、漿液噪聲符合1/f特性可通過提高勵磁頻率加以克服。經上述信號處理方法之后電極上主要的干擾為微分干擾。當采用交流勵磁時，由于存在勵磁線圈等效電感，勵磁切換過程中勵磁電流存在漸變過程，在這一過程中磁感應強度處于非穩定狀態，變化的磁場穿過由被測流體、測量電極、電極引出線和變送器共同組成的閉合回路，實際中該回路不可能與磁力線保持平行，此時勵磁線圈相當于變壓器的初級線圈，閉合回路等價于只有一匝的次級線圈且回路大小可等效為回路電感。根據“變壓器效應”會產生一個尖峰即微分干擾疊加在電極上，影響流量的測量。

1數據采集分析

1.1 現場實驗

針對電磁流量計測量水煤漿時出現較大波動，甚至回零這一問題，特去某煤化工企業甲醇分公司進行現場數據采集。該公司所使用的對置式四噴嘴氣化爐有4個噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩定在19m3/h（流速約為0.48m/s）。每條噴嘴煤漿線上安裝了3臺電磁流量計，每臺電磁流量計由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1臺電磁流量計進行數據采集，因為該臺電磁流量計測量結果波動大，甚至出現回零的現象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號線和勵磁線接到該電磁流量傳感器的電極和勵磁線圈上，組合成完整的電磁流量計，進行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控制系統和信號采集處理系統，具體的模塊有勵磁驅動模塊、信號調理采集模塊、信號處理控制模塊、人機接口模塊、通信模塊及電源管理模塊。信號調理采集模塊中的調理電路對一次儀表輸出的信號進行放大和濾波，截止頻率是2kHz，放大倍數約為230倍。通過NI公司USB-6216型號的數據采集卡進行數據采集，把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一個差分輸入端，并設置數據采集卡工作在差分的測量模式，設置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號數據，每組數據的時間長度為5min。

1.2 數據分析

現場采集了25Hz方波勵磁下的水煤漿信號，發現水煤漿信號的幅值非常大，甚至接近AD的量程上限。水煤漿信號主要由感應電動勢信號和電極噪聲組成。其中，感應電動勢信號是由導電液體切割磁場產生的，其幅值和相同流量下介質為水的感應電動勢幅值相同，僅約為數十毫伏。這是因為電磁流量計不受被測導電介質的溫度、黏度、密度以及導電率的影響，只要經過水標定后，就可以用來測量其他導電液體的流量。電極噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電極而引起的信號跳變，也稱為漿液噪聲，具有強非平穩性、隨機性，頻域具有近似1/f的特性。水煤漿信號中的漿液噪聲幅值非常大，峰值可達數伏，遠遠高于與流量相關的感應電動勢信號。這給流量信號的提取造成了極大的困難[1]。

2基于MATLAB的電極信號仿真

2.1 仿真模型

本文基于Matlab中Siumlink對電極信號進行仿真，勵磁方式為三值波勵磁，勵磁頻率f=25Hz，傳感器參數D=40mm、Rx=88.8Ω、Lx=162mH，勵磁系統參數Ue=100V、穩態電流I0=200mA。由公式（1），在固定流速下感應電勢與勵磁電流成正比，通過增加Gain1模塊得到感應電勢信號。對勵磁電流進行求導即經模塊Derivative得到微分噪聲，其中Gain值與Lx和L1相關。感應電勢與噪聲經Add1疊加之后得到電極信號E1（t）。scope觀察輸出信號波形。將傳感器參數代入到勵磁電流穩態調節時間公式中，得電流上升時間為360μs，測得實際上升時間為390μs，兩者相差不大，驗證了仿真模型的正確性。

2.2 仿真實驗

仿真試驗中，設定線圈等效電感取值范圍為162～212mH，間隔10mH;閉合回路等效電感范圍0.2～1mH，間隔為0.2mH;雙電層電容、接觸電阻隨流體電導率變化而變化，電導率增大接觸電阻和雙電層電容減小而電荷傳遞電阻增大。可設定電極接觸電阻、雙電層電容和電荷傳遞電阻范圍分別為5～15kΩ、10～20μF和50～60Ω，由公式（7）知，可用T2表示上述三者關系。仿真參數取值不同情況下，通過MATLAB工具箱對仿真測量得到的干擾峰值進行曲線擬合畫出相應的曲線圖[2]。

3結束語

本文主要針對電磁流量計的50Hz工頻干擾，提出采用巴特沃斯帶阻濾波的信號處理方法，運用MATLAB實現巴特沃斯帶阻濾波器的設計。通過MATLAB仿真，驗證了本濾波方法的可行性，將50Hz工頻干擾有效地濾除，研制出基于MSP430的低頻矩形波勵磁的轉換器，并設計了軟件系統，可以實時處理信號。為了驗證濾波算法的可行性，并測試電磁流量計的測量精度，采用標準表標定法進行了水流量標定實驗。實驗結果表明，本文設計系統的測量精度高于0.4%，好于普通電磁流量計0.5%的測量精度，達到了工業測量的標準，表明本文的研究方法可行。

參考文獻

[1] 蔡武昌，馬中元，瞿國芳，等.電磁流量計[M].北京：中國石化出版社，2004：73.

[2] 秦龍.MSP430單片機應用系統開發典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005：33-36.