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  帶阻濾波電磁流量計信號處理
  發布時間:2018-06-19

摘 要:提出采用帶阻濾波的信號處理方法,處理低頻矩形波勵磁下由傳感器輸出的信號,有效抑製工頻幹擾。用MATLAB對算法進行仿真,驗證算法可行性。選取MSP430芯片,研製出信號處理係統,進行水流量的標準表標定實驗。結果表明,係統測量精度優於0.4%,達到了工業測量標準。
0 引言
  電磁流量計原理為法拉第電磁感應定律,主要由流量常感器和變送器組成。電磁流量計有許多良好性能,如結構簡單、較強的耐腐蝕性、較高的穩定性、較高的精度等,在給供水、鋼鐵、石油、煤炭、化工、醫療、航海、農業灌溉等領域有著廣泛應用[1]。流量傳感器的主要作用是當流經導管內的導電液體做切割磁感線運動時,會產生電動勢,將導電液體的體積流量轉換成需要的電信號,再傳送給變送器作進一步處理。變送器主要由勵磁電路、濾波電路、前置放大調整電路、采樣電路、電流信號輸出電路及脈衝信號輸出電路組成。
  電磁流量技術的發展主要體現在勵磁方案改進和信號處理算法優化方麵。電磁流量計的勵磁方案直接決定了其抗幹擾性能和零點的穩定性。信號處理的重點是幹擾噪聲去除,其中主要的幹擾是工頻幹擾、同相幹擾、正交幹擾、極化現象、白噪聲幹擾和零點偏移。采用直流勵磁方案,將不會產生渦流效應,並且有著較小的正交幹擾和同相幹擾;采用正弦波勵磁方案,可以很好地控製極化現象產生,並有著良好的抗噪能力;采用低頻矩形波勵磁方案,兼顧直流勵磁和正弦波勵磁的優點,因此應用廣泛。
  本文采取低頻矩形波勵磁方案。可導電的流體切割磁感線,從而在電極上會有電動勢產生,但是電壓十分弱,流量傳感器的輸出信號會受工頻幹擾,帶來較低的信噪比,特別是在導電液體流速較低的情形下,有效的流量信號可能完全被噪聲信號覆蓋。本文在采取低頻矩形波勵磁條件下,在現有信號處理方法的基礎上,采取巴特沃斯帶阻濾波信號處理方法,可以有效消除50HZ的工頻幹擾[2],以此來提高流量傳感器輸出信號的信噪比,並在MSP430上實現,可有效處理水流量信號。通過標準表標定實驗,擁有較為理想的測量精度和重複性。
1 帶阻濾波方法
1.1 算法原理及推導
  流量傳感器的輸出信號和被測導電液體的流速之間存在一定的線性關係。在理想條件下,采用低頻矩形波勵磁方式時,從流量傳感器輸出信號,頻率和勵磁電流相同,並且輸出信號的幅值和導電液體的流速之間成比例關係。但是,實際中,流量傳感器的輸出信號會受到多種噪聲的幹擾,經常會摻雜著如微分幹擾、串共模幹擾、同相幹擾等幹擾,使流量信號和噪聲不能很好分離,可用方程(1)表示[3]:

  式中,BDV是模擬流量信號。通過對流量傳感器輸出信號進行分析,可以發現輸出信號有著較寬的頻率範圍,所以采用常規的低通濾波很難將噪聲去除。針對流量傳感器輸出信號的特點,利用現有的模擬濾波器設計公式,實現巴特沃斯帶阻濾波器的設計,其係統傳遞函數可以表示為:

  因此,設計巴特沃斯帶阻濾波器的實質就是要明確帶寬,並確定階數N,在MATLAB中完成濾波器的設計,並找出係數B、a,使其滿足預設的技術要求。
1.2 濾波器實現
  電磁流量計的頻率輸出範圍由實際應用場景決定,本文假設其範圍0~100HZ。依據奈奎斯特抽樣定理,為了無失真地恢複出采樣信號,取樣頻率為采樣頻率的2倍,即200HZ。為了去除50HZ工頻幹擾,選取49HZ的下限截止頻率;選取51HZ的上限截止頻率;折疊頻率為采樣頻率的1/2,取M=100;對通帶頻率作歸一化處理,取Wp

  衰減取值3dB,即p=3;阻帶頻率取值20dB,即s=20;確定階數N和截止頻率WC,[NWC]=buttord(WP,WS,P,s);最後確定巴特沃斯帶阻濾波器,[H]=butter(N,WC,'stopl');通過MATLAB,設計出巴特沃斯帶阻濾波器[6],再繪製巴特沃斯帶阻濾波器的幅頻響應曲線和相頻響應曲線,如圖1所示:

2 MATLAB仿真
  為了驗證信號處理算法的可行性,需在MATLAB中模擬工業現場下的傳感器輸出信號。因為從流量傳感器獲取的電壓信號十分弱,尤其在導電液體流速較小的情形下,有用信號可能會淹沒在各種噪聲中。所以在MAT-LAB仿真時,要參考實際環境下輸出信號,模擬的傳感器輸出信號,要摻雜著工頻幹擾、同相幹擾、白噪聲等幹擾。在導電液體的流速小於1m/s情形下,流量傳感器能獲取到的電壓小於10mV。本文采用取低頻矩形波勵磁的勵磁方案,選取50HZ工頻的1/8作勵磁頻率,即6.25HZ。因此,本文模擬輸出信號:

  式(3)中,等號右邊的各項依次表示所需的流量信號、工頻幹擾、零漂、白噪聲。產生的信號如圖2所示。
通過MATLAB,對模擬的傳感器輸出信號進行巴特沃斯帶阻濾波,從圖3中可以看出噪聲在一定程度上被消除,具體哪種噪聲被去除,可以通過對信號作傅裏葉變換,得到相應的頻譜。使用巴特沃斯帶阻濾波器濾波前後的對比結果如圖3所示。
電磁流量計傳感器輸出信號模擬圖
電磁流量計濾波前後的波形對比圖
  分別對上一步濾波前後的信號進行FFT變換,得到頻譜圖,這一步是通過MATLAB實現的,濾波前後的頻譜對比如圖4所示。
  通過MATLAB,對信號處理算法進行仿真,分別對濾波前後的波形圖、頻譜圖進行對比,發現此濾波方法可以有效濾除50HZ工頻幹擾,驗證了所設計的濾波方法的可行性。
3 基於MSP430的算法實現
3.1 係統硬件介紹
  基於TI公司的MSP430芯片,研製了電磁流量計的變送器,此芯片是16位超低功耗混合型微處理器[7],並且具有豐富的外設,方便係統功能擴展。硬件原理如圖5所示,由前置放大調理電路、勵磁電路、電流信號輸出電路、脈衝信號輸出電路、LCD顯示、鍵盤、RS232模塊、開關電源構成。前置放大調理電路主要完成對電極信號的放大、V/F轉換等功能,電流輸出模塊實現4~20mA電流輸出,脈衝輸出模塊實現脈衝量的輸出,LCD和按鍵用於配置和顯示流量相關參數,RS232用於通訊,開關電源用於給係統提供直流電壓。
電磁流量計濾波前後的頻譜對不圖
電磁流量計係統硬件圖
3.2 係統軟件設計
  本係統軟件設計模塊化的,都是由主監控程序調用分配。軟件部分主要包括:初始化模塊、通信模塊、Watchdog模塊、信號處理模塊、驅動模塊等。總體框架如圖6所示。
電磁流量計係統軟件圖
  通過MSP430控製驅動模塊產生勵磁電流,以此激勵流量傳感器的勵磁線圈,從而將導電液體的流量信號轉換為微弱的電動勢,再對其進行放大調理、整流濾波和偏置調整,最後送到AD652進行V/F采樣[8]。在本文設計的電磁流量計中,采用帶阻濾波的方法對信號進行實時處理,得到流量信號的幅值,再結合儀表的相應參數,將幅值轉換成需要的流量信號,再通過Modbus將流量信息傳送至上位機。
3.3 實驗結果
  通過水流量標定實驗驗證帶阻濾波算法的可行性。標定方法有標準表標定法和稱重標定法,本文采取標準表標定法,將被測表的測量結果和標準表的測量結果進行比較,實驗在上海自動化儀表有限公司進行。將本文研製的轉換器與自儀公司150mm口徑的流量傳感器相連接,每一組的標定時間為200s,結合相關的參數,計算出係統的測量精度和重複性,實驗結果如表1所示。

  從上述實驗結果可知,在頻率是6.25HZ的矩形波勵磁下,在流量範圍是20~200m3/h的條件下,得到電磁流量計的測量精度高於0.4%,達到了工業測量要求。
4 結語
  本文主要針對電磁流量計的50HZ工頻幹擾,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工頻幹擾有效地濾除,研製出基於MSP430的低頻矩形波勵磁的轉換器,並設計了軟件係統,可以實時處理信號。
  為了驗證濾波算法的可行性,並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,本文設計係統的測量精度高於0.4%,好於普通電磁流量計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。

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