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基于電磁流量計(jì)的電極干擾信號(hào)仿真研究
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發(fā)布時(shí)間：2019-05-01 08:00:00
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摘要：傳統(tǒng)電磁流量計(jì)在消除微分干擾時(shí)大多數(shù)采用在硬件電路上消除或者避開(kāi)微分干擾時(shí)段進(jìn)行采樣，很少研究影響干擾的原因。基于真實(shí)電極情況，建立電極回路測(cè)量模型并基于模型進(jìn)行電極信號(hào)仿真，研究了傳感器參數(shù)和電極參數(shù)變化對(duì)微分干擾的影響。 結(jié)果表明，當(dāng)參數(shù)取值不同時(shí)尖峰干擾也不相同，從而為研究和消除干擾減小測(cè)量誤差提供理論依據(jù)。
電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的流量?jī)x表， 主要由傳感器和變送器組成，傳感器將待測(cè)流體轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，變送器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行一系列的處理轉(zhuǎn)換成實(shí)際對(duì)應(yīng)的流量。 理想情況下電極上感應(yīng)出的電勢(shì)與流體流速成正比， 但在實(shí)際中電極信號(hào)摻雜許多干擾信號(hào)，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(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性須對(duì)干擾進(jìn)行抑制， 如采用交流勵(lì)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(lì)磁頻率為工頻整數(shù)倍克服工頻干擾、良好接地技術(shù)和靜電屏蔽克服串模干擾、漿液噪聲符合 1 ／ f 特性可通過(guò)提高勵(lì)磁頻率加以克服。
經(jīng)上述信號(hào)處理方法之后電極上主要的干擾為微分干擾。 當(dāng)采用交流勵(lì)磁時(shí)，由于存在勵(lì)磁線圈等效電感，勵(lì)磁切換過(guò)程中勵(lì)磁電流存在漸變過(guò)程，在這一過(guò)程中磁感應(yīng)強(qiáng)度處于非穩(wěn)定狀態(tài)，變化的磁場(chǎng)穿過(guò)由被測(cè)流體、測(cè)量電極、電極引出線和變送器共同組成的閉合回路， 實(shí)際中該回路不可能與磁力線保持平行，此時(shí)勵(lì)磁線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈，閉合回路等價(jià)于只有一匝的次級(jí)線圈且回路大小可等效為回路電感。 根據(jù)“變壓器效應(yīng)”會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰即微分干擾疊加在電極上，影響流量的測(cè)量。
1 微分干擾相關(guān)研究
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)微分噪聲消除做了大量研究，周真等［1］提出建立電極間信號(hào)數(shù)學(xué)模型的方法，成功分離交流微分干擾信號(hào)和直流流量信號(hào)，分離后的干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器濾除；何小克［2］
提出數(shù)模混合最優(yōu)相關(guān)濾波法，方波勵(lì)磁時(shí)微分信號(hào)和參考信號(hào)相乘后通過(guò)低通濾波器，其值為零消除干擾，正弦波勵(lì)磁時(shí)干擾信號(hào)與流量信號(hào)相位相差 90°互相關(guān)函數(shù)為零特性消除干擾，但文中并未考慮參考信號(hào)帶來(lái)的誤差影響，需要額外引入補(bǔ)償裝置修正誤差；付振江［3］利用相敏解調(diào)技術(shù)，施加與流量信號(hào)基波同頻的解調(diào)方波控制信號(hào)使解調(diào)后的干擾波形面積大小相等方向相反平均值為零；李飛［4］采用變送器調(diào)零法，調(diào)整電位器的中心觸點(diǎn)找到一個(gè)平衡點(diǎn)使兩個(gè)回路電流抵消消除干擾；周美蘭等［5］
提出在硬件電路上加入模擬開(kāi)關(guān)， 干擾尖峰到來(lái)時(shí)斷開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)避免干擾進(jìn)入后級(jí)電路，尖峰過(guò)去重新打開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)；K．Saito 等［6］提出漂移校正法，先以高勵(lì)磁頻率進(jìn)行勵(lì)磁，在勵(lì)磁過(guò)程中插入低勵(lì)磁頻率提取用于漂移校正的非固定微分噪聲分量，但在插入的低勵(lì)磁頻率段漿液噪聲較大且很難將漿液噪聲與流量信號(hào)分離，此時(shí)的校正因子非單純的非固定噪聲分量，改進(jìn)措施是長(zhǎng)時(shí)間取平均值得到穩(wěn)定因子。 傳統(tǒng)方法是同步采樣保持法，即在磁場(chǎng)穩(wěn)定階段采樣。 其他消除干擾的方法有設(shè)置干擾補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、控制勵(lì)磁電流變化率減小干擾幅值、矩形波代替梯形波、希爾伯特黃變換結(jié)合傅里葉變換和程控增益技術(shù)等。經(jīng)上述對(duì)現(xiàn)有的文獻(xiàn)分析與總結(jié)可知， 當(dāng)前消除微分噪聲主要從信號(hào)處理方面入手，并未對(duì)影響噪聲的因素加以研究。 本文建立電極測(cè)量回路等效模型，給出仿真模型搭建、參數(shù)取值和仿真結(jié)果分析。
2 電極測(cè)量回路模型建立
2．1 測(cè)量回路等效模型
測(cè)量電極與流體介質(zhì)接觸時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)［7］在電極－溶液界面形成阻抗，通常由法拉第阻抗與雙電層電容并聯(lián)組成。 法拉第過(guò)程分為電荷傳遞過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程，相應(yīng)的法拉第阻抗由電荷 傳 遞 電 阻 與 擴(kuò) 散 阻抗串聯(lián)組成。一般電磁流 量 計(jì) 的 勵(lì) 磁 頻 率 大于 1Hz，而擴(kuò)散阻抗發(fā)生在更低頻率內(nèi)，不考慮擴(kuò)散過(guò)程，電極等效阻 抗 為 電 荷 傳 遞 電 阻與雙電層電容并聯(lián)后再與電極接觸電阻串聯(lián)。 基于電極阻抗建立的電極等效測(cè)量回路如圖 1 所示。圖中：Rs1 和 Rs2 為電荷傳遞電阻；C1 和 C2 為雙電層電容；Rt為兩個(gè)測(cè)量電極間的接觸電阻滿足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵(lì)磁線圈等效電感；L1 為閉合回路等效電感；R1 和 R2 為放大器輸入電阻；P1和 P2 為由“變壓器效應(yīng)”疊加在測(cè)量電極上的微分干擾；U1 為流體切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)；Ue 為勵(lì)磁電壓。 假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度由勵(lì)磁電流決定且成正比關(guān)系即 B＝aI，忽略串模等干擾則電極間電壓為感應(yīng)電勢(shì)與微分干擾的疊加，基本方程如下：
2．2 參數(shù)取值
電極上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在沒(méi)有經(jīng)過(guò)放大之前一般很小， 取值在幾毫伏到幾百毫伏之內(nèi)，本次仿真中流速感應(yīng)電勢(shì)取 10mV。放大器的輸入電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)阻，文獻(xiàn)［8］中給出電荷傳遞電阻為 Rs＝50Ω。 電極接觸電阻與溶液電導(dǎo)率有關(guān)一般取 Rt＝15kΩ。雙電 層 電 容 C1＝20μF。 將各參數(shù)值代入到式（7）中，可得 k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情況兩個(gè)電極參數(shù)取值相等， 實(shí)際中兩者會(huì)存在差異對(duì)于電極 B 可 取 K1＝0．997，T1＝9．75×10－4，T2＝9．74×10－4。
3 基于 MATLAB 的電極信號(hào)仿真
3．1 仿真模型
本文基于 Matlab 中 Siumlink 對(duì)電極信號(hào)進(jìn)行仿真，勵(lì)磁方式為三值波勵(lì)磁，勵(lì)磁頻率 f＝25Hz，傳感器參數(shù) D＝40mm、Rx＝
88．8Ω、Lx＝162mH，勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù) Ue＝100V、穩(wěn)態(tài)電流 I0＝200mA。基于電極測(cè)量回路搭建的仿真模型如圖 2 所示，圖中信號(hào)模塊 pulsGenerator 通過(guò)加法器、乘法器得到勵(lì)磁電流。由公式（1），在固定流速下感應(yīng)電勢(shì)與勵(lì)磁電流成正比，通過(guò)增加 Gain1 模塊得到感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)。 對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行求導(dǎo)即經(jīng)模塊 Derivative 得到微分噪聲， 其中 Gain 值與 Lx 和 L1 相關(guān)。 感應(yīng)電勢(shì)與噪聲經(jīng)Add1 疊加之后得到電極信號(hào) E1（t）。 scope 觀察輸出信號(hào)波形。仿真波形和真實(shí)波形如圖 3 所示。 將傳感器參數(shù)代入到勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間［9］公式中，得電流上升時(shí)間為 360μs，測(cè)得實(shí)際上升時(shí)間為 390μs，兩者相差不大，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。
3．2 仿真實(shí)驗(yàn)
仿真試驗(yàn)中，設(shè)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(dǎo)率變化而變化，電導(dǎo)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(shè)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(guān)系。 仿真參數(shù)取值不同情況下，通過(guò) MATLAB 工具箱對(duì)仿真測(cè)量得到的干擾峰值進(jìn)行曲線擬合畫出相應(yīng)的曲線圖。 其中仿真數(shù)據(jù)和相對(duì)應(yīng)的曲線方程如表 1～表 4 所示，曲線圖如圖 4～圖 6。
3．3 仿真結(jié)果分析
圖 4 為改變勵(lì)磁線圈等效電感其它值保持不變時(shí)測(cè)得的干擾結(jié)果，可以看出，當(dāng)線圈等效電感取值不同時(shí)，干擾峰值存在變化，電感越大線圈中電流上升（下降）時(shí)間越長(zhǎng)，微分干擾越大。圖 5 為改變測(cè)量回路等效電感即等價(jià)于改變交變磁力線穿過(guò)測(cè)量回路等效面積時(shí)測(cè)得的干擾結(jié)果， 隨著值增大干擾呈逐漸增大的趨勢(shì)。 因此要避免電極走線偏離，盡量保持回路與磁力線平行以減小干擾。
圖 6 為電極等效阻抗值變化時(shí)測(cè)得的干擾結(jié)果， 當(dāng)溶液電導(dǎo)率改變時(shí)電極等效阻抗值變化， 同樣會(huì)對(duì)微分噪聲產(chǎn)生較大影響。 電導(dǎo)率越大干擾峰值越小。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文運(yùn)用 MATLAB 仿真軟件對(duì)電磁流量計(jì)電極信號(hào)進(jìn)行建模仿真，通過(guò)該模型分析勵(lì)磁線圈等效電感、閉合回路和電極等效阻抗取值變化情況下微分干擾變化， 得到影響微分干擾原因， 從而為后續(xù)研究及消除干擾得到真實(shí)流量信號(hào)減小測(cè)量誤差提供理論依據(jù)。
