dn500自來水流量計的抗幹擾措施及其效果分析
點擊（jī）次數：1970 發布時間：2021-09-01 08:55:38
摘要：為了抑製和排除dn500自來水流量計測量過程中的幹擾，提高信噪比，提高測量的精確度和穩定性（xìng），討論（lùn）了dn500自來水流量計幾類幹擾噪聲產生的物理機理和特征，簡要闡述了dn500自來水流量計的（de）幾種硬件和軟（ruǎn）件方麵的抗幹擾技術。硬（yìng）件方麵設計（jì）了高精度低功耗的矩形波激磁電路，並從激（jī）磁電路中引出A/D轉換器的參考（kǎo）電壓，提高了A/ D轉換結果（guǒ）的抗幹擾能（néng）力。軟件方麵主要采用“計算斜率法（fǎ）”和“正負差值法”相結合的方法消除零點（diǎn）漂移。實驗表明，這些方法在智能dn500自來水流量計的測（cè）量過程中取得了（le）明顯的效果。
dn500自來水流量（liàng）計是利用法拉*電磁感應（yīng）定律來測量導電液體的體積流量的儀表，具有很多突出（chū）的優點，例如：無（wú）可動部件，不會產生壓力損失和（hé）堵塞管道；測量導電介質的流（liú）量，不受溫度、黏度、密（mì）度、壓力、雷諾數以及在（zài）一定（dìng）範圍內電導率變化（huà）的影響；測量原理（lǐ）為（wéi）線性，精度高，測量範圍大；耐腐蝕性好並且可測（cè）量正反（fǎn）流速等等。但（dàn）在實際測量中，幹（gàn）擾信號與有用的信號混在一起，它們不僅成分複雜，而且有（yǒu）時候幹（gàn）擾信號（hào）還會比流量信號（hào）大。在這種情況下怎樣抑製和排除這些幹擾，提高信噪比，提高（gāo）測量的精確度和穩定性就成了研製和使（shǐ）用dn500自來水流量計的一個技術關鍵。
以往的dn500自來水流量計的設計很多還有待改進，例如：激磁電路基本采用模擬式恒流源，功耗大的同時也引入了幹擾，並且精確度不（bú）高；轉換（huàn）器大多使用8位或16位的單片機（jī），較為複雜的算法就難以實現或響應時間過慢（màn）；抗幹擾主要集中在硬（yìng）件電路的設計等。本係（xì）統采用（yòng）32位ARM處理器，提高數據處理能力和（hé）算法複雜度（dù）；並設計了低功（gōng）耗的激磁電路，同時利用反（fǎn）饋原理消除（chú）激勵電流不穩定對A/D轉換結果的影響並在軟件算法和硬件電路方麵提出了有效的消除零點漂移以及其他幹擾的措施，使dn500自來水流量計測量精度更為提高。
其中，B為磁感應強度（dù），A為磁通量變化麵積，D為導體（tǐ）長度，dl為被測介質運動的距離，v為被測介質運動的速度，U為感應電動勢。
所測液（yè）體的體積流（liú）量為：
式（1）說明（míng），導體在磁場內作切割磁（cí）力線運動，導（dǎo）體兩端產生的感應電動勢的大（dà）小與磁感應（yīng）強度B成正比，與導體的長（zhǎng）度D成正比，與導體運動的速度v成正比。由式（2）可知液體（tǐ）的體積流量與感應電（diàn）動勢成正比，這就是dn500自來（lái）水流量計的設計原理。
*先dn500自來水流量計工作（zuò）現場（chǎng）存在（zài）大量的工頻信號，耦合在激磁回路、電*、前端放（fàng）大器的（de）工頻幹擾噪（zào）聲（shēng）對流量（liàng）測量的準確性造成*大的（de）影（yǐng）響。其次，在低頻矩形（xíng）波（bō）激磁方式下，其幹擾主要表現為（wéi）由激磁（cí）電流突變產生的微分幹擾信號，隨著電流的穩（wěn）定，幹擾信號隨之消失；另外，由於（yú）電磁流量傳感器的“變壓器效應”，會產生相位（wèi）上與流量信號（hào）相差90°的正交幹擾信號；此外，由於電磁（cí）屏蔽缺陷，接地不良（liáng），雜（zá）散（sàn）電容等引起返回（huí）電流不平衡產生共模（mó）幹擾，它（tā）可能導致電路某些參考電位變化，是造成dn500自來水流量計零點漂移的原（yuán）因之一，同時產生高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化；串模幹擾（rǎo）是由於印刷電路板設計電（diàn）磁兼容性（xìng）考慮不足造成的信號質量下降（jiàng），特別是高速走線和模擬電（diàn）路易受到影響；還有就是電化（huà）學*化電動（dòng）勢幹擾，它是被測液體中電解質在感應電場作用下在電*表麵*化產生，是dn500自（zì）來水流量計零點漂移的主要（yào）原因。
該係統采用6.25Hz的雙*性低頻矩形波激（jī）磁，這種激磁（cí）方式不僅可以克服直流激磁產生的電**化效應，也可以克服工頻（pín）正弦波激磁產生的正交幹擾影響。
以往的激磁電路的設計都是采用恒流源和可控開（kāi）關電路組成。恒（héng）流源是由電壓基準、比較放大、控製調整（zhěng）和采樣等部分組成的直流負反饋自（zì）動調節係統，常用的激磁電路就是用串聯調整型（xíng）恒流電源（yuán）盒控製開關組成的（de），如圖1。其中Vref是參考電壓，Rs是采樣電阻，Is為流過Rs的電流，就是（shì）所需的恒流，RL為電磁流量傳感器線（xiàn）圈，K1、K2、K3、K4為可控開關，以達到使線（xiàn）圈RL中流經正負交換的電流，對傳感器激磁（cí）。
由理想運算（suàn）放大器“虛短”原理可知：
由此可知，要想（xiǎng）獲得一（yī）個穩定的輸出（chū）電流Is，*先，必須要提供一個高精度的基準（zhǔn）電壓和（hé）高精度采樣電阻。由於運放在調整控製過程中的作用（yòng），運（yùn）放（fàng）的增益直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運放是必要的選擇。由於采樣電阻與（yǔ）負載串連，流過的電流通常比較（jiào）大，因此局部（bù）溫度也會隨之上（shàng）升，導致元器件溫度上升，恒流源的溫度穩定性變壞，采樣電阻Rs隨溫度（dù）或（huò）其他環境參數的變化而改變，勢必影響Is的（de）精度。其次，恒流（liú）電源的輸出電流全部流（liú）過調整管，因此調整管上的功耗也很大，必須選擇大功率的晶體管，然（rán）而大功率晶體管需要較大的基*驅動電流，以滿足對運放有較高驅動能力的要求。再（zài）次（cì），雙*型三*管的（de）漏電流和電流放大係數對溫度比較敏感，溫度穩定性較差。還有，電壓電流變換器使用的負（fù）反饋閉環控製，電流穩定度與（yǔ）放大器放大倍數有直接關係，在大（dà）功率（lǜ）電源裏基本上是倒數關係。運放的溫（wēn）度漂移和（hé）失調對電路的精度和溫度穩定性有（yǒu）很大的影（yǐng）響。
為此，設計了一個新型的激磁電路，並將激勵電流反饋到A/D轉換器，以消除激（jī）勵電流（liú）不穩定對A/D轉（zhuǎn）換（huàn）結果的影響，如圖（tú）2。
其中+24V是由220V的交流（liú）電（diàn）通過（guò）變壓、整流、濾波之後，輸入可調集成穩（wěn）壓器LM317，通（tōng）過（guò）高精度的滑（huá）動變阻器調節而得到的恒（héng）壓源。LM317保證（zhèng）1.5A輸出電流，典型線性（xìng）調整率0.01%，典（diǎn）型負載調整率0.1%，80dB紋波抑製（zhì）比，輸出短路保（bǎo）護，過流、過熱保護，調整管安（ān）全工作區保護。係統的微控製器采用（yòng）ARM7芯片STR710，通過它的I/O端口控製圖2中的P2.8和P2.9，ARM7芯片STR710進行控製，使端口P2輸出正負24V交變的矩形波，從而對傳感器激磁。另外（wài），Vref（+）接該係統A/D轉換器的參考輸入端VREF（+）。
整個電路的工作（zuò）過程（chéng）為：當P2.9為高電平時，Q1、Q2、Q3、Q4導通，此時（shí）Q5的基*電流為零，Q5截止，此時P2的端口2輸出+24V的電壓。此時P2.8為低電平（píng），Q6、Q7、Q8、Q9，此時有電流流經Q10基*，並使其（qí）基*和發射級導通，Q10的（de）功能（néng）相（xiàng）當於一個二*管的作用，此時P1端口沒有電壓輸出。那麽，A/D轉換器的參考輸入端Vref（+）為：
其中，Vp2是P2端口輸出電壓幅值的絕對值，此處應該是+24V。整個電路是對稱的，且R15=R20，當P2.9為低電平，P2.8為高電平時，P2的端口2無電壓輸出，端口1輸出+24V的（de）電壓，Vref（+）值不變，如此周（zhōu）而複始輸出頻率為6.25Hz的的雙*性矩形波。用Multisim仿真（zhēn）結果如圖3所示。
此外，把Vref（+）作為（wéi）A/D轉換器（qì）的參考輸入，可以大大提高係統的溫度穩定性（xìng）。A/D轉換的結果可表示（shì）為：
其中，Vin為經放大、濾波處理過的電壓信號，也是A/D轉換器的輸入信號，Vout為傳感器輸出的原始流量信號，K0為（wéi）信號放大倍數。
由公式（1）可知：
通電螺線（xiàn）管線圈產（chǎn）生的磁場為：
其中，μ0為真空磁導率，N為傳（chuán）感器線圈匝（zā）數，I為流過線圈的電流，l為線圈的長度。
由圖（tú）2可知：
把式（7）、（8）、（9）帶入式（shì）（6）可得：
由式（11）、（12）可知在保證R21精度的前提下，A/D轉換的結果隻與液（yè）體的流速有關，不受電磁流量傳感（gǎn）器線圈電阻變化的影響。該電路通過MCU控製三*管的通斷得到激磁信號（hào），三*管的為電流控製元件，該電（diàn）路（lù）實現了小電流控製大電壓，三*管的功耗低，電路的響應速度快（kuài），溫度穩定（dìng）性好，抗幹擾（rǎo）能力強，對dn500自來水流量計（jì）整體精度的提高起到了決定性的作用。
3.2微（wēi）分幹擾和工頻幹擾的消（xiāo）除（chú）
信號中往往同時存在微（wēi）分（fèn）幹擾和工頻幹擾信號，在信（xìn）號處理電路中的低通濾波往（wǎng）往很（hěn）難將（jiāng）工頻幹擾完全濾出。本係統采用了同步采樣和工頻補償技術，以抑製流量信號電勢中混入工頻幹擾和工頻電源頻率波動產生工頻幹擾（rǎo），並有效去除微分幹（gàn）擾（rǎo）。同步采樣技術，采樣開（kāi）始時（shí）間滯後激磁信號1/4個周期，其采樣脈寬為工頻周期的偶數倍，消除（chú）微分幹擾的（de）同時使流（liú）量信號電勢中工頻幹擾（rǎo）平均值等於（yú）零（líng），以消除工頻幹擾的影響；工頻電源的頻率波動補償是保（bǎo）證頻率的動態波動（dòng）中，激（jī）磁電源和采樣脈衝得以同步調整，真正實現同步采樣技術和（hé）同步激磁技術，同步（bù）A/D轉換，降低了微分幹擾和工頻幹（gàn）擾的影響。
3.3零點漂（piāo）移消除
所謂零（líng）點漂移，就是當傳感器的輸入信號為零時，放大（dà）器（qì）的輸出並不是（shì）零。零點漂移的信（xìn）號（hào）會在各級（jí）放大（dà）的電路間傳遞，經過多級放大後，在輸出端成為較大的信（xìn）號，由（yóu）於傳感器輸（shū）出的有用（yòng）信號較弱，零點（diǎn）漂移就可能將有（yǒu）用（yòng）信號淹沒，使電路無法正常工（gōng）作。零點漂移可分為基線零點漂移和斜率零點漂移。對（duì）於零點漂移（yí）的抑製，該係統采用軟硬件相結合的措施。硬件電路方麵，采用三運放的差動電路輸入，實現對大內阻的微弱信號采集，並（bìng）有效抑製了共模信號的引入。一級放大電路之後采用隔直電容，濾除基線（xiàn）零點漂移，防（fáng）止直（zhí）流信號過大，超出A/D轉換的（de）輸入範圍。
有時硬件的（de）方法是不可能完全滿足係（xì）統的要求的，必須結合軟件的方法才能更好地（dì）達到係統（tǒng）的要求，也（yě）就是現在所說（shuō）的軟件即是虛擬硬件。結合硬件采用軟件的方法簡單易行，可以很好消除（chú）采集數據中的零點漂（piāo）移，並且其成本比用硬件的（de）方法（fǎ）低，改進軟件的（de）算法可以方便實現對係統的改進。對於該係統的零點漂移，采用“計算斜（xié）率法”和“正負差值法”相結合的方法可以很（hěn）有效地消除（chú）基線零點漂移和斜率零點漂移對dn500自來水流量計精度的影響。
圖4為經過信（xìn）號處理和（hé）同（tóng）步采樣（yàng）後的信號，同時存在（zài）基（jī）線零點漂移（yí）和斜率零點漂移。斜率零點漂移則多見於積分係統，隨著時間的推移，積分器的零點可能會出（chū）現**間累加漂移。此外，外界的環境溫（wēn）度的變化也是斜率（lǜ）零點漂移產生的重要原因。
鑒於斜率零點（diǎn）漂移產生的（de）機理，可以在標定的時候確定零點漂移的斜率K。也就是在管道液體靜止不動流量（liàng）為零的時候對輸出信（xìn）號進行（háng）采樣，設（shè）從時間t1進行（háng）采樣，采樣曆時Δt，經過一段時間後（hòu）又從t2開始采樣，曆時Δt後采樣結束。分別得到兩組離散的信號x1到xn和x1到xn，分別除去*大值（zhí）、*小值後對剩下（n-2）個值進行平均（jun1），得：
那麽斜率零點漂移的斜率為（wéi）：
對於基線零點漂移，“正負差值法”是比（bǐ）較有效便捷的選擇，它不需要直接消除信號中的基線零點（diǎn）漂移，而是通過算（suàn）法上去掉基線零點漂移對測（cè）量結果的影響。該係統中，激磁信號的頻率為6.25Hz，由於所（suǒ）測量（liàng）的液體流（liú）速不會有明顯的突變，所以在信號的一個周期0.16s內，可以采用一個波峰減去波穀的（de）均值來表示此時（shí）的流量信號，也即如圖3中|y4-y1|其中y4是從nT+T/4到nT+T/2采樣結果（guǒ）的算術平均值，y1是從到（n+1）T進行采樣結果（guǒ）的算術平均值。但是（shì）由於斜率零點漂移（yí）的存在，會出現如圖3中|y3-y2|的誤差，所以需要利用式（15）的結果對該誤差進行修正，修正後的結果也就是此時管道中液體感應出的電動勢為（wéi）：
對（duì）於式（16）結果，去除了工（gōng）頻幹（gàn）擾、微（wēi）分幹擾、零點漂移的影（yǐng）響，大大提高了（le）dn500自來（lái）水流量計的測量（liàng）精度。
3.4其他去除（chú）幹擾的措施
對於由電磁（cí）流量傳（chuán）感（gǎn）器的“變壓器效應”所產生的正交幹擾，采用“變送器調零法”來消除，這個方法既方便又實用。
軟（ruǎn）件設計方（fāng）麵，采用了數字濾波技術，它能完成模擬濾波不能（néng）完成的功能，很容易剔出脈衝幹擾，消除（chú）數字電路毛刺，提高A/D轉換的抗（kàng）工頻幹擾能力以及輸（shū）入微處理器數（shù）字的可（kě）靠性（xìng）。此（cǐ）外，還采用了（le）掉電保護技術，軟件指令冗餘措施，軟件陷阱抗（kàng）幹擾方法以及看門狗技術，這些措施的采用有效地（dì）排除了智能dn500自來水流量計微處理器失控（kòng）。
在PCB電路板（bǎn）製作上（shàng），采用數字地與模擬地分開走線並加粗（cū），*後用0歐電（diàn）阻（zǔ）單點相連。數字電源與模擬電源也分開供電，合理加裝了（le）去藕電容（róng），並協調好不同類型IC的點評匹配（pèi）。數字（zì）信號和模（mó）擬信號分開走線，有效（xiào）防（fáng）止了並行走（zǒu）線產生寄生電（diàn）容和共生電容。選擇高性能的抗幹擾芯片，這是抗幹擾技術重要環節。
在（zài）dn500自來水流量計的安裝（zhuāng）方麵，使傳感器的外殼應接地，並且將流量調節閥門放在流量計的下遊，垂直安裝（若水平安（ān）裝的流量計應保證上遊（yóu）10倍（bèi）直徑，下遊5倍直徑的直管段），這樣達到整流的目的，從而減小了流速分布不均對測量精度的影響（xiǎng）。減短信號傳送電（diàn）纜，否則由電纜（lǎn）分布電容引起的負載效應就會增大測量誤差，也增加了信號受到幹擾的可能（néng）。
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以往的dn500自來水流量計的設計很多還有待改進，例如：激磁電路基本采用模擬式恒流源，功耗大的同時也引入了幹擾，並且精確度不（bú）高；轉換（huàn）器大多使用8位或16位的單片機（jī），較為複雜的算法就難以實現或響應時間過慢（màn）；抗幹擾主要集中在硬（yìng）件電路的設計等。本係（xì）統采用（yòng）32位ARM處理器，提高數據處理能力和（hé）算法複雜度（dù）；並設計了低功（gōng）耗的激磁電路，同時利用反（fǎn）饋原理消除（chú）激勵電流不穩定對A/D轉換結果的影響並在軟件算法和硬件電路方麵提出了有效的消除零點漂移以及其他幹擾的措施，使dn500自來水流量計測量精度更為提高。
- dn500自來水流量計的測量原理
其中，B為磁感應強度（dù），A為磁通量變化麵積，D為導體（tǐ）長度，dl為被測介質運動的距離，v為被測介質運動的速度，U為感應電動勢。
所測液（yè）體的體積流（liú）量為：
式（1）說明（míng），導體在磁場內作切割磁（cí）力線運動，導（dǎo）體兩端產生的感應電動勢的大（dà）小與磁感應（yīng）強度B成正比，與導體的長（zhǎng）度D成正比，與導體運動的速度v成正比。由式（2）可知液體（tǐ）的體積流量與感應電（diàn）動勢成正比，這就是dn500自來（lái）水流量計的設計原理。
- dn500自（zì）來水流量計（jì）中的幹擾源分析
*先dn500自來水流量計工作（zuò）現場（chǎng）存在（zài）大量的工頻信號，耦合在激磁回路、電*、前端放（fàng）大器的（de）工頻幹擾噪（zào）聲（shēng）對流量（liàng）測量的準確性造成*大的（de）影（yǐng）響。其次，在低頻矩形（xíng）波（bō）激磁方式下，其幹擾主要表現為（wéi）由激磁（cí）電流突變產生的微分幹擾信號，隨著電流的穩（wěn）定，幹擾信號隨之消失；另外，由於（yú）電磁流量傳感器的“變壓器效應”，會產生相位（wèi）上與流量信號（hào）相差90°的正交幹擾信號；此外，由於電磁（cí）屏蔽缺陷，接地不良（liáng），雜（zá）散（sàn）電容等引起返回（huí）電流不平衡產生共模（mó）幹擾，它（tā）可能導致電路某些參考電位變化，是造成dn500自來水流量計零點漂移的原（yuán）因之一，同時產生高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化；串模幹擾（rǎo）是由於印刷電路板設計電（diàn）磁兼容性（xìng）考慮不足造成的信號質量下降（jiàng），特別是高速走線和模擬電（diàn）路易受到影響；還有就是電化（huà）學*化電動（dòng）勢幹擾，它是被測液體中電解質在感應電場作用下在電*表麵*化產生，是dn500自（zì）來水流量計零點漂移的主要（yào）原因。
- dn500自來水流量（liàng）計的抗幹擾措施及（jí）其效果分析
該係統采用6.25Hz的雙*性低頻矩形波激（jī）磁，這種激磁（cí）方式不僅可以克服直流激磁產生的電**化效應，也可以克服工頻（pín）正弦波激磁產生的正交幹擾影響。
以往的激磁電路的設計都是采用恒流源和可控開（kāi）關電路組成。恒（héng）流源是由電壓基準、比較放大、控製調整（zhěng）和采樣等部分組成的直流負反饋自（zì）動調節係統，常用的激磁電路就是用串聯調整型（xíng）恒流電源（yuán）盒控製開關組成的（de），如圖1。其中Vref是參考電壓，Rs是采樣電阻，Is為流過Rs的電流，就是（shì）所需的恒流，RL為電磁流量傳感器線（xiàn）圈，K1、K2、K3、K4為可控開關，以達到使線（xiàn）圈RL中流經正負交換的電流，對傳感器激磁（cí）。
由理想運算（suàn）放大器“虛短”原理可知：
由此可知，要想（xiǎng）獲得一（yī）個穩定的輸出（chū）電流Is，*先，必須要提供一個高精度的基準（zhǔn）電壓和（hé）高精度采樣電阻。由於運放在調整控製過程中的作用（yòng），運（yùn）放（fàng）的增益直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運放是必要的選擇。由於采樣電阻與（yǔ）負載串連，流過的電流通常比較（jiào）大，因此局部（bù）溫度也會隨之上（shàng）升，導致元器件溫度上升，恒流源的溫度穩定性變壞，采樣電阻Rs隨溫度（dù）或（huò）其他環境參數的變化而改變，勢必影響Is的（de）精度。其次，恒流（liú）電源的輸出電流全部流（liú）過調整管，因此調整管上的功耗也很大，必須選擇大功率的晶體管，然（rán）而大功率晶體管需要較大的基*驅動電流，以滿足對運放有較高驅動能力的要求。再（zài）次（cì），雙*型三*管的（de）漏電流和電流放大係數對溫度比較敏感，溫度穩定性較差。還有，電壓電流變換器使用的負（fù）反饋閉環控製，電流穩定度與（yǔ）放大器放大倍數有直接關係，在大（dà）功率（lǜ）電源裏基本上是倒數關係。運放的溫（wēn）度漂移和（hé）失調對電路的精度和溫度穩定性有（yǒu）很大的影（yǐng）響。
為此，設計了一個新型的激磁電路，並將激勵電流反饋到A/D轉換器，以消除激（jī）勵電流（liú）不穩定對A/D轉（zhuǎn）換（huàn）結果的影響，如圖（tú）2。
其中+24V是由220V的交流（liú）電（diàn）通過（guò）變壓、整流、濾波之後，輸入可調集成穩（wěn）壓器LM317，通（tōng）過（guò）高精度的滑（huá）動變阻器調節而得到的恒（héng）壓源。LM317保證（zhèng）1.5A輸出電流，典型線性（xìng）調整率0.01%，典（diǎn）型負載調整率0.1%，80dB紋波抑製（zhì）比，輸出短路保（bǎo）護，過流、過熱保護，調整管安（ān）全工作區保護。係統的微控製器采用（yòng）ARM7芯片STR710，通過它的I/O端口控製圖2中的P2.8和P2.9，ARM7芯片STR710進行控製，使端口P2輸出正負24V交變的矩形波，從而對傳感器激磁。另外（wài），Vref（+）接該係統A/D轉換器的參考輸入端VREF（+）。
整個電路的工作（zuò）過程（chéng）為：當P2.9為高電平時，Q1、Q2、Q3、Q4導通，此時（shí）Q5的基*電流為零，Q5截止，此時P2的端口2輸出+24V的電壓。此時P2.8為低電平（píng），Q6、Q7、Q8、Q9，此時有電流流經Q10基*，並使其（qí）基*和發射級導通，Q10的（de）功能（néng）相（xiàng）當於一個二*管的作用，此時P1端口沒有電壓輸出。那麽，A/D轉換器的參考輸入端Vref（+）為：
其中，Vp2是P2端口輸出電壓幅值的絕對值，此處應該是+24V。整個電路是對稱的，且R15=R20，當P2.9為低電平，P2.8為高電平時，P2的端口2無電壓輸出，端口1輸出+24V的（de）電壓，Vref（+）值不變，如此周（zhōu）而複始輸出頻率為6.25Hz的的雙*性矩形波。用Multisim仿真（zhēn）結果如圖3所示。
此外，把Vref（+）作為（wéi）A/D轉換器（qì）的參考輸入，可以大大提高係統的溫度穩定性（xìng）。A/D轉換的結果可表示（shì）為：
其中，Vin為經放大、濾波處理過的電壓信號，也是A/D轉換器的輸入信號，Vout為傳感器輸出的原始流量信號，K0為（wéi）信號放大倍數。
由公式（1）可知：
通電螺線（xiàn）管線圈產（chǎn）生的磁場為：
其中，μ0為真空磁導率，N為傳（chuán）感器線圈匝（zā）數，I為流過線圈的電流，l為線圈的長度。
由圖（tú）2可知：
把式（7）、（8）、（9）帶入式（shì）（6）可得：
由式（11）、（12）可知在保證R21精度的前提下，A/D轉換的結果隻與液（yè）體的流速有關，不受電磁流量傳感（gǎn）器線圈電阻變化的影響。該電路通過MCU控製三*管的通斷得到激磁信號（hào），三*管的為電流控製元件，該電（diàn）路（lù）實現了小電流控製大電壓，三*管的功耗低，電路的響應速度快（kuài），溫度穩定（dìng）性好，抗幹擾（rǎo）能力強，對dn500自來水流量計（jì）整體精度的提高起到了決定性的作用。
3.2微（wēi）分幹擾和工頻幹擾的消（xiāo）除（chú）
信號中往往同時存在微（wēi）分（fèn）幹擾和工頻幹擾信號，在信（xìn）號處理電路中的低通濾波往（wǎng）往很（hěn）難將（jiāng）工頻幹擾完全濾出。本係統采用了同步采樣和工頻補償技術，以抑製流量信號電勢中混入工頻幹擾和工頻電源頻率波動產生工頻幹擾（rǎo），並有效去除微分幹（gàn）擾（rǎo）。同步采樣技術，采樣開（kāi）始時（shí）間滯後激磁信號1/4個周期，其采樣脈寬為工頻周期的偶數倍，消除（chú）微分幹擾的（de）同時使流（liú）量信號電勢中工頻幹擾（rǎo）平均值等於（yú）零（líng），以消除工頻幹擾的影響；工頻電源的頻率波動補償是保（bǎo）證頻率的動態波動（dòng）中，激（jī）磁電源和采樣脈衝得以同步調整，真正實現同步采樣技術和（hé）同步激磁技術，同步（bù）A/D轉換，降低了微分幹擾和工頻幹（gàn）擾的影響。
3.3零點漂（piāo）移消除
所謂零（líng）點漂移，就是當傳感器的輸入信號為零時，放大（dà）器（qì）的輸出並不是（shì）零。零點漂移的信（xìn）號（hào）會在各級（jí）放大（dà）的電路間傳遞，經過多級放大後，在輸出端成為較大的信（xìn）號，由（yóu）於傳感器輸（shū）出的有用（yòng）信號較弱，零點（diǎn）漂移就可能將有（yǒu）用（yòng）信號淹沒，使電路無法正常工（gōng）作。零點漂移可分為基線零點漂移和斜率零點漂移。對（duì）於零點漂移（yí）的抑製，該係統采用軟硬件相結合的措施。硬件電路方麵，采用三運放的差動電路輸入，實現對大內阻的微弱信號采集，並（bìng）有效抑製了共模信號的引入。一級放大電路之後采用隔直電容，濾除基線（xiàn）零點漂移，防（fáng）止直（zhí）流信號過大，超出A/D轉換的（de）輸入範圍。
有時硬件的（de）方法是不可能完全滿足係（xì）統的要求的，必須結合軟件的方法才能更好地（dì）達到係統（tǒng）的要求，也（yě）就是現在所說（shuō）的軟件即是虛擬硬件。結合硬件采用軟件的方法簡單易行，可以很好消除（chú）采集數據中的零點漂（piāo）移，並且其成本比用硬件的（de）方法（fǎ）低，改進軟件的（de）算法可以方便實現對係統的改進。對於該係統的零點漂移，采用“計算斜（xié）率法”和“正負差值法”相結合的方法可以很（hěn）有效地消除（chú）基線零點漂移和斜率零點漂移對dn500自來水流量計精度的影響。
圖4為經過信（xìn）號處理和（hé）同（tóng）步采樣（yàng）後的信號，同時存在（zài）基（jī）線零點漂移（yí）和斜率零點漂移。斜率零點漂移則多見於積分係統，隨著時間的推移，積分器的零點可能會出（chū）現**間累加漂移。此外，外界的環境溫（wēn）度的變化也是斜率（lǜ）零點漂移產生的重要原因。
鑒於斜率零點（diǎn）漂移產生的（de）機理，可以在標定的時候確定零點漂移的斜率K。也就是在管道液體靜止不動流量（liàng）為零的時候對輸出信（xìn）號進行（háng）采樣，設（shè）從時間t1進行（háng）采樣，采樣曆時Δt，經過一段時間後（hòu）又從t2開始采樣，曆時Δt後采樣結束。分別得到兩組離散的信號x1到xn和x1到xn，分別除去*大值（zhí）、*小值後對剩下（n-2）個值進行平均（jun1），得：
那麽斜率零點漂移的斜率為（wéi）：
對於基線零點漂移，“正負差值法”是比（bǐ）較有效便捷的選擇，它不需要直接消除信號中的基線零點（diǎn）漂移，而是通過算（suàn）法上去掉基線零點漂移對測（cè）量結果的影響。該係統中，激磁信號的頻率為6.25Hz，由於所（suǒ）測量（liàng）的液體流（liú）速不會有明顯的突變，所以在信號的一個周期0.16s內，可以采用一個波峰減去波穀的（de）均值來表示此時（shí）的流量信號，也即如圖3中|y4-y1|其中y4是從nT+T/4到nT+T/2采樣結果（guǒ）的算術平均值，y1是從到（n+1）T進行采樣結果（guǒ）的算術平均值。但是（shì）由於斜率零點漂移（yí）的存在，會出現如圖3中|y3-y2|的誤差，所以需要利用式（15）的結果對該誤差進行修正，修正後的結果也就是此時管道中液體感應出的電動勢為（wéi）：
對（duì）於式（16）結果，去除了工（gōng）頻幹（gàn）擾、微（wēi）分幹擾、零點漂移的影（yǐng）響，大大提高了（le）dn500自來（lái）水流量計的測量（liàng）精度。
3.4其他去除（chú）幹擾的措施
對於由電磁（cí）流量傳（chuán）感（gǎn）器的“變壓器效應”所產生的正交幹擾，采用“變送器調零法”來消除，這個方法既方便又實用。
軟（ruǎn）件設計方（fāng）麵，采用了數字濾波技術，它能完成模擬濾波不能（néng）完成的功能，很容易剔出脈衝幹擾，消除（chú）數字電路毛刺，提高A/D轉換的抗（kàng）工頻幹擾能力以及輸（shū）入微處理器數（shù）字的可（kě）靠性（xìng）。此（cǐ）外，還采用了（le）掉電保護技術，軟件指令冗餘措施，軟件陷阱抗（kàng）幹擾方法以及看門狗技術，這些措施的采用有效地（dì）排除了智能dn500自來水流量計微處理器失控（kòng）。
在PCB電路板（bǎn）製作上（shàng），采用數字地與模擬地分開走線並加粗（cū），*後用0歐電（diàn）阻（zǔ）單點相連。數字電源與模擬電源也分開供電，合理加裝了（le）去藕電容（róng），並協調好不同類型IC的點評匹配（pèi）。數字（zì）信號和模（mó）擬信號分開走線，有效（xiào）防（fáng）止了並行走（zǒu）線產生寄生電（diàn）容和共生電容。選擇高性能的抗幹擾芯片，這是抗幹擾技術重要環節。
在（zài）dn500自來水流量計的安裝（zhuāng）方麵，使傳感器的外殼應接地，並且將流量調節閥門放在流量計的下遊，垂直安裝（若水平安（ān）裝的流量計應保證上遊（yóu）10倍（bèi）直徑，下遊5倍直徑的直管段），這樣達到整流的目的，從而減小了流速分布不均對測量精度的影響（xiǎng）。減短信號傳送電（diàn）纜，否則由電纜（lǎn）分布電容引起的負載效應就會增大測量誤差，也增加了信號受到幹擾的可能（néng）。
- 結束語（yǔ）
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