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基於廢水處理流量計的電*幹擾信號仿真研究
點擊次數：2042 發布時（shí）間：2021-09-08 02:59:11
摘（zhāi）要：傳統廢水處理流量計（jì）在消除微分幹擾時大多數采用在硬件電路上消除或者避開微分幹擾時段進行（háng）采樣，很少研究影響幹擾的原因。基於真實電*情況，建立電*回路測量模型並基（jī）於模型進行電（diàn）*信號仿真，研究了傳感器參數和電*參數變化對微分幹擾的（de）影響。 結果表明，當參數取值不同時尖峰幹擾（rǎo）也不相同，從而為研究和消除幹擾減小測量誤差（chà）提供理論依據。
廢水處理（lǐ）流量計是基於法拉*電磁感應定律的流量儀（yí）表， 主要（yào）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（biàn）送器對（duì）電（diàn）信號進行一係列（liè）的處理轉換成實際（jì）對應的流量。 理想情況下電*上感應出的電勢與流體流速成正比， 但在實際中電*信號摻雜許多幹擾（rǎo）信號，主要的幹擾為微分幹擾（rǎo）、同向幹擾、工頻幹擾、共（gòng）模幹（gàn）擾（rǎo）、串模幹擾、漿液幹擾和*化幹擾等。 為確保流量計測量準確性須對幹（gàn）擾進行抑製， 如采用（yòng）交流勵磁克（kè）服*化幹擾、高共模抑製比差分放（fàng）大器（qì）克服共模幹擾、勵磁頻率為工頻整數倍克服工（gōng）頻幹擾、良好接（jiē）地技術和靜電屏蔽克服串模幹（gàn）擾、漿液（yè）噪（zào）聲符（fú）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（fǎ）之後（hòu）電*上主要的幹擾為（wéi）微分幹擾（rǎo）。 當采用交流勵磁時，由於存在勵磁線圈（quān）等效電感，勵磁切換過程中勵磁電流存在漸變過程，在這（zhè）一過程中磁感（gǎn）應強度處於非穩定狀態，變化的（de）磁場穿過（guò）由被測流體、測量電*、電*引出（chū）線和（hé）變送器共（gòng）同組成的閉合回路， 實際中該回路不可（kě）能與磁力線保持平行，此（cǐ）時勵磁線圈相當於變壓器的初級線圈，閉合回路等價於隻有一（yī）匝的次級線圈且回路大小可等效為回路電（diàn）感。 根據“變壓器效應”會產生一個尖峰即微（wēi）分幹擾（rǎo）疊加在（zài）電*上，影（yǐng）響流量的測量（liàng）。
1 微（wēi）分幹擾相關研究（jiū）
當前國內外許多專家學者（zhě）對微（wēi）分噪聲消除做了大量研究，周真等提出建（jiàn）立電*間信號數學模型（xíng）的方法（fǎ），成功（gōng）分離交流微分幹擾（rǎo）信號（hào）和直流流量信號，分離後的幹擾信號經過濾波器濾除；何小克提出（chū）數模混合*優相關濾波法，方波勵磁時微分信號和參考信號相乘後通過低（dī）通濾波器，其（qí）值為零消除幹擾，正弦波勵磁時幹擾信號與流量（liàng）信號（hào）相位相差（chà） 90°互相關函數為零特性消除幹擾，但文中並未考慮參考信號帶來的誤差影響，需要（yào）額外（wài）引入（rù）補償裝置修正誤差；付振江利用相敏解調技術，施（shī）加（jiā）與流量信號基波同頻的（de）解調方（fāng）波控製信號使解調後的幹擾波形麵（miàn）積大小相等方向相反平均值為零；李飛采用變送器調零法，調整電位器的中心觸點找到一個平衡點使兩個回路電流抵（dǐ）消消（xiāo）除幹擾；周美蘭等
提出在（zài）硬（yìng）件電路（lù）上加入模擬開關， 幹擾尖（jiān）峰（fēng）到來時斷開模擬開關避免（miǎn）幹擾（rǎo）進入後級（jí）電路，尖峰過（guò）去（qù）重新打開模擬（nǐ）開關；K．Saito 等提出漂移校正法，先以高勵磁頻率進行勵磁，在勵磁過程中（zhōng）插（chā）入低勵磁頻（pín）率提取用於漂移校正的（de）非固定微分噪聲分量，但在插入的低勵磁頻率段漿液噪（zào）聲較大且很難將漿液噪聲與流量信號分離，此時的校正因（yīn）子非單純的非固定噪聲分量，改進措施是長（zhǎng）時間取平均值得到穩定因子（zǐ）。 傳統方法是同步采樣保持法，即在磁場穩定階（jiē）段采樣。 其他消除幹擾的方法有設置幹擾（rǎo）補（bǔ）償機構、控製勵磁電流變（biàn）化率減小幹擾幅值、矩形波代替梯形波、希爾伯特黃變換結合（hé）傅裏葉變換和程控增益技術等。經上述對現有的文獻分析（xī）與（yǔ）總結可知， 當前消除微（wēi）分噪聲主要從（cóng）信號處理（lǐ）方麵入手，並未對影響（xiǎng）噪聲的因（yīn）素加以研究。 本文建立電*測量回（huí）路等效模型，給出仿真模型搭建、參數取值和仿真結果分析。
2 電*測量回路模型建立
2．1 測量回路等效模型
測量電*與流體介質接觸時會發生電（diàn）化學反應在電*－溶液界（jiè）麵形成阻（zǔ）抗，通常由法拉*阻（zǔ）抗與雙電層電容並聯組成（chéng）。 法拉*過程分為電荷傳遞過程和擴散過程，相應的法拉*阻（zǔ）抗由電荷傳遞（dì）電阻與擴散阻抗串聯組成。一般廢水處理流量計的勵磁頻率大於1Hz，而（ér）擴散阻抗（kàng）發生在更低頻率內，不考慮擴散過程（chéng），電*等效阻抗為電荷傳遞電阻與雙電層電容並聯後再（zài）與電*接觸電阻串聯。 基於電*阻抗建立的電*等效測（cè）量回路如圖 1 所（suǒ）示。圖中：Rs1 和（hé） Rs2 為電荷傳遞電阻；C1 和 C2 為雙電層電容；Rt為（wéi）兩個測量電*間的（de）接觸電阻滿（mǎn）足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵磁線（xiàn）圈等效電感；L1 為閉（bì）合回路等效電感；R1 和 R2 為（wéi）放（fàng）大器輸入電阻；P1和 P2 為由“變壓器效應”疊（dié）加（jiā）在測量（liàng）電*上的微分幹擾；U1 為流體切割磁（cí）力線產生的感應電勢；Ue 為勵磁電壓。 假設磁感應強度由勵磁電流決（jué）定且成正比關係即 B＝aI，忽略串模等幹擾則電*間（jiān）電壓為感應電勢與微分（fèn）幹擾的疊加，基本方程如下：
2．2 參數取值
電*上的感應電動勢在沒有經過（guò）放大之前一般很小， 取值在幾毫伏到幾百毫伏之內，本次仿真中流速感應（yīng）電勢取 10mV。放大器的輸入電阻遠遠大於（yú）內阻，文獻中給出電荷傳遞電阻為 Rs＝50Ω。 電*接（jiē）觸電阻與溶液電導率有關一般取 Rt＝15kΩ。雙電（diàn） 層 電 容 C1＝20μF。 將各參數值代入到式（7）中，可（kě）得 k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情況兩個電*參數取值相等， 實際中（zhōng）兩者會存在差異對於電* B 可 取 K1＝0．997，T1＝9．75×10－4，T2＝9．74×10－4。
3 基於 MATLAB 的電*信（xìn）號仿真
3．1 仿真模型
本文基於 Matlab 中（zhōng） Siumlink 對電*信號進行（háng）仿真，勵磁方式為（wéi）三值波勵磁，勵磁（cí）頻率 f＝25Hz，傳感器參數 D＝40mm、Rx＝88．8Ω、Lx＝162mH，勵磁係統參數 Ue＝100V、穩態電流 I0＝200mA。基於（yú）電*測量回路搭（dā）建的仿真模型如圖 2 所示，圖（tú）中信號模（mó）塊 pulsGenerator 通過加法器、乘法器得到勵磁電流（liú）。由公式（1），在固定流速下感應電勢與勵磁電流（liú）成正比，通過增加（jiā） Gain1 模（mó）塊得到感應電勢信（xìn）號（hào）。 對勵磁電流進行（háng）求導（dǎo）即經模塊 Derivative 得到微分噪聲， 其中 Gain 值與 Lx 和（hé） L1 相關。 感應電勢與噪（zào）聲（shēng）經Add1 疊加之（zhī）後得（dé）到電*信號 E1（t）。 scope 觀察輸出信號波形。仿真波形和真實波形如圖 3 所示。 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（de）正確性。
3．2 仿真實驗
仿（fǎng）真試驗中，設定（dìng）線圈等效電感（gǎn）取值範圍為（wéi） 162～212mH，間（jiān）隔 10mH；閉（bì）合回路等（děng）效電（diàn）感範圍 0．2～1mH，間隔為 0．2mH；雙（shuāng）電（diàn）層電容、接觸電阻隨流體電導率變化而變（biàn）化，電導率增大接觸（chù）電阻和雙電層電容減小而電（diàn）荷傳遞電阻增（zēng）大。可設定電*接觸（chù）電阻、雙電（diàn）層電容和電荷傳遞電（diàn）阻範圍分別為 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由公式（7）知，可用 T2 表示上述三者（zhě）關（guān）係。 仿真參數取值不同情況下，通過（guò） MATLAB 工（gōng）具箱對仿真測量得到的幹擾（rǎo）峰值進行（háng）曲線擬合畫出相應的曲線圖（tú）。 其中仿真數據和相對應的曲線方程如表 1～表 4 所示，曲線（xiàn）圖如圖 4～圖（tú） 6。
3．3 仿（fǎng）真結果（guǒ）分析
圖（tú） 4 為改變勵磁線圈等效電感其它值保持不變時測得（dé）的幹擾結果，可以看出，當線圈等效電感（gǎn）取值不同時，幹擾峰值存在變化，電感越大線圈中電流上升（下降）時間越長，微分幹擾越大。圖 5 為改變測量回路等效電感即等價於改變交變磁力線穿過（guò）測量回路等效麵積時測得的幹擾結果， 隨著值增大幹擾呈逐漸增大的趨勢。 因此要避免電*走線偏離，盡量保持回路與磁力線平行以減小幹擾。
圖 6 為電*等效阻抗值變化時測得的幹擾結果， 當（dāng）溶液電導率改變時（shí）電*等效（xiào）阻抗值變化， 同樣會（huì）對微分噪聲產（chǎn）生較大影響。 電導率越大幹擾峰值（zhí）越小。
4 結束（shù）語
本（běn）文運用（yòng） MATLAB 仿真軟件對廢水處理流量計電*信號進行建模仿真，通過該模型分析勵（lì）磁線圈等效電（diàn）感（gǎn）、閉合回路和（hé）電*等效阻抗取值變化情況下微分幹擾變化（huà）， 得到影響微分（fèn）幹擾原因， 從而（ér）為後續研究及消除幹擾得到真（zhēn）實流（liú）量信號減小測量誤（wù）差提（tí）供理論依（yī）據。
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經上述信號處理方法（fǎ）之後（hòu）電*上主要的幹擾為（wéi）微分幹擾（rǎo）。 當采用交流勵磁時，由於存在勵磁線圈（quān）等效電感，勵磁切換過程中勵磁電流存在漸變過程，在這（zhè）一過程中磁感（gǎn）應強度處於非穩定狀態，變化的（de）磁場穿過（guò）由被測流體、測量電*、電*引出（chū）線和（hé）變送器共（gòng）同組成的閉合回路， 實際中該回路不可（kě）能與磁力線保持平行，此（cǐ）時勵磁線圈相當於變壓器的初級線圈，閉合回路等價於隻有一（yī）匝的次級線圈且回路大小可等效為回路電（diàn）感。 根據“變壓器效應”會產生一個尖峰即微（wēi）分幹擾（rǎo）疊加在（zài）電*上，影（yǐng）響流量的測量（liàng）。
1 微（wēi）分幹擾相關研究（jiū）
當前國內外許多專家學者（zhě）對微（wēi）分噪聲消除做了大量研究，周真等提出建（jiàn）立電*間信號數學模型（xíng）的方法（fǎ），成功（gōng）分離交流微分幹擾（rǎo）信號（hào）和直流流量信號，分離後的幹擾信號經過濾波器濾除；何小克提出（chū）數模混合*優相關濾波法，方波勵磁時微分信號和參考信號相乘後通過低（dī）通濾波器，其（qí）值為零消除幹擾，正弦波勵磁時幹擾信號與流量（liàng）信號（hào）相位相差（chà） 90°互相關函數為零特性消除幹擾，但文中並未考慮參考信號帶來的誤差影響，需要（yào）額外（wài）引入（rù）補償裝置修正誤差；付振江利用相敏解調技術，施（shī）加（jiā）與流量信號基波同頻的（de）解調方（fāng）波控製信號使解調後的幹擾波形麵（miàn）積大小相等方向相反平均值為零；李飛采用變送器調零法，調整電位器的中心觸點找到一個平衡點使兩個回路電流抵（dǐ）消消（xiāo）除幹擾；周美蘭等
提出在（zài）硬（yìng）件電路（lù）上加入模擬開關， 幹擾尖（jiān）峰（fēng）到來時斷開模擬開關避免（miǎn）幹擾（rǎo）進入後級（jí）電路，尖峰過（guò）去（qù）重新打開模擬（nǐ）開關；K．Saito 等提出漂移校正法，先以高勵磁頻率進行勵磁，在勵磁過程中（zhōng）插（chā）入低勵磁頻（pín）率提取用於漂移校正的（de）非固定微分噪聲分量，但在插入的低勵磁頻率段漿液噪（zào）聲較大且很難將漿液噪聲與流量信號分離，此時的校正因（yīn）子非單純的非固定噪聲分量，改進措施是長（zhǎng）時間取平均值得到穩定因子（zǐ）。 傳統方法是同步采樣保持法，即在磁場穩定階（jiē）段采樣。 其他消除幹擾的方法有設置幹擾（rǎo）補（bǔ）償機構、控製勵磁電流變（biàn）化率減小幹擾幅值、矩形波代替梯形波、希爾伯特黃變換結合（hé）傅裏葉變換和程控增益技術等。經上述對現有的文獻分析（xī）與（yǔ）總結可知， 當前消除微（wēi）分噪聲主要從（cóng）信號處理（lǐ）方麵入手，並未對影響（xiǎng）噪聲的因（yīn）素加以研究。 本文建立電*測量回（huí）路等效模型，給出仿真模型搭建、參數取值和仿真結果分析。
2 電*測量回路模型建立
2．1 測量回路等效模型
測量電*與流體介質接觸時會發生電（diàn）化學反應在電*－溶液界（jiè）麵形成阻（zǔ）抗，通常由法拉*阻（zǔ）抗與雙電層電容並聯組成（chéng）。 法拉*過程分為電荷傳遞過程和擴散過程，相應的法拉*阻（zǔ）抗由電荷傳遞（dì）電阻與擴散阻抗串聯組成。一般廢水處理流量計的勵磁頻率大於1Hz，而（ér）擴散阻抗（kàng）發生在更低頻率內，不考慮擴散過程（chéng），電*等效阻抗為電荷傳遞電阻與雙電層電容並聯後再（zài）與電*接觸電阻串聯。 基於電*阻抗建立的電*等效測（cè）量回路如圖 1 所（suǒ）示。圖中：Rs1 和（hé） Rs2 為電荷傳遞電阻；C1 和 C2 為雙電層電容；Rt為（wéi）兩個測量電*間的（de）接觸電阻滿（mǎn）足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵磁線（xiàn）圈等效電感；L1 為閉（bì）合回路等效電感；R1 和 R2 為（wéi）放（fàng）大器輸入電阻；P1和 P2 為由“變壓器效應”疊（dié）加（jiā）在測量（liàng）電*上的微分幹擾；U1 為流體切割磁（cí）力線產生的感應電勢；Ue 為勵磁電壓。 假設磁感應強度由勵磁電流決（jué）定且成正比關係即 B＝aI，忽略串模等幹擾則電*間（jiān）電壓為感應電勢與微分（fèn）幹擾的疊加，基本方程如下：
2．2 參數取值
電*上的感應電動勢在沒有經過（guò）放大之前一般很小， 取值在幾毫伏到幾百毫伏之內，本次仿真中流速感應（yīng）電勢取 10mV。放大器的輸入電阻遠遠大於（yú）內阻，文獻中給出電荷傳遞電阻為 Rs＝50Ω。 電*接（jiē）觸電阻與溶液電導率有關一般取 Rt＝15kΩ。雙電（diàn） 層 電 容 C1＝20μF。 將各參數值代入到式（7）中，可（kě）得 k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情況兩個電*參數取值相等， 實際中（zhōng）兩者會存在差異對於電* B 可 取 K1＝0．997，T1＝9．75×10－4，T2＝9．74×10－4。
3 基於 MATLAB 的電*信（xìn）號仿真
3．1 仿真模型
本文基於 Matlab 中（zhōng） Siumlink 對電*信號進行（háng）仿真，勵磁方式為（wéi）三值波勵磁，勵磁（cí）頻率 f＝25Hz，傳感器參數 D＝40mm、Rx＝88．8Ω、Lx＝162mH，勵磁係統參數 Ue＝100V、穩態電流 I0＝200mA。基於（yú）電*測量回路搭（dā）建的仿真模型如圖 2 所示，圖（tú）中信號模（mó）塊 pulsGenerator 通過加法器、乘法器得到勵磁電流（liú）。由公式（1），在固定流速下感應電勢與勵磁電流（liú）成正比，通過增加（jiā） Gain1 模（mó）塊得到感應電勢信（xìn）號（hào）。 對勵磁電流進行（háng）求導（dǎo）即經模塊 Derivative 得到微分噪聲， 其中 Gain 值與 Lx 和（hé） L1 相關。 感應電勢與噪（zào）聲（shēng）經Add1 疊加之（zhī）後得（dé）到電*信號 E1（t）。 scope 觀察輸出信號波形。仿真波形和真實波形如圖 3 所示。 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（de）正確性。
3．2 仿真實驗
仿（fǎng）真試驗中，設定（dìng）線圈等效電感（gǎn）取值範圍為（wéi） 162～212mH，間（jiān）隔 10mH；閉（bì）合回路等（děng）效電（diàn）感範圍 0．2～1mH，間隔為 0．2mH；雙（shuāng）電（diàn）層電容、接觸電阻隨流體電導率變化而變（biàn）化，電導率增大接觸（chù）電阻和雙電層電容減小而電（diàn）荷傳遞電阻增（zēng）大。可設定電*接觸（chù）電阻、雙電（diàn）層電容和電荷傳遞電（diàn）阻範圍分別為 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由公式（7）知，可用 T2 表示上述三者（zhě）關（guān）係。 仿真參數取值不同情況下，通過（guò） MATLAB 工（gōng）具箱對仿真測量得到的幹擾（rǎo）峰值進行（háng）曲線擬合畫出相應的曲線圖（tú）。 其中仿真數據和相對應的曲線方程如表 1～表 4 所示，曲線（xiàn）圖如圖 4～圖（tú） 6。
3．3 仿（fǎng）真結果（guǒ）分析
圖（tú） 4 為改變勵磁線圈等效電感其它值保持不變時測得（dé）的幹擾結果，可以看出，當線圈等效電感（gǎn）取值不同時，幹擾峰值存在變化，電感越大線圈中電流上升（下降）時間越長，微分幹擾越大。圖 5 為改變測量回路等效電感即等價於改變交變磁力線穿過（guò）測量回路等效麵積時測得的幹擾結果， 隨著值增大幹擾呈逐漸增大的趨勢。 因此要避免電*走線偏離，盡量保持回路與磁力線平行以減小幹擾。
圖 6 為電*等效阻抗值變化時測得的幹擾結果， 當（dāng）溶液電導率改變時（shí）電*等效（xiào）阻抗值變化， 同樣會（huì）對微分噪聲產（chǎn）生較大影響。 電導率越大幹擾峰值（zhí）越小。
4 結束（shù）語
本（běn）文運用（yòng） MATLAB 仿真軟件對廢水處理流量計電*信號進行建模仿真，通過該模型分析勵（lì）磁線圈等效電（diàn）感（gǎn）、閉合回路和（hé）電*等效阻抗取值變化情況下微分幹擾變化（huà）， 得到影響微分（fèn）幹擾原因， 從而（ér）為後續研究及消除幹擾得到真（zhēn）實流（liú）量信號減小測量誤（wù）差提（tí）供理論依（yī）據。
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