濃硫酸計量表的抗幹擾（rǎo）措施及其（qí）效果分析

點擊（jī）次數：1990 發布時間：2020-08-11 07:13:33

摘要：為了抑製（zhì）和（hé）排除濃硫酸計（jì）量表測量過（guò）程（chéng）中的幹擾，提高（gāo）信噪（zào）比，提高測量的（de）精確度和穩定性（xìng），討論了濃硫酸計量表幾類幹擾噪聲產生的（de）物理（lǐ）機理和特征，簡要闡（chǎn）述了濃硫酸計量表的幾種硬件和軟（ruǎn）件方麵的抗幹擾技術。硬件方麵設計了高（gāo）精度低功耗的矩形波激磁電路，並從激磁電路中引出A/D轉換（huàn）器的參考電壓，提高了A/ D轉換結果的抗幹擾能力。軟（ruǎn）件方麵主要采用“計算斜率法”和（hé）“正（zhèng）負差值法”相結合的方法消除零點漂移。實驗表明，這些（xiē）方法在智能濃硫酸計（jì）量表的測量（liàng）過程中取得了明顯的效果。
濃硫酸計量表是利用法拉*電磁感應定律來測量導電（diàn）液體的體積（jī）流（liú）量的（de）儀表，具（jù）有（yǒu）很多突出的優點，例如：無可動部件，不會產生壓力損失和堵塞管道；測量導電介質的流量，不受溫度、黏度、密度、壓力、雷諾數以及在一定範（fàn）圍內電導率變（biàn）化的影響；測量原理為（wéi）線性，精度高，測量範圍大（dà）；耐腐蝕性好並且可測量正反流速等等。但在實際測（cè）量（liàng）中，幹擾信號與有用的信（xìn）號混在一起，它們不僅成分複雜，而且有時候（hòu）幹擾信號還會比流量信號大。在這種情況（kuàng）下怎樣抑製和排除這（zhè）些（xiē）幹擾，提高信噪比，提高測量（liàng）的（de）精確度和穩（wěn）定性就成了研製和使用濃硫（liú）酸計量表的一個技術關鍵。
以往的濃硫酸計（jì）量表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，並且精確度不高；轉換器大多（duō）使用8位或16位的單片機，較為複雜的算法就難以實現或響應時間過慢；抗幹擾主要集中在硬件電路的設計等。本（běn）係統采用32位ARM處理器，提高數據處理能力和算法複雜度；並設（shè）計（jì）了低功（gōng）耗的激磁電路，同時利用反饋原理消除激勵電流不穩定對A/D轉換結果的影響並在軟件算法（fǎ）和硬件電（diàn）路方麵提出了有效的（de）消除零點（diǎn）漂移以及其他幹擾的措施，使濃硫酸（suān）計量表測量精度（dù）更為提（tí）高。
1、濃硫酸計量表的測量原理
由法拉（lā）*電磁感應（yīng）定律可知，當導體在磁場中做切（qiē）割磁（cí）力線運動時，在導體兩（liǎng）端就產生感應電動勢。設在磁場強度為（wéi）B的均（jun1）勻磁場（chǎng）中放置一個垂直於磁場方向的直徑為D的管道，當導電液體在管道中流（liú）動時，導電液體切（qiē）割磁力線，就會在和磁（cí）場及流動方向垂直的（de）方向產生感應電動勢。如果在管道截麵上（shàng）垂直於磁（cí）場的直徑兩端安裝一對電*，兩（liǎng）電*之間就（jiù）會產生感應（yīng）電動勢。如管道內（nèi）流速v為軸對稱分布（bù），不考慮感（gǎn）應電動勢的正負可得：

其中（zhōng），B為磁感應（yīng）強度，A為磁通量變化麵積，D為導體長度，dl為被測介（jiè）質運動的距離，v為被測（cè）介質運動的速度，U為感應電（diàn）動勢。
所測液體的體積流量（liàng）為：

式（1）說明，導體在磁場內作切割磁力線運動（dòng），導體兩端產生的感應電動勢的大小與磁感（gǎn）應（yīng）強度B成正比，與導體的長度D成正比，與導體（tǐ）運動的速度v成正比。由式（2）可知液體的體積流量（liàng）與（yǔ）感應（yīng）電動勢成正比，這就是濃硫（liú）酸計（jì）量表的設計原理（lǐ）。
2、濃硫（liú）酸計量表中的幹擾源（yuán）分析
傳感器提供給轉（zhuǎn）換器的流量信（xìn）號是（shì）電*間的電位差，即一種電壓信號。在實際測量中，由於電磁感應、靜（jìng）電感應以及電化（huà）學電勢等原因，電*上所得到的（de）電壓不僅僅是與流速成比例的電動勢，也包含各種各樣的幹擾成分在內。
*先（xiān）濃硫酸計量表工作現場存在大量的工頻信號，耦合在激磁回路、電*、前端放大（dà）器的工頻幹擾噪聲對（duì）流量測量的準（zhǔn）確性造成*大的影響。其次，在低（dī）頻矩形（xíng）波激磁方式下，其幹擾主要表現為由激磁電流突變（biàn）產生的微（wēi）分幹擾信（xìn）號，隨著電流的穩定（dìng），幹擾（rǎo）信號隨之消失；另（lìng）外，由於（yú）電磁流（liú）量傳感器的（de）“變壓器效應”，會產生相位上與流量信號（hào）相差90°的正交幹擾信號；此外，由於電磁屏蔽缺（quē）陷，接地不良，雜散電容等引起返回電流不平衡產生共模幹擾，它可能導致電（diàn）路某（mǒu）些參考電位變化，是造成濃硫酸計（jì）量表零點漂移的原因之一，同時（shí）產生高的輻射電場（chǎng）使電路的電磁兼容性惡化；串（chuàn）模幹擾是由於印刷電路（lù）板設計電磁兼容性考慮不足造（zào）成的（de）信號質量下（xià）降，特別是高速走線和模擬電路易受到影響；還有就是電化學*化電動勢幹擾，它是被測液體中電解質在感應電場作用（yòng）下在電*表麵*化產生，是濃硫酸（suān）計量表零點漂移的主要原（yuán）因。
3、濃硫酸計量表的抗幹（gàn）擾措施及其效果分析
3.1高精度（dù）的激磁（cí）電路的設計
該係統采用6.25Hz的雙*性低頻矩（jǔ）形波激磁，這種激磁（cí）方（fāng）式不僅可以克服直流激磁產生的電**化效應，也可以克（kè）服（fú）工頻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關（guān）電路組成。恒流源是由電壓基準、比較放（fàng）大、控製調整和采樣等部分組成的（de）直流負反饋自動調節係（xì）統，常（cháng）用的激磁電路就是用串聯調整型恒流電（diàn）源盒控（kòng）製（zhì）開關組成（chéng）的，如圖1。其中Vref是參考電（diàn）壓，Rs是采樣電阻，Is為流過Rs的電流，就是所需的恒流，RL為電磁流量傳感（gǎn）器線圈，K1、K2、K3、K4為可控開關，以達到使線圈RL中流經正負交換的電流，對傳感器激磁。

由理想運算放大器“虛短”原理可（kě）知（zhī）：

由此可知，要想獲得一個穩定的輸出（chū）電流Is，*先，必（bì）須要提供一個高精度的基準電壓和高精度采樣電阻。由於運放在調整控製過程中的作用，運放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。由於采樣電阻與負載串（chuàn）連，流過的電流通常比較大，因此局部溫度（dù）也會隨之上升，導致元器件溫度上（shàng）升，恒流源的溫度穩定性變壞，采樣電阻Rs隨溫度或其他環境參（cān）數的變化而（ér）改變，勢必影響Is的精度。其次，恒流電源的輸出電流全部流過調整管，因此調（diào）整管上的功（gōng）耗（hào）也很（hěn）大，必須選（xuǎn）擇大功率的（de）晶體（tǐ）管，然而（ér）大功率晶體管需（xū）要較大的基（jī）*驅（qū）動電流，以滿（mǎn）足對運放有較高驅動能力的要（yào）求。再次，雙*型三（sān）*管的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（diàn）流變換器使用的負反饋閉環控製，電流穩定度與放大器放大倍數有直接關係，在大功率電源裏基本上是倒數關係。運放的溫（wēn）度漂移和失調對電路的精度和溫度穩定性有很大的影響。
為此，設計了一個新型的激磁電路（lù），並將激勵電流反饋（kuì）到A/D轉換器，以消除激勵電流不穩定對A/D轉換（huàn）結果的影響，如圖2。

其中+24V是由220V的交流電通過變壓、整流、濾波之後，輸入可調集成穩壓器LM317，通（tōng）過高精（jīng）度（dù）的滑動變阻器（qì）調節而得到的恒壓源。LM317保證1.5A輸出（chū）電流，典型線性調整率0.01%，典型負載調整率0.1%，80dB紋波抑製比（bǐ），輸出短路保護，過流、過熱保護（hù），調整（zhěng）管安全工作區（qū）保護。係統的微（wēi）控製器采用ARM7芯片（piàn）STR710，通過它的I/O端口（kǒu）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（biàn）的矩形波，從而對傳感器（qì）激磁。另外，Vref（+）接該係統A/D轉換器的參考輸入（rù）端VREF（+）。
整個（gè）電路（lù）的工作（zuò）過程為：當P2.9為（wéi）高（gāo）電平時，Q1、Q2、Q3、Q4導通，此時Q5的基*電流為零（líng），Q5截止，此時（shí）P2的端口2輸出+24V的電壓。此時P2.8為低電平，Q6、Q7、Q8、Q9，此時（shí）有電流（liú）流經Q10基*，並使其（qí）基*和發射級導通，Q10的（de）功能相當於一個二*管的作用，此時P1端口沒有電壓輸（shū）出。那麽，A/D轉換器的參考輸（shū）入（rù）端Vref（+）為：

其中，Vp2是P2端口輸出電壓幅（fú）值的絕對值，此處應該是+24V。整個（gè）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（de）端口（kǒu）2無電壓輸出，端口（kǒu）1輸出+24V的電壓，Vref（+）值不變，如此周而（ér）複始輸出頻率為6.25Hz的的雙*性（xìng）矩形波。用Multisim仿（fǎng）真結果如圖3所示。

此外，把Vref（+）作為A/D轉換器的參考輸（shū）入，可以大大提高係統的溫度穩定性。A/D轉換的結果可表示為：

其中，Vin為經放大（dà）、濾波處理過的電壓（yā）信號，也是A/D轉（zhuǎn）換器的輸入信號，Vout為傳感器輸出的原始流量信號，K0為信號放大倍數（shù）。
由公式（1）可知：

通（tōng）電螺線（xiàn）管（guǎn）線圈產生的磁場為：

其中，μ0為真空磁導率，N為傳感器線圈匝數，I為流過（guò）線（xiàn）圈的電流，l為線圈的長度。
由圖2可知：

把式（7）、（8）、（9）帶入式（6）可得：

由式（11）、（12）可知在保證R21精度的（de）前提（tí）下，A/D轉換的結果隻與液體的流速有關，不受（shòu）電（diàn）磁流量（liàng）傳感器線圈電阻變化（huà）的影響。該電路通過（guò）MCU控製三*管的通斷（duàn）得到激磁信號，三（sān）*管的為電流控製（zhì）元件，該電（diàn）路實現了小電流控（kòng）製大電壓，三*管的功耗低，電路的響應速度快，溫度穩定性好，抗幹擾能力強，對濃硫酸計量表整體精度的提高起到了決定（dìng）性的作（zuò）用。
3.2微分幹擾和工（gōng）頻（pín）幹擾的（de）消除
信號中往往同時存在微分幹擾（rǎo）和（hé）工頻幹擾信號，在信號處理電路中的低通濾波往往很難將工（gōng）頻幹擾完全（quán）濾出。本係統采用了同步采樣和（hé）工頻補償技術，以抑製流量信號電勢中混入工（gōng）頻幹擾（rǎo）和工頻電源（yuán）頻率波動產生工頻幹擾，並（bìng）有效去除微分幹（gàn）擾。同步采樣技術，采樣開始時間滯後激磁信號1/4個（gè）周（zhōu）期，其采樣脈寬為（wéi）工頻周期的偶數倍，消除微分幹擾的同時使流（liú）量信號電勢中工（gōng）頻幹擾平均值等於零（líng），以消除工頻幹擾的影響；工頻電源的頻率波動補償是保證頻率（lǜ）的動態波動中，激磁電源和采樣脈衝得以（yǐ）同步調整，真（zhēn）正實現同步采樣技術和同步激磁技術，同（tóng）步A/D轉換，降低了微分幹擾和工頻幹擾（rǎo）的影響。
3.3零點漂移消除
所謂零點漂移，就是當傳感器（qì）的輸入信號為零時，放大器的輸出並不（bú）是零。零點漂移的信（xìn）號會在各級放大的電路間傳遞，經過多級放大後，在輸出端成為較大的信號，由於傳感器（qì）輸出的有用信號較弱，零點（diǎn）漂移就可能將有用信號淹沒，使電路無法正常工（gōng）作。零點漂移可分為（wéi）基（jī）線零點漂移和斜率零點漂移。對於零點漂移的抑（yì）製，該係統采用軟硬（yìng）件相結合的措施。硬件電（diàn）路方麵，采用三（sān）運放的差動電路輸入，實現對（duì）大內阻的微弱信（xìn）號采集，並有效抑（yì）製了共模信號的引入。一級放大電路之後采用隔直電容（róng），濾除基線零點（diǎn）漂移，防止直流信號過大，超出A/D轉換的（de）輸入範圍。
有時硬件的方法是不可能（néng）完（wán）全滿足係統的要求的，必須結合軟件的方法才能更好地達到係統的要求，也就是現在所說的軟件即是虛擬硬件。結（jié）合（hé）硬件采用軟件的方法簡單易行，可以很好消除采（cǎi）集數（shù）據中的零點漂移，並且其成本比用（yòng）硬件的方法低，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（líng）點漂移，采（cǎi）用“計算斜率法”和“正負（fù）差值法”相結合的方法可以很有效地消除基線零點漂移和斜率零點漂移對濃（nóng）硫酸計量表精（jīng）度（dù）的影響。
圖4為經過信號處理和同步采樣後的信號，同時（shí）存在基線（xiàn）零點漂（piāo）移和斜率零點漂移。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（líng）點可能會出現**間累（lèi）加漂移。此外，外界的環境溫度的（de）變化也是斜率零點漂移（yí）產生的重要原因。

鑒於斜率零點漂移產生的機理，可以在標定的時候確定零（líng）點漂移的斜（xié）率K。也就是在管（guǎn）道液體靜止不動流量為零的時候對輸出信號進行（háng）采樣，設從時間t1進行（háng）采樣，采樣曆時Δt，經過一段時間後又從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、*小值後對剩下（n-2）個值進行平均，得：

那麽斜率零點漂移的斜率為：

對於基線零點漂移，“正負差值法”是比較有效便（biàn）捷（jié）的選擇，它不需要直（zhí）接消除信號中的（de）基線零點漂移，而是通過算法上去掉基線零點漂（piāo）移對測量結果的（de）影響。該係統中，激磁信號的頻（pín）率（lǜ）為6.25Hz，由於所測量的液體流速不會有明顯的突變，所以在（zài）信號（hào）的一個周期0.16s內，可以采用一個波峰減（jiǎn）去波（bō）穀的均（jun1）值來表示此時的流量信號，也即如圖3中（zhōng）|y4-y1|其中y4是從nT+T/4到nT+T/2采樣結（jié）果的算術平均值，y1是從到（n+1）T進行采樣結果的算術平均值。但（dàn）是由於斜率零點漂移的（de）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（de）結果也就是此時管道中液體感（gǎn）應出的電動勢為：

對於式（16）結果，去除了工頻幹擾、微分幹擾、零點漂（piāo）移的影響，大大提高了濃硫酸計量表的（de）測量精（jīng）度。
3.4其他去除幹擾的措施
對於由電磁流（liú）量傳感器的“變壓器效應”所產生的正交幹（gàn）擾，采用“變送器調零法”來消除，這個方法既方便（biàn）又實用。
軟件設（shè）計方麵，采（cǎi）用了數字濾波技術，它能（néng）完成模擬濾波不能完成的功能，很（hěn）容易剔出脈衝幹擾，消除數字電路毛刺，提高（gāo）A/D轉換的（de）抗工頻幹擾能力以及輸入微處理器數字的可靠性。此外，還（hái）采用了掉電保護技術，軟件指令冗餘（yú）措施，軟件陷阱抗幹擾方法以及（jí）看門狗技術，這些措施的采用（yòng）有效地（dì）排（pái）除了智能濃硫酸計量（liàng）表微處理器失控。
在PCB電（diàn）路板製作上，采用數字地與模擬地分開走線（xiàn）並加粗，*後用0歐電（diàn）阻單點相連。數字電源與模擬電源（yuán）也分（fèn）開（kāi）供電，合理加裝了去藕電容，並協（xié）調好不同類型IC的點評匹配。數字信號和模擬信號分開走線，有效防止了並行走線產生寄生電容和共生電（diàn）容。選擇高性能的抗幹擾芯片，這是抗幹擾技術重要環節。
在濃硫酸計量表的安裝方麵，使（shǐ）傳感器的外（wài）殼應接（jiē）地，並且將流量調節閥門放在流量計的下（xià）遊，垂直（zhí）安裝（若水平安裝的流量計應保證上遊10倍直徑，下遊5倍直徑（jìng）的直管（guǎn）段），這樣達到整流的目的（de），從而減小（xiǎo）了流速分布不均對測量精（jīng）度的影響。減短信號傳送電纜，否則（zé）由電纜分布電容引起的負載效應就（jiù）會增大測量誤差，也增加了信號受到幹擾的（de）可能。
4、結束語
智能濃硫酸計量（liàng）表（biǎo）多種抗（kàng）幹擾技術的采用，大大抑製和（hé）消除了幹（gàn）擾信（xìn）號（hào）對有用信號的影響，增強了濃硫酸計量表的抗幹擾能力，經濃硫酸計量表製（zhì）作樣機反複實驗證明，測量精度（dù）可達到0.5%，提高了以往測量的精度和可靠性。