基於化工原料流量計的電*幹擾信號（hào）仿真研究
點擊次數：1895 發布時間：2019-11-01 07:30:28
摘要：傳統化工原料流量計在消除微分幹擾（rǎo）時大多數采用在硬件電路上消（xiāo）除或者避開微分幹擾（rǎo）時段進行采樣（yàng），很（hěn）少研究影響（xiǎng）幹（gàn）擾的原因。基於真實電*情況，建（jiàn）立電*回路測量模型並基（jī）於（yú）模型（xíng）進行電*信號仿真，研究了傳（chuán）感器參數和電*參（cān）數變化對（duì）微分幹（gàn）擾的影響。 結果表明，當參數取（qǔ）值不同時尖峰幹擾（rǎo）也不相同，從而為研（yán）究和（hé）消除幹擾減小測量誤差提供理論依據。
化（huà）工原料流量計是基於法拉*電磁感應定律的流（liú）量儀表， 主要由傳感器和變送器組成，傳感器將待測流體轉換成電信號，變送器對電信號（hào）進行一係列的處理轉換成實際（jì）對應的流量。 理想情況下電*上感應出的電勢與（yǔ）流體（tǐ）流速成正（zhèng）比， 但在實際中電*信號摻雜許多幹擾信（xìn）號（hào），主要的幹（gàn）擾為微分幹擾（rǎo）、同（tóng）向幹擾、工（gōng）頻幹擾、共模幹擾、串模幹擾、漿液幹擾（rǎo）和*化（huà）幹擾等。 為確保流量計測量準確性須對幹擾進行抑製， 如采用交流勵磁（cí）克服*化幹擾、高（gāo）共模抑製比差分放大器克服共模幹擾、勵磁頻率為工頻整數（shù）倍（bèi）克服工頻幹擾、良好接地技術和靜電屏蔽克服串模幹擾、漿液噪聲符合 1 ／ f 特（tè）性可（kě）通過提高勵磁頻率加以克服。
經上述信號處理方法（fǎ）之（zhī）後電*上主要的幹擾為微分幹擾。 當采用交流（liú）勵磁時，由於存在勵磁（cí）線圈等效電感，勵磁切（qiē）換過（guò）程中勵磁電流存在漸（jiàn）變過程，在這一過程中磁感應（yīng）強度處於非（fēi）穩定（dìng）狀態，變化的磁場穿過（guò）由被測流體、測（cè）量電*、電*引出線和變送器共同組成的閉合回路， 實際（jì）中（zhōng）該回路不可能與磁力線保持平行，此時勵磁線圈相（xiàng）當於變壓器的初（chū）級線圈，閉合回路等（děng）價於隻有一匝的次級線（xiàn）圈且回路（lù）大小可等效（xiào）為回（huí）路電感。 根據“變壓器效應”會產生一個尖峰即微分幹（gàn）擾疊加在電*上，影響流量的測量。
1 微分幹擾相關研（yán）究
當（dāng）前國（guó）內外許多專家學（xué）者對微（wēi）分噪聲消除做了（le）大量研究，周（zhōu）真等提出（chū）建（jiàn）立電*間信號數學模型的方法，成功分離交（jiāo）流微分幹擾信號和直（zhí）流流量信號，分離後的幹擾信號經過濾波器濾除；何小克（kè）提出數模（mó）混合*優相（xiàng）關濾波法，方波勵磁時微（wēi）分信號和參考（kǎo）信號（hào）相乘後通過低通濾波器（qì），其值為零消除幹擾，正弦波勵磁時幹擾信號（hào）與流量（liàng）信號相位相差 90°互相關函數為零（líng）特性消除幹（gàn）擾，但文中並未考慮參考信號帶來的誤差影（yǐng）響，需要額外引入補償裝置修正（zhèng）誤差；付振江利（lì）用相敏解調技術，施加（jiā）與流量信號基波同（tóng）頻的解調（diào）方波（bō）控製信號（hào）使解調後的幹擾波形（xíng）麵（miàn）積大小相等方向相反（fǎn）平均值為零；李飛采用變送器調零法，調整電位器的（de）中心觸點找到一個平衡點使兩個回路電流抵消消除幹擾；周（zhōu）美蘭等
提出在硬件電路（lù）上加入模擬開關， 幹擾尖峰到來時斷開模擬開（kāi）關（guān）避免幹擾進入後級電路，尖峰過去重新打開模擬開關；K．Saito 等提出漂移校正（zhèng）法，先以高勵磁頻率進行勵磁，在勵磁過程中插入低勵磁（cí）頻率提（tí）取用於漂（piāo）移校正的非固定微分噪聲分量，但在插入的低勵磁頻（pín）率段漿液噪聲較大且很難將漿液噪聲（shēng）與流量信號分離（lí），此時的校正因子非單純的非固定噪聲分量，改進措施是長時間取（qǔ）平均值得（dé）到（dào）穩定（dìng）因子（zǐ）。 傳統方法是同步采樣保持法，即在磁場穩定階段采樣。 其他消除幹擾的方法有設置幹擾補償機構、控製勵磁電（diàn）流變化（huà）率減小幹（gàn）擾（rǎo）幅值（zhí）、矩形波代（dài）替梯形（xíng）波、希爾伯特黃變換結合傅裏（lǐ）葉變換和程（chéng）控（kòng）增（zēng）益技術（shù）等。經上述對現有的文獻分析與總結可知， 當前消除微分（fèn）噪聲（shēng）主要從信號處理方麵入手，並未對影響噪（zào）聲（shēng）的（de）因（yīn）素加以研究。 本（běn）文建立電*測量回路等效模型，給（gěi）出仿真模型搭建、參數取值和仿真結果（guǒ）分析。
2 電*測量回路模（mó）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化學反應在電*－溶液界麵形成阻抗，通常由法拉*阻抗與雙電層電（diàn）容並聯組成。 法拉*過程分為電荷傳遞過（guò）程和擴散過程，相應的法拉（lā）*阻抗由電荷（hé）傳遞電阻與擴（kuò）散阻抗串聯組成。一般化工（gōng）原料流量計的勵磁頻率大於1Hz，而擴（kuò）散阻抗發生在更低頻率內，不考慮擴（kuò）散過程，電*等效阻抗為電荷傳遞電阻與雙電層（céng）電容並聯後再與電*接觸電阻串聯（lián）。 基於電*阻抗建立的電*等效測量回路如圖 1 所示（shì）。圖（tú）中：Rs1 和 Rs2 為電荷傳遞電阻；C1 和 C2 為雙電層電容；Rt為兩個測量電*間的接觸電阻滿足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵磁線圈等效電感；L1 為閉合回路等效電感；R1 和 R2 為放（fàng）大器輸入（rù）電阻；P1和 P2 為由“變壓器（qì）效應”疊（dié）加在測量電（diàn）*上的微分幹擾；U1 為（wéi）流體切割磁力線產（chǎn）生的感應電勢；Ue 為勵（lì）磁電壓。 假設磁感應強度由勵磁電流決定且成正比關係即 B＝aI，忽略串模等幹擾（rǎo）則電*間電壓為感應電勢與（yǔ）微分幹擾的疊加，基本方（fāng）程如下：
2．2 參數取值
電*上的感應電動勢在（zài）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（zhōng）流速感應電勢取（qǔ） 10mV。放大器的輸入電阻遠遠大於內阻，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（dǎo）率有關一般取 Rt＝15kΩ。雙電 層 電 容（róng） C1＝20μF。 將各參數值（zhí）代入到式（7）中，可得 k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情況兩（liǎng）個電*參數取值相等， 實際中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*信號仿真
3．1 仿真模型
本文（wén）基於 Matlab 中 Siumlink 對電*信號進行仿真（zhēn），勵（lì）磁方式為三值波勵磁，勵磁頻（pín）率 f＝25Hz，傳（chuán）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。基於電*測量回路搭建（jiàn）的仿真模型如圖 2 所示，圖中信號模塊 pulsGenerator 通過加法器、乘法器得到勵磁電流。由公式（1），在固定（dìng）流速下感應電勢與勵磁電流成正比，通過增加 Gain1 模塊得到感應（yīng）電勢（shì）信號（hào）。 對勵磁電（diàn）流進（jìn）行求（qiú）導即經模塊 Derivative 得到微分噪聲， 其中 Gain 值與 Lx 和 L1 相關。 感應電（diàn）勢與噪聲經Add1 疊加（jiā）之後得到電*信號 E1（t）。 scope 觀（guān）察輸（shū）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（shì）中，得電流上升（shēng）時間為 360μs，測得實際上升時間為 390μs，兩（liǎng）者相差不大，驗證了（le）仿真模型的正確（què）性。
3．2 仿真實驗（yàn）
仿真試驗中，設定線圈等效（xiào）電感取值範圍為 162～212mH，間隔 10mH；閉（bì）合回路等效電感範圍 0．2～1mH，間隔（gé）為 0．2mH；雙電層電（diàn）容、接觸電阻隨流（liú）體電導率變化而變化，電導（dǎo）率增大接（jiē）觸（chù）電阻和（hé）雙電層電容減小而電荷傳遞電阻（zǔ）增大（dà）。可設定電*接觸電阻（zǔ）、雙電層電容（róng）和電荷傳（chuán）遞電阻範圍分別（bié）為（wéi） 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由公式（7）知，可用 T2 表示上述三者關係（xì）。 仿真參數取值不同情況下，通過 MATLAB 工具箱對仿真測（cè）量（liàng）得到的幹擾峰值進行曲線（xiàn）擬合畫出相應的曲線圖。 其（qí）中仿真數據和相對應的曲線方程如表 1～表 4 所示，曲線圖如圖 4～圖 6。
3．3 仿真結果分（fèn）析
圖 4 為改（gǎi）變勵磁線圈等效電感其它值保持不變時測得的幹擾結果，可（kě）以看出，當線圈等效電感取值不同（tóng）時，幹擾峰值存在變化，電感越大線圈中電（diàn）流上升（下降）時間（jiān）越長（zhǎng），微分幹擾越大。圖 5 為改變測量回路等效電感即等價於（yú）改變交（jiāo）變磁力線穿（chuān）過測量回路等效（xiào）麵積時測得的幹擾結果， 隨著值增（zēng）大幹擾呈逐（zhú）漸增大的趨勢。 因此要避免電（diàn）*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（dé）的幹擾結果， 當溶液電導率改變時電*等效阻抗值變化， 同樣會對微分（fèn）噪聲產生較大影響。 電導率越大幹擾峰值越小。
4 結束語
本文運用 MATLAB 仿真（zhēn）軟件對化工原料流量（liàng）計電（diàn）*信號進行建模仿真（zhēn），通（tōng）過該模型分析勵磁線圈等效電感、閉合回路和電*等效阻抗取（qǔ）值變化情況下微分幹擾變化（huà）， 得到影響微分幹擾（rǎo）原因， 從而為後續（xù）研究（jiū）及消（xiāo）除幹擾得到真實流（liú）量信（xìn）號減小測（cè）量誤差提（tí）供理論依據。
關於汙（wū）水（shuǐ）流量計的（de）安裝規範與安裝圖 關於汙水流量計的工作原理及組（zǔ）成部分介紹 汙水流量計的適用範圍特點及如何選型（xíng） 汙水（shuǐ）流量計公稱通徑與流量範圍對照圖 汙水流量計（jì）電（diàn）*與襯裏材料選型對照表（biǎo） 汙水流量計的外形（xíng）和安裝尺寸圖示與對照表 汙水流量計的故障檢查與分析匯總 分體式與一體式汙水流量計如何接線圖解 汙水流量計顯示波動（dòng）大的原因分析 介質密度對渦街流量計的影響 渦（wō）街流量計安裝（zhuāng）對直管段的要求 渦街流量計應用中常見問題及（jí）分析 渦街流量計夾持型和法（fǎ）蘭型（xíng）的區別 渦街流量計傳感器的類（lèi）型（xíng）有哪些（xiē） 影響渦街流量計準確性的因素有（yǒu）哪些 孔板流量計與文丘裏流量計的比較 孔（kǒng）板流量（liàng）計的選型原則 孔板流量計的（de）主要特點 孔板流量計與楔形流量（liàng）計（jì）的差別 孔板（bǎn）流量計和阿牛巴流量（liàng）計的（de）區別 孔板流（liú）量計和v錐流量計的優缺點比較 孔（kǒng）板流量計的故障及處（chù）理方法 孔板（bǎn）流量計維護保養操作規程 質量流量計適用哪些領域 質量流量計（jì）使用方法和注意事項 超聲波流量計在線校準方法 超聲（shēng）波流（liú）量計出現（xiàn）負值的原因與處理 橢圓齒（chǐ）輪流量計的精度範圍（wéi） 橢圓齒輪流量計齒輪卡住處理方法 超聲波流量計波（bō）動的原因
化（huà）工原料流量計是基於法拉*電磁感應定律的流（liú）量儀表， 主要由傳感器和變送器組成，傳感器將待測流體轉換成電信號，變送器對電信號（hào）進行一係列的處理轉換成實際（jì）對應的流量。 理想情況下電*上感應出的電勢與（yǔ）流體（tǐ）流速成正（zhèng）比， 但在實際中電*信號摻雜許多幹擾信（xìn）號（hào），主要的幹（gàn）擾為微分幹擾（rǎo）、同（tóng）向幹擾、工（gōng）頻幹擾、共模幹擾、串模幹擾、漿液幹擾（rǎo）和*化（huà）幹擾等。 為確保流量計測量準確性須對幹擾進行抑製， 如采用交流勵磁（cí）克服*化幹擾、高（gāo）共模抑製比差分放大器克服共模幹擾、勵磁頻率為工頻整數（shù）倍（bèi）克服工頻幹擾、良好接地技術和靜電屏蔽克服串模幹擾、漿液噪聲符合 1 ／ f 特（tè）性可（kě）通過提高勵磁頻率加以克服。
經上述信號處理方法（fǎ）之（zhī）後電*上主要的幹擾為微分幹擾。 當采用交流（liú）勵磁時，由於存在勵磁（cí）線圈等效電感，勵磁切（qiē）換過（guò）程中勵磁電流存在漸（jiàn）變過程，在這一過程中磁感應（yīng）強度處於非（fēi）穩定（dìng）狀態，變化的磁場穿過（guò）由被測流體、測（cè）量電*、電*引出線和變送器共同組成的閉合回路， 實際（jì）中（zhōng）該回路不可能與磁力線保持平行，此時勵磁線圈相（xiàng）當於變壓器的初（chū）級線圈，閉合回路等（děng）價於隻有一匝的次級線（xiàn）圈且回路（lù）大小可等效（xiào）為回（huí）路電感。 根據“變壓器效應”會產生一個尖峰即微分幹（gàn）擾疊加在電*上，影響流量的測量。
1 微分幹擾相關研（yán）究
當（dāng）前國（guó）內外許多專家學（xué）者對微（wēi）分噪聲消除做了（le）大量研究，周（zhōu）真等提出（chū）建（jiàn）立電*間信號數學模型的方法，成功分離交（jiāo）流微分幹擾信號和直（zhí）流流量信號，分離後的幹擾信號經過濾波器濾除；何小克（kè）提出數模（mó）混合*優相（xiàng）關濾波法，方波勵磁時微（wēi）分信號和參考（kǎo）信號（hào）相乘後通過低通濾波器（qì），其值為零消除幹擾，正弦波勵磁時幹擾信號（hào）與流量（liàng）信號相位相差 90°互相關函數為零（líng）特性消除幹（gàn）擾，但文中並未考慮參考信號帶來的誤差影（yǐng）響，需要額外引入補償裝置修正（zhèng）誤差；付振江利（lì）用相敏解調技術，施加（jiā）與流量信號基波同（tóng）頻的解調（diào）方波（bō）控製信號（hào）使解調後的幹擾波形（xíng）麵（miàn）積大小相等方向相反（fǎn）平均值為零；李飛采用變送器調零法，調整電位器的（de）中心觸點找到一個平衡點使兩個回路電流抵消消除幹擾；周（zhōu）美蘭等
提出在硬件電路（lù）上加入模擬開關， 幹擾尖峰到來時斷開模擬開（kāi）關（guān）避免幹擾進入後級電路，尖峰過去重新打開模擬開關；K．Saito 等提出漂移校正（zhèng）法，先以高勵磁頻率進行勵磁，在勵磁過程中插入低勵磁（cí）頻率提（tí）取用於漂（piāo）移校正的非固定微分噪聲分量，但在插入的低勵磁頻（pín）率段漿液噪聲較大且很難將漿液噪聲（shēng）與流量信號分離（lí），此時的校正因子非單純的非固定噪聲分量，改進措施是長時間取（qǔ）平均值得（dé）到（dào）穩定（dìng）因子（zǐ）。 傳統方法是同步采樣保持法，即在磁場穩定階段采樣。 其他消除幹擾的方法有設置幹擾補償機構、控製勵磁電（diàn）流變化（huà）率減小幹（gàn）擾（rǎo）幅值（zhí）、矩形波代（dài）替梯形（xíng）波、希爾伯特黃變換結合傅裏（lǐ）葉變換和程（chéng）控（kòng）增（zēng）益技術（shù）等。經上述對現有的文獻分析與總結可知， 當前消除微分（fèn）噪聲（shēng）主要從信號處理方麵入手，並未對影響噪（zào）聲（shēng）的（de）因（yīn）素加以研究。 本（běn）文建立電*測量回路等效模型，給（gěi）出仿真模型搭建、參數取值和仿真結果（guǒ）分析。
2 電*測量回路模（mó）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化學反應在電*－溶液界麵形成阻抗，通常由法拉*阻抗與雙電層電（diàn）容並聯組成。 法拉*過程分為電荷傳遞過（guò）程和擴散過程，相應的法拉（lā）*阻抗由電荷（hé）傳遞電阻與擴（kuò）散阻抗串聯組成。一般化工（gōng）原料流量計的勵磁頻率大於1Hz，而擴（kuò）散阻抗發生在更低頻率內，不考慮擴（kuò）散過程，電*等效阻抗為電荷傳遞電阻與雙電層（céng）電容並聯後再與電*接觸電阻串聯（lián）。 基於電*阻抗建立的電*等效測量回路如圖 1 所示（shì）。圖（tú）中：Rs1 和 Rs2 為電荷傳遞電阻；C1 和 C2 為雙電層電容；Rt為兩個測量電*間的接觸電阻滿足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵磁線圈等效電感；L1 為閉合回路等效電感；R1 和 R2 為放（fàng）大器輸入（rù）電阻；P1和 P2 為由“變壓器（qì）效應”疊（dié）加在測量電（diàn）*上的微分幹擾；U1 為（wéi）流體切割磁力線產（chǎn）生的感應電勢；Ue 為勵（lì）磁電壓。 假設磁感應強度由勵磁電流決定且成正比關係即 B＝aI，忽略串模等幹擾（rǎo）則電*間電壓為感應電勢與（yǔ）微分幹擾的疊加，基本方（fāng）程如下：
2．2 參數取值
電*上的感應電動勢在（zài）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（zhōng）流速感應電勢取（qǔ） 10mV。放大器的輸入電阻遠遠大於內阻，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（dǎo）率有關一般取 Rt＝15kΩ。雙電 層 電 容（róng） C1＝20μF。 將各參數值（zhí）代入到式（7）中，可得 k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情況兩（liǎng）個電*參數取值相等， 實際中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*信號仿真
3．1 仿真模型
本文（wén）基於 Matlab 中 Siumlink 對電*信號進行仿真（zhēn），勵（lì）磁方式為三值波勵磁，勵磁頻（pín）率 f＝25Hz，傳（chuán）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。基於電*測量回路搭建（jiàn）的仿真模型如圖 2 所示，圖中信號模塊 pulsGenerator 通過加法器、乘法器得到勵磁電流。由公式（1），在固定（dìng）流速下感應電勢與勵磁電流成正比，通過增加 Gain1 模塊得到感應（yīng）電勢（shì）信號（hào）。 對勵磁電（diàn）流進（jìn）行求（qiú）導即經模塊 Derivative 得到微分噪聲， 其中 Gain 值與 Lx 和 L1 相關。 感應電（diàn）勢與噪聲經Add1 疊加（jiā）之後得到電*信號 E1（t）。 scope 觀（guān）察輸（shū）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（shì）中，得電流上升（shēng）時間為 360μs，測得實際上升時間為 390μs，兩（liǎng）者相差不大，驗證了（le）仿真模型的正確（què）性。
3．2 仿真實驗（yàn）
仿真試驗中，設定線圈等效（xiào）電感取值範圍為 162～212mH，間隔 10mH；閉（bì）合回路等效電感範圍 0．2～1mH，間隔（gé）為 0．2mH；雙電層電（diàn）容、接觸電阻隨流（liú）體電導率變化而變化，電導（dǎo）率增大接（jiē）觸（chù）電阻和（hé）雙電層電容減小而電荷傳遞電阻（zǔ）增大（dà）。可設定電*接觸電阻（zǔ）、雙電層電容（róng）和電荷傳（chuán）遞電阻範圍分別（bié）為（wéi） 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由公式（7）知，可用 T2 表示上述三者關係（xì）。 仿真參數取值不同情況下，通過 MATLAB 工具箱對仿真測（cè）量（liàng）得到的幹擾峰值進行曲線（xiàn）擬合畫出相應的曲線圖。 其（qí）中仿真數據和相對應的曲線方程如表 1～表 4 所示，曲線圖如圖 4～圖 6。
3．3 仿真結果分（fèn）析
圖 4 為改（gǎi）變勵磁線圈等效電感其它值保持不變時測得的幹擾結果，可（kě）以看出，當線圈等效電感取值不同（tóng）時，幹擾峰值存在變化，電感越大線圈中電（diàn）流上升（下降）時間（jiān）越長（zhǎng），微分幹擾越大。圖 5 為改變測量回路等效電感即等價於（yú）改變交（jiāo）變磁力線穿（chuān）過測量回路等效（xiào）麵積時測得的幹擾結果， 隨著值增（zēng）大幹擾呈逐（zhú）漸增大的趨勢。 因此要避免電（diàn）*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（dé）的幹擾結果， 當溶液電導率改變時電*等效阻抗值變化， 同樣會對微分（fèn）噪聲產生較大影響。 電導率越大幹擾峰值越小。
4 結束語
本文運用 MATLAB 仿真（zhēn）軟件對化工原料流量（liàng）計電（diàn）*信號進行建模仿真（zhēn），通（tōng）過該模型分析勵磁線圈等效電感、閉合回路和電*等效阻抗取（qǔ）值變化情況下微分幹擾變化（huà）， 得到影響微分幹擾（rǎo）原因， 從而為後續（xù）研究（jiū）及消（xiāo）除幹擾得到真實流（liú）量信（xìn）號減小測（cè）量誤差提（tí）供理論依據。
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