基於冷卻水流（liú）量計的電*幹擾信號（hào）仿真研究
點（diǎn）擊次數：2030 發布時間：2021-09-04 02:07:40
摘要：傳統冷卻水流量計（jì）在消除微分幹擾時大多數采用在硬件（jiàn）電路上消除或者避開微分幹擾時段進行采樣，很少研究（jiū）影響幹擾的原因。基於真實電*情況（kuàng），建立電*回路測量模型並基於模型進行電*信號仿真，研究了傳感器參數和電（diàn）*參數變化（huà）對（duì）微分幹擾（rǎo）的影響。 結果表明，當參（cān）數取值（zhí）不同時尖峰幹擾（rǎo）也不相同，從而為研究和（hé）消除幹擾減小（xiǎo）測量（liàng）誤差提供理論依（yī）據。
冷卻水流量計是基於法（fǎ）拉*電磁感（gǎn）應定律的流量儀表（biǎo）， 主要由（yóu）傳感器和變送器組成（chéng），傳感（gǎn）器將（jiāng）待測流體轉換成電信號，變送器對電信號進行一係列的處理轉換成實際對應（yīng）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（duō）幹擾信（xìn）號，主要的幹擾為微分（fèn）幹擾、同向幹擾、工（gōng）頻幹擾、共模幹擾、串模幹擾、漿液幹擾和*化幹擾等。 為確保流量計（jì）測量（liàng）準確性須對幹擾進行抑製， 如采用交流勵磁克服*化幹擾、高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倍克服工頻幹擾、良好接地技術和靜電屏蔽克服串模幹擾、漿液噪聲符（fú）合 1 ／ f 特性可通過提高勵（lì）磁頻率加以克（kè）服。
經上述信號處理方法之後電*上主要（yào）的幹擾（rǎo）為微分幹擾（rǎo）。 當采用交（jiāo）流勵磁時，由於存（cún）在勵磁線圈（quān）等效電感，勵磁切換過程中勵磁電流存在（zài）漸變過程，在這一過（guò）程（chéng）中磁感應強度處於非（fēi）穩定狀態，變（biàn）化的磁場穿過由（yóu）被測流體、測量電*、電*引出（chū）線和變送器共同組成的閉（bì）合回路（lù）， 實際中該回（huí）路不可能與磁力線保持平（píng）行，此（cǐ）時勵磁線（xiàn）圈相當於變壓器的初級線圈，閉合回路等價於隻（zhī）有一匝的（de）次級線圈且回路大小可等效（xiào）為回（huí）路（lù）電感。 根據“變（biàn）壓器（qì）效應”會產生一個尖峰即微分幹擾疊（dié）加在電*上，影響流量的測量。
1 微分幹擾相關研究
當前國內外許多專家學者對微分噪聲（shēng）消除做了大量研究，周真等提出建立電*間信號數學模型（xíng）的（de）方法，成功分離交流微分幹擾信號和直流流量信號，分離後（hòu）的幹擾信號經過濾波器濾除；何小克（kè）提出數（shù）模混合*優相關濾波法，方波勵磁（cí）時（shí）微分信號和參考（kǎo）信號相乘後通過低通濾波器，其（qí）值為（wéi）零消除幹擾，正弦波（bō）勵磁時幹（gàn）擾信號與流量信號相位（wèi）相差 90°互相關函數為零特性消除幹擾，但文中並未考慮參考信（xìn）號帶來（lái）的誤差影（yǐng）響，需要額外引（yǐn）入補（bǔ）償裝置修正誤差；付振江利（lì）用相敏解調技術，施加與流量信號基波同頻的解調方波控（kòng）製信號使解調後的幹擾波形麵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（zhěng）電位器的中心（xīn）觸點（diǎn）找到（dào）一（yī）個平衡點使兩個回路電流抵消消除幹擾；周美蘭（lán）等
提（tí）出在硬件（jiàn）電路上加入模擬開關， 幹擾尖峰到來（lái）時斷開模擬（nǐ）開關避免幹擾進入後級電路，尖峰（fēng）過去重（chóng）新（xīn）打開模擬開關；K．Saito 等提出漂移校正法，先以高勵磁頻率進行（háng）勵磁，在勵（lì）磁過（guò）程中插入低勵磁頻率提取用於漂移（yí）校正（zhèng）的（de）非（fēi）固定微分噪（zào）聲分（fèn）量，但在插入的低勵磁（cí）頻率段漿液噪聲較大且很難將漿液噪聲與流量信號分離，此時（shí）的（de）校正因子非單純的非固定噪聲分（fèn）量，改進措（cuò）施是長時（shí）間取平均（jun1）值得到穩定因子。 傳統方法是同（tóng）步采樣保持法，即在磁場穩（wěn）定階段采樣。 其他（tā）消除幹擾的方法有設置幹擾補償（cháng）機構、控製勵磁電流變化率減小幹擾幅值（zhí）、矩形波代替梯形波、希爾伯特黃變換結合傅裏葉變換和程控增益技（jì）術（shù）等。經上述對現有的文獻（xiàn）分析與總結可知， 當前消除微分噪聲主要從信號（hào）處理方麵入（rù）手，並未對影響噪聲（shēng）的（de）因素加以研究。 本文建立電*測量回路等效模型，給出仿真模型搭建、參數取值和仿真（zhēn）結果分析。
2 電*測量（liàng）回路模型（xíng）建立
2．1 測量回路等（děng）效模型
測量電*與流體介質接觸時（shí）會（huì）發生電化學反應在電*－溶（róng）液界麵（miàn）形成（chéng）阻抗，通常由法拉（lā）*阻抗與雙電層（céng）電容並聯（lián）組成。 法拉*過程分（fèn）為電荷（hé）傳（chuán）遞過程和（hé）擴散（sàn）過程，相應的（de）法拉*阻抗由電荷（hé）傳遞電阻與擴散阻抗串聯組成。一般（bān）冷卻（què）水流量計的勵磁頻率大於1Hz，而擴散阻抗發生在更低頻率內，不考慮擴散過程，電*等效阻抗為電荷傳遞電阻與（yǔ）雙電（diàn）層電容並聯後再與電*接觸電阻串聯。 基於電*阻抗建立的電*等效測量回路如圖 1 所（suǒ）示。圖中：Rs1 和 Rs2 為電荷傳遞電阻；C1 和 C2 為雙電層電容（róng）；Rt為兩（liǎng）個測量電*間的接觸電阻滿足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵磁線（xiàn）圈等效電感；L1 為閉合回路等效電感；R1 和 R2 為放（fàng）大器輸入電（diàn）阻；P1和 P2 為由“變壓器效應”疊加在測量電*上的微分幹擾；U1 為流體切割磁力線產生的感應電勢；Ue 為勵磁電壓。 假設磁感應（yīng）強度由勵磁電流決定且成（chéng）正比（bǐ）關係即 B＝aI，忽略串模等幹（gàn）擾則電*間電壓（yā）為感應電勢與微分幹擾的疊加，基本方程如下（xià）：
2．2 參數取值
電*上的感應電動勢在沒有經過放大之前一般很小， 取值在幾毫伏到幾百毫伏之內，本次仿真中流速感應電勢取 10mV。放大器的輸（shū）入電阻遠遠（yuǎn）大（dà）於內阻，文獻中給出電荷傳（chuán）遞（dì）電阻為 Rs＝50Ω。 電*接觸電阻與溶液電導率有關一般取 Rt＝15kΩ。雙電 層 電（diàn） 容 C1＝20μF。 將各參（cān）數值代入到式（7）中，可得（dé） k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情（qíng）況兩個電*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（hào）仿真
3．1 仿真模型（xíng）
本文基於 Matlab 中 Siumlink 對電*信號進行仿真（zhēn），勵磁方式為三值波勵磁，勵磁頻（pín）率（lǜ） f＝25Hz，傳感器參數 D＝40mm、Rx＝88．8Ω、Lx＝162mH，勵磁係統參數（shù） Ue＝100V、穩態（tài）電流 I0＝200mA。基（jī）於電*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 通過加法器（qì）、乘法器得（dé）到勵磁電流。由公式（1），在（zài）固定流速下感應電勢與勵磁電流成正比，通過增加 Gain1 模塊得（dé）到感應電勢信號。 對勵磁電流進行求導即經模塊（kuài） Derivative 得到微分噪聲， 其中 Gain 值與 Lx 和 L1 相關。 感應電勢（shì）與噪聲經Add1 疊（dié）加之後得到電*信號 E1（t）。 scope 觀察輸出（chū）信號波（bō）形。仿真（zhēn）波形（xíng）和真實波形如圖 3 所示。 將傳（chuán）感器（qì）參數代入到勵磁電流穩態調節時間公（gōng）式中，得電流上（shàng）升時間為 360μs，測得實際上升時間為（wéi） 390μs，兩者相差不大，驗證了仿真模型的正確性。
3．2 仿真實（shí）驗
仿（fǎng）真試驗中，設定線圈等效電感取值範圍為 162～212mH，間隔 10mH；閉合回路（lù）等效電感範圍 0．2～1mH，間隔為 0．2mH；雙電層電容、接觸（chù）電阻隨流體電（diàn）導率變化（huà）而變（biàn）化，電導率增大接觸電阻（zǔ）和雙電層電容減（jiǎn）小而（ér）電（diàn）荷傳遞電阻增大。可設定電*接觸電阻、雙電層電容和電荷傳遞電阻範圍分別為 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由公式（7）知，可用（yòng） T2 表（biǎo）示上述三者關係。 仿真參數取（qǔ）值不同情況下，通過 MATLAB 工具箱對仿（fǎng）真測量得到的幹擾峰值（zhí）進行曲線擬合畫出相應的曲線圖。 其中（zhōng）仿真數據和相對應的（de）曲線方程如表 1～表 4 所示，曲線圖如（rú）圖 4～圖 6。
3．3 仿真（zhēn）結果分析
圖 4 為改變勵（lì）磁線圈等效電感其它值保持不變時測得的幹擾結果，可以看出，當線圈等效電感（gǎn）取值（zhí）不同時，幹擾峰值存在變（biàn）化，電感越（yuè）大線圈中電流上（shàng）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（yú）改變交變磁力線穿過測量回路（lù）等效（xiào）麵積時測得（dé）的幹擾結果， 隨著值增大幹擾呈逐漸增（zēng）大的趨（qū）勢。 因此要避免電*走線（xiàn）偏（piān）離（lí），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， 當溶（róng）液電導率改變時電*等效（xiào）阻抗值變化， 同（tóng）樣會對微分噪聲產生較大影響。 電導率（lǜ）越大（dà）幹擾峰值（zhí）越小（xiǎo）。
4 結束語
本文運用 MATLAB 仿真軟件對冷卻水流量計電*信號進行建（jiàn）模仿真，通過該模型分（fèn）析勵磁線圈等效電（diàn）感、閉合回路和電*等效阻（zǔ）抗取值變化情況下微分幹擾變化， 得到影（yǐng）響微分幹擾原因（yīn）， 從而為後續研究及消除幹擾得到真實流量信號減小測量誤差提供理論依據。
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經上述信號處理方法之後電*上主要（yào）的幹擾（rǎo）為微分幹擾（rǎo）。 當采用交（jiāo）流勵磁時，由於存（cún）在勵磁線圈（quān）等效電感，勵磁切換過程中勵磁電流存在（zài）漸變過程，在這一過（guò）程（chéng）中磁感應強度處於非（fēi）穩定狀態，變（biàn）化的磁場穿過由（yóu）被測流體、測量電*、電*引出（chū）線和變送器共同組成的閉（bì）合回路（lù）， 實際中該回（huí）路不可能與磁力線保持平（píng）行，此（cǐ）時勵磁線（xiàn）圈相當於變壓器的初級線圈，閉合回路等價於隻（zhī）有一匝的（de）次級線圈且回路大小可等效（xiào）為回（huí）路（lù）電感。 根據“變（biàn）壓器（qì）效應”會產生一個尖峰即微分幹擾疊（dié）加在電*上，影響流量的測量。
1 微分幹擾相關研究
當前國內外許多專家學者對微分噪聲（shēng）消除做了大量研究，周真等提出建立電*間信號數學模型（xíng）的（de）方法，成功分離交流微分幹擾信號和直流流量信號，分離後（hòu）的幹擾信號經過濾波器濾除；何小克（kè）提出數（shù）模混合*優相關濾波法，方波勵磁（cí）時（shí）微分信號和參考（kǎo）信號相乘後通過低通濾波器，其（qí）值為（wéi）零消除幹擾，正弦波（bō）勵磁時幹（gàn）擾信號與流量信號相位（wèi）相差 90°互相關函數為零特性消除幹擾，但文中並未考慮參考信（xìn）號帶來（lái）的誤差影（yǐng）響，需要額外引（yǐn）入補（bǔ）償裝置修正誤差；付振江利（lì）用相敏解調技術，施加與流量信號基波同頻的解調方波控（kòng）製信號使解調後的幹擾波形麵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（zhěng）電位器的中心（xīn）觸點（diǎn）找到（dào）一（yī）個平衡點使兩個回路電流抵消消除幹擾；周美蘭（lán）等
提（tí）出在硬件（jiàn）電路上加入模擬開關， 幹擾尖峰到來（lái）時斷開模擬（nǐ）開關避免幹擾進入後級電路，尖峰（fēng）過去重（chóng）新（xīn）打開模擬開關；K．Saito 等提出漂移校正法，先以高勵磁頻率進行（háng）勵磁，在勵（lì）磁過（guò）程中插入低勵磁頻率提取用於漂移（yí）校正（zhèng）的（de）非（fēi）固定微分噪（zào）聲分（fèn）量，但在插入的低勵磁（cí）頻率段漿液噪聲較大且很難將漿液噪聲與流量信號分離，此時（shí）的（de）校正因子非單純的非固定噪聲分（fèn）量，改進措（cuò）施是長時（shí）間取平均（jun1）值得到穩定因子。 傳統方法是同（tóng）步采樣保持法，即在磁場穩（wěn）定階段采樣。 其他（tā）消除幹擾的方法有設置幹擾補償（cháng）機構、控製勵磁電流變化率減小幹擾幅值（zhí）、矩形波代替梯形波、希爾伯特黃變換結合傅裏葉變換和程控增益技（jì）術（shù）等。經上述對現有的文獻（xiàn）分析與總結可知， 當前消除微分噪聲主要從信號（hào）處理方麵入（rù）手，並未對影響噪聲（shēng）的（de）因素加以研究。 本文建立電*測量回路等效模型，給出仿真模型搭建、參數取值和仿真（zhēn）結果分析。
2 電*測量（liàng）回路模型（xíng）建立
2．1 測量回路等（děng）效模型
測量電*與流體介質接觸時（shí）會（huì）發生電化學反應在電*－溶（róng）液界麵（miàn）形成（chéng）阻抗，通常由法拉（lā）*阻抗與雙電層（céng）電容並聯（lián）組成。 法拉*過程分（fèn）為電荷（hé）傳（chuán）遞過程和（hé）擴散（sàn）過程，相應的（de）法拉*阻抗由電荷（hé）傳遞電阻與擴散阻抗串聯組成。一般（bān）冷卻（què）水流量計的勵磁頻率大於1Hz，而擴散阻抗發生在更低頻率內，不考慮擴散過程，電*等效阻抗為電荷傳遞電阻與（yǔ）雙電（diàn）層電容並聯後再與電*接觸電阻串聯。 基於電*阻抗建立的電*等效測量回路如圖 1 所（suǒ）示。圖中：Rs1 和 Rs2 為電荷傳遞電阻；C1 和 C2 為雙電層電容（róng）；Rt為兩（liǎng）個測量電*間的接觸電阻滿足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵磁線（xiàn）圈等效電感；L1 為閉合回路等效電感；R1 和 R2 為放（fàng）大器輸入電（diàn）阻；P1和 P2 為由“變壓器效應”疊加在測量電*上的微分幹擾；U1 為流體切割磁力線產生的感應電勢；Ue 為勵磁電壓。 假設磁感應（yīng）強度由勵磁電流決定且成（chéng）正比（bǐ）關係即 B＝aI，忽略串模等幹（gàn）擾則電*間電壓（yā）為感應電勢與微分幹擾的疊加，基本方程如下（xià）：
2．2 參數取值
電*上的感應電動勢在沒有經過放大之前一般很小， 取值在幾毫伏到幾百毫伏之內，本次仿真中流速感應電勢取 10mV。放大器的輸（shū）入電阻遠遠（yuǎn）大（dà）於內阻，文獻中給出電荷傳（chuán）遞（dì）電阻為 Rs＝50Ω。 電*接觸電阻與溶液電導率有關一般取 Rt＝15kΩ。雙電 層 電（diàn） 容 C1＝20μF。 將各參（cān）數值代入到式（7）中，可得（dé） k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。 理想情（qíng）況兩個電*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（hào）仿真
3．1 仿真模型（xíng）
本文基於 Matlab 中 Siumlink 對電*信號進行仿真（zhēn），勵磁方式為三值波勵磁，勵磁頻（pín）率（lǜ） f＝25Hz，傳感器參數 D＝40mm、Rx＝88．8Ω、Lx＝162mH，勵磁係統參數（shù） Ue＝100V、穩態（tài）電流 I0＝200mA。基（jī）於電*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 通過加法器（qì）、乘法器得（dé）到勵磁電流。由公式（1），在（zài）固定流速下感應電勢與勵磁電流成正比，通過增加 Gain1 模塊得（dé）到感應電勢信號。 對勵磁電流進行求導即經模塊（kuài） Derivative 得到微分噪聲， 其中 Gain 值與 Lx 和 L1 相關。 感應電勢（shì）與噪聲經Add1 疊（dié）加之後得到電*信號 E1（t）。 scope 觀察輸出（chū）信號波（bō）形。仿真（zhēn）波形（xíng）和真實波形如圖 3 所示。 將傳（chuán）感器（qì）參數代入到勵磁電流穩態調節時間公（gōng）式中，得電流上（shàng）升時間為 360μs，測得實際上升時間為（wéi） 390μs，兩者相差不大，驗證了仿真模型的正確性。
3．2 仿真實（shí）驗
仿（fǎng）真試驗中，設定線圈等效電感取值範圍為 162～212mH，間隔 10mH；閉合回路（lù）等效電感範圍 0．2～1mH，間隔為 0．2mH；雙電層電容、接觸（chù）電阻隨流體電（diàn）導率變化（huà）而變（biàn）化，電導率增大接觸電阻（zǔ）和雙電層電容減（jiǎn）小而（ér）電（diàn）荷傳遞電阻增大。可設定電*接觸電阻、雙電層電容和電荷傳遞電阻範圍分別為 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由公式（7）知，可用（yòng） T2 表（biǎo）示上述三者關係。 仿真參數取（qǔ）值不同情況下，通過 MATLAB 工具箱對仿（fǎng）真測量得到的幹擾峰值（zhí）進行曲線擬合畫出相應的曲線圖。 其中（zhōng）仿真數據和相對應的（de）曲線方程如表 1～表 4 所示，曲線圖如（rú）圖 4～圖 6。
3．3 仿真（zhēn）結果分析
圖 4 為改變勵（lì）磁線圈等效電感其它值保持不變時測得的幹擾結果，可以看出，當線圈等效電感（gǎn）取值（zhí）不同時，幹擾峰值存在變（biàn）化，電感越（yuè）大線圈中電流上（shàng）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（yú）改變交變磁力線穿過測量回路（lù）等效（xiào）麵積時測得（dé）的幹擾結果， 隨著值增大幹擾呈逐漸增（zēng）大的趨（qū）勢。 因此要避免電*走線（xiàn）偏（piān）離（lí），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， 當溶（róng）液電導率改變時電*等效（xiào）阻抗值變化， 同（tóng）樣會對微分噪聲產生較大影響。 電導率（lǜ）越大（dà）幹擾峰值（zhí）越小（xiǎo）。
4 結束語
本文運用 MATLAB 仿真軟件對冷卻水流量計電*信號進行建（jiàn）模仿真，通過該模型分（fèn）析勵磁線圈等效電（diàn）感、閉合回路和電*等效阻（zǔ）抗取值變化情況下微分幹擾變化， 得到影（yǐng）響微分幹擾原因（yīn）， 從而為後續研究及消除幹擾得到真實流量信號減小測量誤差提供理論依據。
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