生活廢水流量計（jì）的（de）抗幹擾措施及其效果分析（xī）

摘要：為了（le）抑製和排除生（shēng）活廢水流量（liàng）計測（cè）量過程中的幹擾，提高信噪比，提高（gāo）測（cè）量的精確度和穩定性，討論了生活廢水流量計幾類幹擾噪聲產生（shēng）的物理機理和（hé）特征，簡要闡述了生活廢水流量計的幾種硬件和軟件方麵的（de）抗幹擾技術（shù）。硬件方麵設計了高精度低功耗的矩形波激磁電路，並從（cóng）激磁電路中引出A/D轉換器的參考電壓，提高了A/ D轉（zhuǎn）換結果的抗幹擾能力。軟件方麵主要采用“計算斜率法（fǎ）”和“正負差值法（fǎ）”相結合的方法消除（chú）零點漂移。實驗表明，這些方（fāng）法在智能生活（huó）廢水流量計的（de）測量過程中（zhōng）取得了明顯的效果。
生活廢水流量計是利用法拉*電磁感應定（dìng）律來測量導（dǎo）電液體的體積流量（liàng）的儀表，具（jù）有很多突出的優點，例（lì）如：無可動部件，不會產生壓力（lì）損失和堵塞管道；測（cè）量導電介質的流量，不受（shòu）溫度、黏度、密度、壓力、雷諾（nuò）數以及在一定範（fàn）圍內電導（dǎo）率變化的影響；測量原（yuán）理為線性，精度高，測（cè）量範圍大；耐腐（fǔ）蝕（shí）性好並且可測量（liàng）正反流速（sù）等等。但在實際測量中，幹擾信號與有用的信號混在（zài）一起，它們不僅成分複雜，而且有時（shí）候幹擾信號還會比（bǐ）流量信號大。在這種情況下怎樣抑製（zhì）和排除這些幹擾，提高信噪比，提高測量的精確度和穩定性就成了（le）研製（zhì）和使用生活廢水流量計的一個技術關鍵。
以往的生活廢水（shuǐ）流量計的設計很多還有待改進，例如：激（jī）磁電路基本采用模（mó）擬式恒（héng）流源，功耗大的同時也引入了幹擾，並且精確度不高；轉換器大多使用8位（wèi）或16位的單片（piàn）機，較為複雜的算（suàn）法就難以實現或響（xiǎng）應時間過慢；抗幹擾主要集中在硬件電路的設計等。本係統采（cǎi）用32位ARM處理器，提（tí）高數據處理能力（lì）和算法複雜度；並設計了低功耗（hào）的激磁（cí）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（bìng）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（tā）幹擾的措施，使生活廢水流量計測量精度更為提高。
1、生活廢水流量計的測量原理
由法拉*電磁感應定（dìng）律（lǜ）可知，當導體在磁場中做切割磁力線運動時，在導體兩端就產生感應電動勢。設在（zài）磁場強度為（wéi）B的均勻磁場中放置（zhì）一個垂直於磁場方向的直徑（jìng）為D的管道，當導電液體在管道中流動時，導電液體（tǐ）切（qiē）割磁力線，就會在和磁場及流動方向垂直的方向產生感應電動勢。如果在管道截麵（miàn）上垂直於磁場的直徑兩端安裝一（yī）對電*，兩電*之（zhī）間就會產生感（gǎn）應電動勢（shì）。如管道內流速v為軸對稱分布，不考慮感應電動勢的正負可得：

其中（zhōng），B為磁（cí）感應強度（dù），A為磁通量（liàng）變化（huà）麵積，D為導（dǎo）體長度（dù），dl為被測介（jiè）質（zhì）運動的距離，v為被測介（jiè）質運動的速度，U為感應電動勢。
所測液體的體積流量為：

式（1）說明，導體（tǐ）在磁場內作切割磁力線運動，導體（tǐ）兩端產（chǎn）生的感應電動勢的大小（xiǎo）與磁感應強度B成（chéng）正比，與導體的長度D成正（zhèng）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動（dòng）勢成正比，這就是生活廢水流量計的設計原理。
2、生活廢水流量（liàng）計中的（de）幹擾源分析
傳感器提供給轉換器的流量信號是電*間的電位差，即一種電壓信號。在實際測量中，由於電磁感應、靜電感應以及電化學電勢等原因，電*上所得到的電壓不（bú）僅僅是與流速成比（bǐ）例的電動（dòng）勢，也（yě）包含（hán）各種各（gè）樣的幹擾成分在（zài）內（nèi）。
*先生活廢水流量計工作現場存在大量的工頻信號，耦合在激磁回路、電*、前（qián）端放大器的工頻幹擾噪聲對流量測量的準確性造成*大的影響。其次，在低頻矩形波激磁方（fāng）式下，其幹擾（rǎo）主要（yào）表（biǎo）現為由激磁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，由於電磁（cí）流量（liàng）傳（chuán）感器的“變壓器效應”，會產生相位上與流量（liàng）信號相差90°的正交幹擾（rǎo）信號；此外，由於電磁屏蔽缺陷，接（jiē）地不良，雜散電容等引起返回電流不（bú）平衡產生共模幹擾，它可能導（dǎo）致電路某些參考電位變化，是（shì）造成生活廢水流量計零點漂移的原因之一，同時產生高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化；串（chuàn）模幹擾是由（yóu）於印刷電路板設計電磁兼容性考慮不足造成的（de）信號質量下降，特別是（shì）高速走線和模擬電路易受到影響；還有就是電化學*化電（diàn）動（dòng）勢幹擾（rǎo），它是被測液體中電（diàn）解質在感應電場作用下在電*表麵*化（huà）產生，是生活（huó）廢水流量計零點漂移的主要原因。
3、生活廢（fèi）水流量計的抗幹擾（rǎo）措施（shī）及其效果分析
3.1高精（jīng）度的激磁電路的設計
該係統采用6.25Hz的雙*性（xìng）低頻矩形波激磁，這種激磁方式不僅（jǐn）可（kě）以克服直流激磁產生的電**化效應，也可以（yǐ）克服工頻正（zhèng）弦（xián）波激磁產（chǎn）生的正交幹擾影（yǐng）響。
以（yǐ）往的（de）激磁電（diàn）路的設計（jì）都是采（cǎi）用恒（héng）流源和（hé）可控開關電路組（zǔ）成。恒流源是由電壓基準、比較放大、控製調整和采樣等部分組（zǔ）成的直流負反饋自動調節係統，常用的激磁電路（lù）就是用串聯調整型恒流電源盒控製（zhì）開（kāi）關組成的，如圖1。其中Vref是參考電壓，Rs是采樣電（diàn）阻，Is為流過Rs的電流，就是所需的恒流，RL為（wéi）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（chuán）感器激磁（cí）。

由理想（xiǎng）運算放大器（qì）“虛短”原理可知：

由此可知（zhī），要想獲得一個穩定的輸出電流（liú）Is，*先，必須要提供一個高（gāo）精度的基準電壓和高精（jīng）度采樣電阻。由於運放在調整控製過（guò）程中的作用，運放的增（zēng）益直接（jiē）影響輸出電（diàn）流的精度（dù），高增益和低漂移的運放是必要的（de）選擇。由於（yú）采樣電阻與負載串連（lián），流過的電流通常比較大，因此局部溫度也會隨之上升，導致元器件溫度（dù）上升，恒流源的溫度穩定性變壞，采樣（yàng）電阻Rs隨溫度或其他環境參數的（de）變化而改變，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，因此調整管上的（de）功耗也很大，必須選（xuǎn）擇大功率的晶體管，然而（ér）大功率晶體（tǐ）管需要較大的基*驅（qū）動電流，以滿足對運（yùn）放有較高驅動能力的（de）要求。再次，雙*型三*管的漏電流和（hé）電流放大係數對溫度比較敏感，溫度穩（wěn）定性（xìng）較差。還有，電壓（yā）電流變換器使用的負反饋閉環控（kòng）製，電流穩定度與放大器放大倍數有直（zhí）接（jiē）關係，在大功率電源裏基本上是倒數關係。運放的溫度漂移和失調對電路的（de）精度和溫度穩定性有很大的影響。
為此（cǐ），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，以消除激勵電流不穩定對A/D轉換（huàn）結果（guǒ）的影響，如圖2。

其中+24V是由220V的交（jiāo）流電通（tōng）過變壓、整流、濾波之後，輸入可調集成穩壓器LM317，通過高精度的滑動變阻（zǔ）器調節而得（dé）到的恒壓源。LM317保證1.5A輸（shū）出電流（liú），典型線性調（diào）整率0.01%，典型負載調整率0.1%，80dB紋波抑製比，輸出短路保護（hù），過流、過熱保護，調整管（guǎn）安全工作區保護。係（xì）統的微控製器采用ARM7芯片（piàn）STR710，通過它的I/O端口控（kòng）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（zhèng）負24V交變的矩形波，從而對傳感（gǎn）器激磁。另外，Vref（+）接該（gāi）係統A/D轉換器的參考（kǎo）輸入端（duān）VREF（+）。
整個電路（lù）的工作（zuò）過程為：當P2.9為高電平時，Q1、Q2、Q3、Q4導（dǎo）通，此時（shí）Q5的基（jī）*電（diàn）流（liú）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，Q6、Q7、Q8、Q9，此時有電流流經Q10基*，並使其基（jī）*和發射級導通，Q10的功能相當於（yú）一（yī）個二*管的作用，此時P1端（duān）口沒有電壓輸出。那麽，A/D轉換（huàn）器的參考輸入端Vref（+）為：

其中，Vp2是P2端（duān）口輸（shū）出電壓幅值（zhí）的絕對值，此處應該是+24V。整個電路是對稱的（de），且R15=R20，當（dāng）P2.9為（wéi）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的電壓，Vref（+）值不變，如此（cǐ）周而複始輸（shū）出頻率（lǜ）為6.25Hz的的雙（shuāng）*性矩形（xíng）波（bō）。用Multisim仿（fǎng）真結果如圖3所示。

此外，把Vref（+）作為A/D轉換（huàn）器的參考輸入（rù），可以大大提高係統的溫度穩定性。A/D轉換的結果可表（biǎo）示（shì）為：

其中，Vin為經放大、濾波處理過的（de）電壓信號，也是A/D轉換器的輸入信號，Vout為傳（chuán）感器輸出的原（yuán）始流量信號，K0為信（xìn）號放大倍數。
由公式（1）可知：

通電螺線管線圈產生的（de）磁場為：

其中，μ0為真空磁（cí）導（dǎo）率，N為傳感器（qì）線圈匝數（shù），I為流過線圈的電流，l為（wéi）線圈的長度。
由圖2可知（zhī）：

把式（7）、（8）、（9）帶入（rù）式（6）可（kě）得：

由式（11）、（12）可知在保證（zhèng）R21精度的前提下，A/D轉換的結果隻與液（yè）體的流速有關，不受電磁流量傳感器線圈電阻變（biàn）化的影響。該電路通過MCU控（kòng）製三*管（guǎn）的通斷得到激磁信號，三*管的為電流控製元件，該電路實現了小（xiǎo）電流（liú）控製（zhì）大電壓（yā），三*管的功耗低，電路的響應速度快，溫度穩定性好，抗幹（gàn）擾能力強，對生活廢水流量計（jì）整體精度的提高起到了決定性的作用。
3.2微分幹擾和工頻幹（gàn）擾的消除
信號中往往同時存在微分幹擾和工頻幹擾信（xìn）號，在信號處理電路中的低通濾波往往很難將工頻幹擾完全濾出。本係統（tǒng）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（gàn）擾和工頻電源頻率（lǜ）波動產生工頻幹擾，並有效（xiào）去除微分幹擾。同步采樣技術，采樣開始時間（jiān）滯後激（jī）磁（cí）信號1/4個（gè）周期，其（qí）采樣脈寬為工頻周期的（de）偶數倍，消除微分幹擾的同時使流量信號（hào）電勢中工頻（pín）幹擾平均值等於零，以消（xiāo）除工頻幹擾的影響；工頻電源的頻（pín）率波動補償是保證（zhèng）頻率的動態（tài）波（bō）動中，激磁電源和采樣脈衝得以同步調整，真正實現同（tóng）步采樣技術和同步激磁技術，同步A/D轉換，降低了微分幹擾和工頻幹擾的影響。
3.3零點（diǎn）漂移消除
所謂零點漂移，就（jiù）是當傳感器的輸入信號為零時，放大器的輸出（chū）並（bìng）不是零。零點漂移的（de）信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（jiào）大（dà）的信（xìn）號，由於傳感器輸出的有用信號（hào）較弱，零點（diǎn）漂移就可能將有用信號（hào）淹沒，使電路無法正常工作。零點漂移可分為基線零點漂移和（hé）斜率零點漂移。對於零（líng）點漂移的抑製（zhì），該係統采用軟（ruǎn）硬件相結合的措施。硬件電路方麵，采用（yòng）三運放的差動電路輸入，實現對大（dà）內阻的微弱信號采集（jí），並有效抑製了共模信號的引入。一（yī）級放大電路之（zhī）後采用隔直電容，濾除（chú）基（jī）線零點漂移（yí），防（fáng）止直流信（xìn）號過大，超出A/D轉（zhuǎn）換的輸（shū）入範圍。
有（yǒu）時硬（yìng）件的方法是不可（kě）能完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（shì）虛（xū）擬硬件。結合硬件采用軟件的方法簡單易行，可以很好消除采集數據中的零點漂移，並且其成本比用（yòng）硬件的方法低，改（gǎi）進軟件的算法可以方便實現對係統的改進。對於該係統（tǒng）的（de）零點（diǎn）漂移，采用“計（jì）算斜率法”和（hé）“正負差（chà）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（piāo）移對生活（huó）廢水流量計精度的影響。
圖（tú）4為經過信號處理和同步采樣後的信號，同時存在基線零點漂移和斜率零點漂移。斜率零點漂移則多見於積分係統，隨著時（shí）間的推移，積分器的零點可能會出現**間累加漂移。此（cǐ）外，外界的環境溫度的變化也是斜率零點漂（piāo）移產（chǎn）生的重要原因。

鑒於斜率零點（diǎn）漂移產生的機理，可以在標定的時候確定零點漂移的斜（xié）率K。也就（jiù）是在管道液體靜止不動流量為零的時候對輸出信號進（jìn）行采樣，設從時間t1進（jìn）行采樣，采樣曆時Δt，經過一段時（shí）間後又從t2開始采樣，曆時Δt後采樣結束。分別得（dé）到兩組離散的信號x1到xn和x1到xn，分別除去*大值、*小值後（hòu）對（duì）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（piāo）移，“正負差值法”是（shì）比較有（yǒu）效便捷的選擇，它不需要直接消除信號中的基線零點漂移，而是通過（guò）算法上（shàng）去掉基線零點漂（piāo）移對（duì）測量結果的影（yǐng）響。該係統中，激磁（cí）信號的頻率為6.25Hz，由於所測量的液體流（liú）速不會有明顯的突變，所以在信號的一（yī）個周期0.16s內（nèi），可（kě）以采用一（yī）個波峰減去波穀的均值來表示此時的流量信（xìn）號，也即如圖3中|y4-y1|其中y4是（shì）從（cóng）nT+T/4到nT+T/2采（cǎi）樣結果的算術平均值（zhí），y1是（shì）從（cóng）到（n+1）T進行采（cǎi）樣結果的（de）算術平均值。但（dàn）是由於斜率零點漂移的存（cún）在，會出現如圖（tú）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（hòu）的結果也就是此時管道中液（yè）體感應出（chū）的電動勢（shì）為：

對（duì）於式（16）結果，去除了工頻幹擾、微分（fèn）幹擾、零（líng）點漂移的影響，大大提高了生活廢水流量計的測量精度。
3.4其他去除幹擾的（de）措施
對於由電磁流量傳感器的“變壓器效應”所產生的（de）正交（jiāo）幹擾，采（cǎi）用“變送器調（diào）零法”來消除，這個方法既方便又實用。
軟件設計方麵（miàn），采用了數字濾波技術，它能完成模擬濾波（bō）不能完成的功（gōng）能，很容易剔出脈衝（chōng）幹擾，消除數字電（diàn）路毛刺，提高A/D轉換的抗工頻幹擾能（néng）力以及輸入微處（chù）理器數字的可靠性。此外，還采用了掉電保護技術，軟件指令冗餘措施，軟件陷阱抗幹擾方法以及看門狗技術（shù），這些措施的采（cǎi）用有（yǒu）效地排除了智能生活廢水流量計微處理器失控。
在PCB電路（lù）板製作上，采（cǎi）用數字地與（yǔ）模擬地分（fèn）開走線並加粗，*後用0歐電阻單點相連（lián）。數字電源與模擬電源也分開（kāi）供電，合理加（jiā）裝（zhuāng）了去藕電容，並協調好不同類型IC的點評匹（pǐ）配。數字信號和模擬信號分開走（zǒu）線，有效防止了並行走線產生寄生（shēng）電容（róng）和共生電容。選擇高性能的抗幹擾芯片，這是抗幹擾技（jì）術重要環節。
在生活廢水流量計的安裝方麵，使傳感器的外殼應接地，並且將流量調節閥（fá）門放在流量計（jì）的下遊，垂直安裝（若水平安裝的流量計應保證上遊10倍直徑，下遊5倍直徑的直管段），這樣達到整流的目的，從而減小了流速分布不（bú）均（jun1）對測（cè）量精度的影響。減（jiǎn）短信號傳（chuán）送電纜，否則由電（diàn）纜分布電容引起的負載效應就會增大測量誤差，也增加了（le）信號受到幹擾的可能。
4、結束語
智能生活廢（fèi）水流量計多種（zhǒng）抗幹擾技術（shù）的采用，大大抑製和消除了幹擾信號對有用信號的影響，增強（qiáng）了（le）生活廢水流（liú）量計的抗（kàng）幹擾能力，經生活廢水流量計製作樣機反複實驗證明，測量精度可達到0.5%，提高了以往測量的精度和可靠性。

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