基於硫酸鐵流量計的電*幹擾信號仿真（zhēn）研究

點擊次數：2150 發布時間：2020-08-11 07:03:27

硫酸鐵（tiě）流量計測量原理是法拉*電磁感應定律，傳感器主要組成部分是：測量（liàng）管、電*、勵磁線圈、鐵芯與磁軛殼體。它主要用於測量封閉管道中的導電液體和漿液中的體積流量（liàng）。包括酸、堿（jiǎn）、鹽等強腐蝕性的液體（tǐ）。廣泛應（yīng）用於（yú）石（shí）油、化工（gōng）、冶金、紡織、食（shí）品、製藥、造（zào）紙等行業以及（jí）環保、市政管理，水利建設等（děng）領域。采用國內外*先進（jìn）技術研製、開發的全能（néng）智能流量計（jì），在設計產品結構、選材、製定工藝、生產（chǎn）裝配和出廠測試等過程中每一個環節我們都非常細致講究，我們還自行設計了一套國內目前*先進的，專用於（yú）流量（liàng）計的生產設備和流量實流標定裝置，從而在軟件（jiàn）和（hé）硬件上都能切實（shí）保證產品的高質量。
硫酸鐵流量計是基於（yú）法拉*電磁感應定律的（de）流量儀表，主要由傳感器和變送器組成，傳感器將待測流體轉換（huàn）成電信號，變送器（qì）對電信號（hào）進行一係列的（de）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（xìn）號摻雜許多幹（gàn）擾信號，主要的幹擾為微分幹擾、同向幹擾、工頻幹擾、共模幹擾、串模幹擾、漿液幹擾和*化幹擾（rǎo）等。為確保流量計（jì）測量準確性須對幹擾進行抑製，如采（cǎi）用交（jiāo）流勵磁克服*化幹（gàn）擾、高共模抑製比差分放大器（qì）克服共模幹擾、勵磁頻率為工頻整數倍克服工頻幹擾（rǎo）、良好接地技（jì）術和靜電屏蔽克服串模幹擾、漿液噪聲符合 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之後（hòu）電*上主要的幹擾為微分幹擾。當采用交流勵磁時，由於存（cún）在勵磁（cí）線圈等效電感，勵磁切換過（guò）程中勵磁電流存在漸變過程，在這一過程中（zhōng）磁感應強度處於非穩定（dìng）狀態，變化的磁場穿過由被測流體、測量（liàng）電*、電*引（yǐn）出（chū）線和變送器共同組成的閉合回（huí）路，實際中該回（huí）路不可能與磁力線保持平行，此時勵磁（cí）線圈相當於變壓器的初級線（xiàn）圈，閉合回路等價於（yú）隻有一匝的次級線圈且回路大小可（kě）等效為回路電感（gǎn）。根據“變壓器效應”會產生一個尖峰即微分幹擾疊加在電*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（jiàn）立電*間信號數學模型的方法，成功分離交流微分幹擾（rǎo）信號和直流流量信號，分離後的幹擾（rǎo）信號經過濾波器濾除；何小克提出數模混合*優相（xiàng）關濾波法，方波勵磁時微分信號和（hé）參考信號相乘後通過低通濾波器，其（qí）值為零消除幹擾，正弦（xián）波勵磁時幹擾信號與流量信號相位相差 90°互相關函數（shù）為零特性（xìng）消除幹擾（rǎo），但文中（zhōng）並未考慮參（cān）考信號帶來的誤（wù）差影響，需要額外引入補償裝置修正誤差；付振江利用相敏解調技術，施加與流量信號基波同頻的解調方波控製信號使解調後的幹擾波形麵積大小相等（děng）方向（xiàng）相（xiàng）反平均值為零（líng）；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消消（xiāo）除幹擾；周美蘭（lán）等
提出在硬件電路上加入模擬開關，幹擾尖峰到來時斷開模擬開關避免幹擾（rǎo）進入後級電路，尖峰過去重新打（dǎ）開模擬開關；K．Saito 等提出（chū）漂（piāo）移校正（zhèng）法，先（xiān）以高勵磁頻率進行勵（lì）磁，在勵磁過程中插入低勵磁頻率提取（qǔ）用於漂移校正的（de）非固定微分噪聲分量，但（dàn）在插入的低勵磁頻率段漿液（yè）噪聲較大且很難將漿液噪聲與流量信號分離，此時的校正因子非單（dān）純的非固定噪聲分量，改進措（cuò）施是長時間取平均值得到穩定因（yīn）子。傳統（tǒng）方法是同步采樣保持（chí）法，即在磁（cí）場穩定階段采樣。其他消除幹擾的（de）方法有設置幹擾（rǎo）補償機構、控製（zhì）勵磁電流變化率減小幹擾幅值、矩形波代替梯形波、希爾伯特黃變換（huàn）結合（hé）傅裏葉變換和（hé）程控（kòng）增益技術等（děng）。經上述（shù）對現有的文獻分析與（yǔ）總結可知，當前消除微分噪聲主要（yào）從信號處理方麵入手，並未對影響噪聲的因（yīn）素加以研究。本文建立電*測量回路等效（xiào）模型，給（gěi）出仿真模型搭建、參數取值和（hé）仿真結果分析。

2 電*測量回路模型建立
2．1 測量回路（lù）等效模型
測量（liàng）電*與流（liú）體介質接觸時（shí）會（huì）發（fā）生（shēng）電化學反應在電*－溶（róng）液界麵形成阻抗，通常（cháng）由法拉*阻抗與雙電層電容並聯組成。法拉*過（guò）程分為電荷傳遞過程和擴散過程，相應（yīng）的法拉*阻抗由電（diàn）荷傳遞電阻與擴散阻抗串聯組成。一般硫（liú）酸鐵流量計的勵磁（cí）頻率大於1Hz，而擴散阻抗發生在更低頻率內，不（bú）考慮擴散過程，電*等效阻抗為電荷傳遞電阻與雙電層電容並聯後再與電*接觸電阻串聯。基於電*阻（zǔ）抗建立的電*等（děng）效測量回路如圖 1 所示。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（cè）量電*間的接觸（chù）電阻（zǔ）滿（mǎn）足 Rt＝Rt1＋Rt2；Lx 為勵磁線圈等效電感；L1 為閉合回路等（děng）效電（diàn）感；R1 和 R2 為放大器輸入電阻；P1和（hé） P2 為由（yóu）“變壓器效應”疊（dié）加在測量電*上的微（wēi）分幹擾；U1 為流（liú）體切割（gē）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（liú）決定且成正比關係即 B＝aI，忽略串（chuàn）模等幹擾則電*間（jiān）電壓為感應電（diàn）勢（shì）與微分幹擾的疊加，基（jī）本方程如下：

2．2 參數取（qǔ）值
電*上的感應電動勢在沒有經過放大之前一（yī）般很小，取（qǔ）值在幾毫伏到幾百毫伏之內，本次仿真中流速感應電勢（shì）取 10mV。放大器的輸（shū）入電阻遠遠（yuǎn）大於內阻（zǔ），文獻中給（gěi）出電荷傳遞電阻為 Rs＝50Ω。電*接觸電阻與溶液（yè）電導率有關一般取 Rt＝15kΩ。雙電層電容 C1＝20μF。將各參數值代入到式（7）中（zhōng），可得 k1＝0．998，T1＝0．001，T＝9．9×10－4。理想情況（kuàng）兩個電*參數取值相等，實際中兩者（zhě）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
本文基於 Matlab 中 Siumlink 對電*信號進行仿真，勵磁方式為三值波勵磁，勵磁頻率 f＝25Hz，傳感器參（cān）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（chéng）法器得到勵（lì）磁電流。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 Gain1 模塊得到感應電勢信號。對勵磁（cí）電流（liú）進行（háng）求導即經模塊 Derivative 得到微（wēi）分噪（zào）聲，其中 Gain 值與 Lx 和 L1 相關（guān）。感應電勢與噪聲（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（jiē）時間公（gōng）式中，得電流上升時間為 360μs，測得實際上（shàng）升時間為 390μs，兩者相差不大，驗證了仿真模型的正確性（xìng）。

3．2 仿真實驗
仿真試驗中，設定線圈等效電感取值範圍為（wéi） 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）電阻隨流體電導率變化而變化，電導率增大接觸電阻和雙電層電容減小而電荷傳遞電阻增大。可設定電*接觸電阻、雙（shuāng）電（diàn）層電容和電（diàn）荷傳遞電阻範圍分別為 5～15kΩ、10～20μF 和50～60Ω，由（yóu）公式（shì）（7）知，可用 T2 表示上述三者關係。仿真參數取值不同情（qíng）況下，通過（guò） MATLAB 工具箱對仿真測量得（dé）到的幹擾峰（fēng）值進行曲（qǔ）線（xiàn）擬合畫出相應的曲線圖。其中仿真數（shù）據和相（xiàng）對應的曲線（xiàn）方程如表（biǎo） 1～表 4 所示，曲線圖如圖 4～圖 6。

3．3 仿真結果分析
圖 4 為改（gǎi）變勵磁線圈等效（xiào）電（diàn）感（gǎn）其它值保持不變時測得的幹擾結果，可以看出，當線圈等（děng）效電感（gǎn）取值不同時，幹擾峰值（zhí）存在變化，電感越大線圈中電流（liú）上（shàng）升（下（xià）降）時間（jiān）越長，微分幹擾越大。圖 5 為（wéi）改變測量回路等效電感即等價於改變交變磁力線穿（chuān）過測量回（huí）路等（děng）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（shì）。因（yīn）此要避免（miǎn）電*走線偏離（lí），盡量保持回（huí）路與磁力線平行以（yǐ）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*等效阻抗值變化，同樣會對（duì）微分噪聲產生較（jiào）大影響。電導（dǎo）率越（yuè）大幹擾峰（fēng）值越小（xiǎo）。
4 結束語（yǔ）
本文運用 MATLAB 仿真軟（ruǎn）件對硫酸鐵流（liú）量計電（diàn）*信號進行建模仿真，通過該模型分析勵磁線圈等效電感、閉合回路和（hé）電*等（děng）效阻抗（kàng）取值變化情況下微分幹擾變化（huà），得到影響微分幹擾原因，從而為後續研究及消（xiāo）除幹擾得到真實流量信號減小測量誤差提供理論依據。