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脈衝渦（wō）輪流量計自適應*化（huà）噪聲抵消係統（tǒng）研究
點擊次數：1946 發布時間：2021-01-13 17:37:41
摘要：脈衝渦（wō）輪流量計是一種應用廣（guǎng）泛的測量導電液體體積（jī）流量的儀表。測量（liàng）時，金屬電*與（yǔ）電（diàn）解質會發生電化學反應，產生*化噪聲。*化噪聲幅值遠高（gāo）於流量信號幅（fú）值，使電*輸出信（xìn）號信噪比較低;*化噪聲存在漂移的現象，會影響脈衝渦輪流量計變送器的信號調理工作，限製電路的放大倍（bèi）數增加ADC采樣位數、電路成本、功耗等。對此，提出了一種基於前饋控製的自適應*化噪聲抵消方案，設計了相應的信號調理電路，通過硬件電路實時提取和抵消*化噪（zào）聲，*大地提高了電*輸出信號信噪比。通過試驗，驗證了該方案（àn）不但能有效濾除*化噪聲，而且能提高信號調理電（diàn）路的放大倍數、減少ADC的（de）采樣位數、減少電（diàn）路的成本和功耗。
引言（yán）
脈衝渦輪（lún）流量計是（shì）一種根據法拉*電磁感應定（dìng）律測量導電液體（tǐ）體積流（liú）量的儀表（biǎo），廣泛應用於石油、化工、冶金、造紙等行業（yè）。信號測量時，傳感（gǎn）器電*拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般為幾十到數百微伏。而（ér）噪聲信號（hào）中的*化噪聲存在（zài）漂移（yí）的現象，幅值一般在幾（jǐ）毫伏到數百毫伏區問變化，也有可能達到數伏川。兩者幅值的（de）巨（jù）大差異以及*化噪（zào）聲無法通過良好的接地或者改變勵磁的方式（shì）消除，*大地影響了信噪比。
為了提高脈衝渦輪（lún）流量計傳感器輸出（chū）信號的信噪比，目前，國內外主（zhǔ）要（yào）有四種解決方案。
①*化噪（zào）聲補償的方案。根據*化噪聲緩慢變化的特（tè）點，采用不（bú）勵磁時段*化噪聲來補償（cháng）勵磁時（shí）段的*化噪聲。但是，由於*化（huà）噪聲的（de）不規律性，會導致脈衝渦輪流量計的零點較差。
②低通濾（lǜ）波反饋的方案。根據*化噪聲所處的頻帶略低於流量信號的特點，采（cǎi）用一階低通濾波器提取*化噪聲，並進行反饋補償。但是，一階低通濾波器的過渡帶（dài）很寬，會使（shǐ）流量信號出（chū）現畸變的現象。因（yīn）此，該方案被用在瞬態勵磁中，尚未應用於商用儀表。
③采（cǎi）用高精度的模（mó）數轉換器(analog to digitalconverter, ADC)的（de）方（fāng）案。利用32位高（gāo）精（jīng）度的模數轉換器直接采集信號，然後通過數（shù）字信號處理方法提取出流量信號。但該方案增加了程序的複雜性。同（tóng）時，高精度的模數轉換器的分辨率與采樣率成反比。因（yīn）此，為了保證較高的（de）分辨率，隻能使用很低的勵磁頻率。
④闌值控製的偏置調節方法。當（dāng）信號超過（guò）設定的閉（bì）值時，數字信號（hào）處理器(digital signal processor,DSP)控製數模轉換器(digital to analog converter, DAC )模塊輸出偏（piān）置調節電壓，將傳感器輸（shū）出信號（hào）調整到0附近。但這種調節方法（fǎ）會使流（liú）量（liàng）信號產生一個跳變，對（duì）後（hòu）續的梳狀帶通（tōng）濾波（bō）造成影響，導致輸出信號出現間斷性錯誤。
為此，本文（wén）分析*化噪聲產生的具體原因及分布特性，提出前饋控製的自適應*化噪聲抵消方案。基於該方案，研製了脈衝渦輪流量計變送器中的信號調理（lǐ）電路;並（bìng）用（yòng）研製的調理電路替換課題（tí）組研製的（de）脈衝渦輪流量計（jì）變送器中的（de）調理電路，形成一套完整的（de）脈衝渦輪流量計變送器，進行驗證試驗（yàn）。
*化噪聲主要源於電*與電解質的電化學反應。金屬電*帶電的正（zhèng）離（lí）子逐漸溶解於所測量的電（diàn）解（jiě）質流體，自身帶負電荷，致使電解質流（liú）體中的正負電荷（hé）中心發（fā）生相對位（wèi）移，形成（chéng）複雜的電解雙層結構。雙（shuāng）電層之間產生一個電場，從而在電解質流體和電*之間形成電（diàn）位差。這個電位差（chà）就是*化電勢。若兩電*結構完全相同，則*化電勢會相互抵消。但由於兩（liǎng）電（diàn）*表麵（miàn）的結構（gòu）差異，*化電勢會（huì）由共模電壓轉為差模電壓（yā），並藕（ǒu）合在信號上。該*化電勢被（bèi）認為是直流分量〔1,4-6]O而且，電*表麵上的灰塵或放電（diàn）離子等沉積物會隨著時間的推移緩慢累積。當有流動的電解質流體出現或電解質流體流速發（fā）生變化時，這些累（lèi）積的沉積物會（huì）被慢慢（màn）撕開。在（zài）這一過程中，*化電勢大小（xiǎo）會發生隨機噪聲為主，主（zhǔ）要分布於零頻附近（jìn）的低頻區域，幾乎不與流量信號（hào）頻段重疊。當勵磁頻率為2.5一5 Hz l81，可以用（yòng）一個過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提（tí）取*化噪聲。
2 *化噪聲（shēng）抵消方案
2.1 抵（dǐ）消原理
根據*化（huà）噪（zào）聲的（de）特性，同時考慮到（dào）硬件係（xì）統處理（lǐ）噪聲（shēng）更具實時性與可靠性，提出一種基於前饋控製（zhì）的自適應*化噪聲抵消方案，並用硬件實現。噪聲抵消方法原理（lǐ）如圖2所示。
電*輸出（chū）信號S(t)包含流量信號，(t)、*化噪聲（shēng）n1(t)和高頻（pín）噪（zào）聲n2(t)，如式(1)所示:
S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
電*輸出信號（hào）S(t)經過前置差分放大器A，後，得到信號A1.S(t)。由於*化噪聲（shēng）n, (1)頻段與流量信號，(t)頻段存在很好的（de）區分度（dù），那麽信號A,-S(t)經過一個低頻濾波器H, ((0)，就可以將其（qí）中（zhōng）的*化噪聲N, (I)提取出（chū）來。
n,(，)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
以*化噪聲n, (1)作為前饋量（liàng），經過運算放大器A2，用信號A, S(t)減（jiǎn）去n, (t)，就可以（yǐ）實現（xiàn）自適應*化噪聲抵消（xiāo），得到不含有*化（huà）噪聲的信號S,(t)。
s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
再經過低通濾（lǜ）波器叢(。)濾除高頻噪聲n2(t)，就可以得到*終輸人ADC的信號S2(t)。
S2(t)=Si(t)·從(。)=A1A2·s(t)(4)
*後（hòu），在軟件中通（tōng）過梳狀帶通濾波和幅值解調（diào）等信號處理方法，濾除工頻幹擾和微分幹擾，就可以得到流速值。
2.2 硬件電路研（yán）製
根據（jù）前饋控製的自（zì）適（shì）應*化噪聲抵消原理，設計（jì）了信號調理電路2，以實現*化（huà）噪聲的濾除。信號調理電路2主要包括前置差分放大電路、*化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放大電路三（sān）部分。調理電路如圖3所示。
①前置差（chà）分放大電路。
前置（zhì）差分放大電路（lù）主要實現信號的放大和共模噪聲的抑製。電路采用具有高共模抑製比、高增（zēng）益精度、低失調漂移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分放大電路如圖4所示。
引言（yán）
脈衝渦輪（lún）流量計是（shì）一種根據法拉*電磁感應定（dìng）律測量導電液體（tǐ）體積流（liú）量的儀表（biǎo），廣泛應用於石油、化工、冶金、造紙等行業（yè）。信號測量時，傳感（gǎn）器電*拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般為幾十到數百微伏。而（ér）噪聲信號（hào）中的*化噪聲存在（zài）漂移（yí）的現象，幅值一般在幾（jǐ）毫伏到數百毫伏區問變化，也有可能達到數伏川。兩者幅值的（de）巨（jù）大差異以及*化噪（zào）聲無法通過良好的接地或者改變勵磁的方式（shì）消除，*大地影響了信噪比。
為了提高脈衝渦輪（lún）流量計傳感器輸出（chū）信號的信噪比，目前，國內外主（zhǔ）要（yào）有四種解決方案。
①*化噪（zào）聲補償的方案。根據*化噪聲緩慢變化的特（tè）點，采用不（bú）勵磁時段*化噪聲來補償（cháng）勵磁時（shí）段的*化噪聲。但是，由於*化（huà）噪聲的（de）不規律性，會導致脈衝渦輪流量計的零點較差。
②低通濾（lǜ）波反饋的方案。根據*化噪聲所處的頻帶略低於流量信號的特點，采（cǎi）用一階低通濾波器提取*化噪聲，並進行反饋補償。但是，一階低通濾波器的過渡帶（dài）很寬，會使（shǐ）流量信號出（chū）現畸變的現象。因（yīn）此，該方案被用在瞬態勵磁中，尚未應用於商用儀表。
③采（cǎi）用高精度的模（mó）數轉換器(analog to digitalconverter, ADC)的（de）方（fāng）案。利用32位高（gāo）精（jīng）度的模數轉換器直接采集信號，然後通過數（shù）字信號處理方法提取出流量信號。但該方案增加了程序的複雜性。同（tóng）時，高精度的模數轉換器的分辨率與采樣率成反比。因（yīn）此，為了保證較高的（de）分辨率，隻能使用很低的勵磁頻率。
④闌值控製的偏置調節方法。當（dāng）信號超過（guò）設定的閉（bì）值時，數字信號（hào）處理器(digital signal processor,DSP)控製數模轉換器(digital to analog converter, DAC )模塊輸出偏（piān）置調節電壓，將傳感器輸（shū）出信號（hào）調整到0附近。但這種調節方法（fǎ）會使流（liú）量（liàng）信號產生一個跳變，對（duì）後（hòu）續的梳狀帶通（tōng）濾波（bō）造成影響，導致輸出信號出現間斷性錯誤。
為此，本文（wén）分析*化噪聲產生的具體原因及分布特性，提出前饋控製的自適應*化噪聲抵消方案。基於該方案，研製了脈衝渦輪流量計變送器中的信號調理（lǐ）電路;並（bìng）用（yòng）研製的調理電路替換課題（tí）組研製的（de）脈衝渦輪流量計（jì）變送器中的（de）調理電路，形成一套完整的（de）脈衝渦輪流量計變送器，進行驗證試驗（yàn）。
*化噪聲主要源於電*與電解質的電化學反應。金屬電*帶電的正（zhèng）離（lí）子逐漸溶解於所測量的電（diàn）解（jiě）質流體，自身帶負電荷，致使電解質流（liú）體中的正負電荷（hé）中心發（fā）生相對位（wèi）移，形成（chéng）複雜的電解雙層結構。雙（shuāng）電層之間產生一個電場，從而在電解質流體和電*之間形成電（diàn）位差。這個電位差（chà）就是*化電勢。若兩電*結構完全相同，則*化電勢會相互抵消。但由於兩（liǎng）電（diàn）*表麵（miàn）的結構（gòu）差異，*化電勢會（huì）由共模電壓轉為差模電壓（yā），並藕（ǒu）合在信號上。該*化電勢被（bèi）認為是直流分量〔1,4-6]O而且，電*表麵上的灰塵或放電（diàn）離子等沉積物會隨著時間的推移緩慢累積。當有流動的電解質流體出現或電解質流體流速發（fā）生變化時，這些累（lèi）積的沉積物會（huì）被慢慢（màn）撕開。在（zài）這一過程中，*化電勢大小（xiǎo）會發生隨機噪聲為主，主（zhǔ）要分布於零頻附近（jìn）的低頻區域，幾乎不與流量信號（hào）頻段重疊。當勵磁頻率為2.5一5 Hz l81，可以用（yòng）一個過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提（tí）取*化噪聲。
2 *化噪聲（shēng）抵消方案
2.1 抵（dǐ）消原理
根據*化（huà）噪（zào）聲的（de）特性，同時考慮到（dào）硬件係（xì）統處理（lǐ）噪聲（shēng）更具實時性與可靠性，提出一種基於前饋控製（zhì）的自適應*化噪聲抵消方案，並用硬件實現。噪聲抵消方法原理（lǐ）如圖2所示。
電*輸出（chū）信號S(t)包含流量信號，(t)、*化噪聲（shēng）n1(t)和高頻（pín）噪（zào）聲n2(t)，如式(1)所示:
S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
電*輸出信號（hào）S(t)經過前置差分放大器A，後，得到信號A1.S(t)。由於*化噪聲（shēng）n, (1)頻段與流量信號，(t)頻段存在很好的（de）區分度（dù），那麽信號A,-S(t)經過一個低頻濾波器H, ((0)，就可以將其（qí）中（zhōng）的*化噪聲N, (I)提取出（chū）來。
n,(，)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
以*化噪聲n, (1)作為前饋量（liàng），經過運算放大器A2，用信號A, S(t)減（jiǎn）去n, (t)，就可以（yǐ）實現（xiàn）自適應*化噪聲抵消（xiāo），得到不含有*化（huà）噪聲的信號S,(t)。
s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
再經過低通濾（lǜ）波器叢(。)濾除高頻噪聲n2(t)，就可以得到*終輸人ADC的信號S2(t)。
S2(t)=Si(t)·從(。)=A1A2·s(t)(4)
*後（hòu），在軟件中通（tōng）過梳狀帶通濾波和幅值解調（diào）等信號處理方法，濾除工頻幹擾和微分幹擾，就可以得到流速值。
2.2 硬件電路研（yán）製
根據（jù）前饋控製的自（zì）適（shì）應*化噪聲抵消原理，設計（jì）了信號調理電路2，以實現*化（huà）噪聲的濾除。信號調理電路2主要包括前置差分放大電路、*化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放大電路三（sān）部分。調理電路如圖3所示。
①前置差（chà）分放大電路。
前置（zhì）差分放大電路（lù）主要實現信號的放大和共模噪聲的抑製。電路采用具有高共模抑製比、高增（zēng）益精度、低失調漂移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分放大電路如圖4所示。