電磁流量計中的抗干擾技術
為了抑制和排除電磁流量計測量過程中的干擾，提髙信噪比，提髙測量的精確度和穩定性，討論了電磁流量計幾 類干擾噪聲產生的物理機理和特征，簡要闡述了電磁流量計的幾種硬件和軟件方面的抗干擾技術。硬件方面設計了髙精 度低功耗的矩形波激磁電路，并從激磁電路中引出A/ D轉換器的參考電壓，提髙了 A/ D轉換結果的抗干擾能力。軟件方 面主要釆用“計算斜率法”和“正負差值法”相結合的方法消除零點漂移。實驗表明，這些方法在智能電磁流量計的測量過 程中取得了明顯的效果。
0.引言
電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律來測量導 電液體的體積流量的儀表，具有很多突出的優點，例 如:無可動部件，不會產生壓力損失和堵塞管道;測量 導電介質的流量，不受溫度、黏度、密度、壓力、雷諾數 以及在一定范圍內電導率變化的影響;測量原理為線 性，精度高，測量范圍大;耐腐蝕性好并且可測量正反 流速等等⑴。但在實際測量中，干擾信號與有用的信 號混在一起，它們不僅成分復雜，而且有時候干擾信號 還會比流量信號大。在這種情況下怎樣抑制和排除這 些干擾，提高信噪比，提高測量的精確度和穩定性就成 了研制和使用電磁流量計的一個技術關鍵。
以往的電磁流量計的設計很多還有待改進，例如： 激磁電路基本采用模擬式恒流源，功耗大的同時也引 入了干擾，并且精確度不高⑴;轉換器大多使用8位或 16位的單片機，較為復雜的算法就難以實現或響應時 間過慢[2];抗干擾主要集中在硬件電路的設計等。本 系統采用32位ARM處理器，提高數據處理能力和算 法復雜度;并設計了低功耗的激磁電路，同時利用反饋 原理消除激勵電流不穩定對A/D轉換結果的影響并 在軟件算法和硬件電路方面提出了有效的消除零點漂 移以及其他干擾的措施，使電磁流量計測量精度更為 提髙。
1.電磁流量計的測量原理
由法拉第電磁感應定律可知，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。 設在磁場強度為B的均勻磁場中放置一個垂直于磁 場方向的直徑為D的管道,當導電液體在管道中流動時,導電液體切割磁力線,就會在和磁場及流動方向垂 直的方向產生感應電動勢。如果在管道截面上垂直于 磁場的直徑兩端安裝一對電極,兩電極之間就會產生 感應電動勢n 1。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：
U =d.0 = B,d A = BD d 1 = BDv d t d t d t
其中,B為磁感應強度為磁通量變化面積,D 為導體長度,d 1為被測介質運動的距離,v為被測介 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，導體在磁場內作切割磁力線運動，導 體兩端產生的感應電動勢的大小與磁感應強度B成 正比,與導體的長度D成正比,與導體運動的速度v 成正比。由式(2)可知液體的體積流量與感應電動勢 成正比,這就是電磁流量計的設計原理。
2.電磁流量計中的干擾源分析
傳感器提供給轉換器的流量信號是電極間的電位 差,即一種電壓信號。在實際測量中，由于電磁感應、 靜電感應以及電化學電勢等原因，電極上所得到的電 壓不僅僅是與流速成比例的電動勢,也包含各種各樣 的干擾成分在內。
首先電磁流量計工作現場存在大量的工頻信號， 耦合在激磁回路、電極、前端放大器的工頻干擾噪聲對 流量測量的準確性造成極大的影響。其次,在低頻矩 形波激磁方式下,其干擾主要表現為由激磁電流突變 產生的微分干擾信號,隨著電流的穩定,干擾信號隨之 消失;另外，由于電磁流量傳感器的“變壓器效應”,會 產生相位上與流量信號相差90°的正交干擾信號;此 外，由于電磁屏蔽缺陷,接地不良，雜散電容等引起返 回電流不平衡產生共模干擾,它可能導致電路某些參 考電位變化,是造成電磁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 模干擾是由于印刷電路板設計電磁兼容性考慮不足造 成的信號質量下降,特別是高速走線和模擬電路易受 到影響;還有就是電化學極化電動勢干擾,它是被測液 體中電解質在感應電場作用下在電極表面極化產生, 是電磁流量計零點漂移的主要原因[3]。
3.電磁流量計的抗干擾措施及其效果分析
3.1髙精度的激磁電路的設計
該系統采用6.25Hz的雙極性低頻矩形波激磁，直流激磁產生的電極極化 效應,也可以克服工頻正弦波激磁產生的正交干擾影 響。
以往的激磁電路的設計都是采用恒流源和可控開 關電路組成。恒流源是由電壓基準、比較放大、控制調 整和采樣等部分組成的直流負反饋自動調節系統,常 用的激磁電路就是用串聯調整型恒流電源盒控制開關 組成的,如圖1。其中Kref是參考電壓,Rs是采樣電 阻’ Is為流過Rs的電流,就是所需的恒流,RL為電磁 流量傳感器線圈，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,對傳感器激磁。
= Vs = Vref s = Rs = Rs 由此可知,要想獲得一個穩定的輸出電流Is ,首 先,必須要提供一個高精度的基準電壓和高精度采樣 電阻。由于運放在調整控制過程中的作用’運放的增益 直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運放是 必要的選擇。由于采樣電阻與負載串連,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 度上升,恒流源的溫度穩定性變壞,采樣電阻Rs隨溫 度或其他環境參數的變化而改變’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 調整管上的功耗也很大,必須選擇大功率的晶體管,然 而大功率晶體管需要較大的基極驅動電流,以滿足對 運放有較高驅動能力的要求。再次,雙極型三極管的 漏電流和電流放大系數對溫度比較敏感,溫度穩定性 較差。還有，電壓電流變換器使用的負反饋閉環控制， 電流穩定度與放大器放大倍數有直接關系,在大功率 電源里基本上是倒數關系。運放的溫度漂移和失調對 電路的精度和溫度穩定性有很大的影響[4]。
為此,設計了一個新型的激磁電路,并將激勵電流 反饋到A/D轉換器，以消除激勵電流不穩定對A/D 轉換結果的影響,如圖2。
其中+24V是由220V的交流電通過變壓、整流、 濾波之后,輸入可調集成穩壓器LM317 ,通過高精度 的滑動變阻器調節而得到的恒壓源。LM317保證1. 5A輸出電流,典型線性調整率0.01%,典型負載調整 率0. 1 % ,80dB紋波抑制比,輸出短路保護,過流、過熱 保護,調整管安全工作區保護。系統的微控制器采 用ARM7芯片STR710 ,通過它的I/O端口控制圖2 中的P2. 8和P2. 9 ,ARM7芯片STR710進行控制，使 端口 P2輸出正負24V交變的矩形波,從而對傳感器 激磁。另外,Vref( +)接該系統A/D轉換器的參考輸 入端 VREF ( + ) 。
整個電路的工作過程為：當P2. 9為高電平時， Q1、Q2、Q3、Q4導通,此時Q5的基極電流為零,Q5截 止,此時P2的端口 2輸出+24V的電壓。此時P2. 8 為低電平眾、Q7、Qs、Q9,此時有電流流經Q1。基極,并 使其基極和發射級導通,Q1a的功能相當于一個二極管 的作用，此時P1端口沒有電壓輸出。那么,A/D轉換 器的參考輸入端Vref ( +)為：
其中’ VP2是P2端口輸出電壓幅值的絕對值,此 處應該是+24V。整個電路是對稱的,且R'5 = R20 ,當 P2.9為低電平,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 此周而復始輸出頻率為6. 25Hz的的雙極性矩形波。 用Multisim仿真結果如圖3所示。
此夕卜,把Vref( + )作為A/D轉換器的參考輸入， 可以大大提高系統的溫度穩定性。A/D轉換的結果 可表示為：
ry n ry n
D = Vref+ .Vm= V ref+ ^ ^ ^
其中,VmS經放大、濾波處理過的電壓信號,也是 A/D轉換器的輸入信號，VoUt為傳感器輸出的原始流 量信號,K0為信號放大倍數。
由式(11)、12)可知,在保證R21精度的前提下， A/ D轉換的結果只與液體的流速有關,不受電磁流量 傳感器線圈電阻變化的影響。該電路通過MCU控制 三極管的通斷得到激磁信號,三極管的為電流控制元 件,該電路實現了小電流控制大電壓,三極管的功耗 低,電路的響應速度快,溫度穩定性好,抗干擾能力強， 對電磁流量計整體精度的提高起到了決定性的作用。 3.2微分干擾和工頻干擾的消除
信號中往往同時存在微分干擾和工頻干擾信號, 在信號處理電路中的低通濾波往往很難將工頻干擾完 全濾出。本系統采用了同步采樣和工頻補償技術，以 抑制流量信號電勢中混入工頻干擾和工頻電源頻率波 動產生工頻干擾,并有效去除微分干擾。同步采樣技 術,采樣開始時間滯后激磁信號1/4個周期,其采樣脈 寬為工頻周期的偶數倍,消除微分干擾的同時使流量 信號電勢中工頻干擾平均值等于零,以消除工頻干擾 的影響;工頻電源的頻率波動補償是保證頻率的動態 波動中,激磁電源和采樣脈沖得以同步調整,真正實現
同步采樣技術和同步激磁技術，同步A/D轉換，降低 了微分干擾和工頻干擾的影響。
零點漂移消除
所謂零點漂移，就是當傳感器的輸入信號為零時， 放大器的輸出并不是零[6]。零點漂移的信號會在各級 放大的電路間傳遞，經過多級放大后，在輸出端成為較 大的信號，由于傳感器輸出的有用信號較弱，零點漂移 就可能將有用信號淹沒，使電路無法正常工作。零點 漂移可分為基線零點漂移和斜率零點漂移[7]。對于零 點漂移的抑制，該系統采用軟硬件相結合的措施。硬 件電路方面，采用三運放的差動電路輸入，實現對大內 阻的微弱信號采集，并有效抑制了共模信號的引入m。 一級放大電路之后采用隔直電容，濾除基線零點漂移， 防止直流信號過大，超出A/D轉換的輸入范圍。
有時硬件的方法是不可能完全滿足系統的要求 的，必須結合軟件的方法才能更好地達到系統的要求， 也就是現在所說的軟件即是虛擬硬件。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，并且其成本比用硬件的方法低，改進軟件的算 法可以方便實現對系統的改進。對于該系統的零點漂 移，采用“計算斜率法”和“正負差值法”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移對電 磁流量計精度的影響。
圖4為經過信號處理和同步采樣后的信號，同時 存在基線零點漂移和斜率零點漂移。斜率零點漂移則 多見于積分系統，隨著時間的推移，積分器的零點可能 會出現隨時間累加漂移。此外，外界的環境溫度的變 化也是斜率零點漂移產生的重要原因。
鑒于斜率零點漂移產生的機理’可以在標定的時 候確定零點漂移的斜率K。也就是在管道液體靜止不 動流量為零的時候對輸出信號進行采樣,設從時間6 進行采樣’采樣歷時山,經過一段時間后又從f2開始 采樣,歷時么后采樣結束。分別得到兩組離散的信號
X1到X?和X〗到分別除去最大值、最小值后對剩 下(n - 2)個值進行平均,得:
x 。(xi 本 xmax ^且 xi 本 xmin) (13)
n- 2
= 1 2 〉X/i(x i ^ max 且 X、矣 X mJ (14) n- 2
那么斜率零點漂移的斜率為:
k = X - X (15)
12 - f1
對于基線零點漂移，“正負差值法”是比較有效便 捷的選擇,它不需要直接消除信號中的基線零點漂移, 而是通過算法上去掉基線零點漂移對測量結果的影 響。該系統中,激磁信號的頻率為6. 25Hz，由于所測量 的液體流速不會有明顯的突變，所以在信號的一個周 期0. 16s內,可以采用一個波峰減去波谷的均值來表 示此時的流量信號,也即如圖3中I n - J1 I ,其中為 是從nT + T/4到nT + T/2采樣結果的算術平均值’ J1是從到(n + 1) T進行米樣結果的算術平均值。但是 由于斜率零點漂移的存在,會出現如圖3中I方-y2 I 的誤差,所以需要利用式〈15)的結果對該誤差進行修 正’修正后的結果也就是此時管道中液體感應出的電 動勢為:
1 . T 1 ; X7 - X
U = 21 y3- y2 + k ■ 21 = 21 y3 _ y2 + h - h
? 2T 1 (16)
對于式(16)結果，去除了工頻干擾、微分干擾、零 點漂移的影響，大大提高了電磁流量計的測量精度。
其他去除干擾的措施
對于由電磁流量傳感器的“變壓器效應”所產生的 正交干擾，采用“變送器調零法”來消除，這個方法既方 便又實用。
軟件設計方面，采用了數字濾波技術，它能完成模 擬濾波不能完成的功能，很容易剔出脈沖干擾，消除數 字電路毛刺，提高A/D轉換的抗工頻干擾能力以及輸 入微處理器數字的可靠性。此外，還采用了掉電保護 技術，軟件指令冗余措施，軟件陷阱抗干擾方法以及看 門狗技術，這些措施的采用有效地排除了智能電磁流 量計微處理器失控。
在PCB電路板制作上，采用數字地與模擬地分開 走線并加粗，最后用0歐電阻單點相連。數字電源與 模擬電源也分開供電，合理加裝了去藕電容，并協調好 不同類型IC的點評匹配。數字信號和模擬信號分開 走線，有效防止了并行走線產生寄生電容和共生電容。 選擇高性能的抗干擾芯片，這是抗干擾技術重要環節。
在電磁流量計的安裝方面，使傳感器的外殼應接地，并且將流量調節閥門放在流量計的下游，垂直安裝 (若水平安裝的流量計應保證上游10倍直徑,下游5 倍直徑的直管段）,這樣達到整流的目的，從而減小了 流速分布不均對測量精度的影響。減短信號傳送電 纜，否則由電纜分布電容引起的負載效應就會增大測 量誤差，也增加了信號受到干擾的可能。
4.結束語
智能電磁流量計多種抗干擾技術的采用，大大抑 制和消除了干擾信號對有用信號的影響,增強了電磁 流量計的抗干擾能力，經電磁流量計制作樣機反復實 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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