摘要：提出采用梳狀帶通濾波和幅值解調(diào)的方法，處理高頻矩形波勵(lì)磁下電磁流量傳感器輸出信號(hào)，有效地抑制了各種噪聲的干擾。對(duì)算法進(jìn)行了仿真研究，確定梳狀帶通濾波器的帶寬。選用DSP芯片，研制了數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)上述處理算法。進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本文所研制系統(tǒng)的測(cè)量精度優(yōu)于0.3%，滿足工業(yè)測(cè)量的要求。

1、引言

電磁流量計(jì)由于自身所具有的優(yōu)良特性，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐腐蝕、性能可靠等，被廣泛地應(yīng)用于供水、石油、化工、造紙、冶金等行業(yè)中，用于水流量和紙漿、水煤漿和礦漿等漿液流量的測(cè)量。目前，國(guó)外一些**儀表企業(yè)的電磁流量計(jì)產(chǎn)品，如科隆、橫河、E+H、ABB等，由于測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，測(cè)量漿液流量波動(dòng)較小，從而占據(jù)了國(guó)內(nèi)很大的市場(chǎng)份額，但具體的技術(shù)細(xì)節(jié)未予以公布。

而國(guó)內(nèi)的儀表由于起步晚，且多采用低頻勵(lì)磁，在測(cè)量漿液流量受到漿液噪聲影響較大，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)很大。而研究發(fā)現(xiàn)，漿液噪聲與勵(lì)磁頻率成1/f關(guān)系，在低頻段造成的影響很大。因此，提高勵(lì)磁頻率有助于降低漿液噪聲帶來(lái)的影響。橫河的雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)和東芝的高頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)中均有較高頻率的勵(lì)磁方式的應(yīng)用。

電磁流量計(jì)的勵(lì)磁技術(shù)是一個(gè)重要的研究方向，它決定了電磁流量計(jì)的抗干擾能力和零點(diǎn)穩(wěn)定性。從直流勵(lì)磁，逐步發(fā)展了工頻正弦波、低頻正弦波、低頻矩形波、低頻三值矩形波和雙頻矩形波勵(lì)磁等勵(lì)磁方式。不同的勵(lì)磁方式導(dǎo)致的噪聲特性是不同的，如直流勵(lì)磁所產(chǎn)生的直流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)易導(dǎo)致電*表面*化現(xiàn)象，減弱了感應(yīng)出的流量信號(hào)，且存在*化電勢(shì)漂移，影響信號(hào)處理部分的工作。正弦波勵(lì)磁由于會(huì)產(chǎn)生正交干擾，其干擾幅值與頻率成正比，相位比流量信號(hào)滯后90º，因此如何克服正交干擾是正弦波勵(lì)磁的主要難題，且受到同相干擾影響也很大，導(dǎo)致零點(diǎn)不穩(wěn)定。而矩形波勵(lì)磁由于具有直流勵(lì)磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、正交干擾和同相干擾影響小等優(yōu)點(diǎn)，又具有正弦波勵(lì)磁基本不產(chǎn)生*化現(xiàn)象的特點(diǎn)，具有較好的抗干擾能力，得到了廣泛的應(yīng)用。

為此，本文針對(duì)高頻矩形波勵(lì)磁方式的傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，電*感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)非常微弱而導(dǎo)致的傳感器輸出信號(hào)信噪比低，尤其在低流速時(shí)，有用信號(hào)完全可能淹沒(méi)在噪聲中。因此，本文在現(xiàn)有的信號(hào)處理方法和勵(lì)磁控制研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)字信號(hào)處理方法來(lái)提高傳感器輸出信號(hào)的信噪比，并要求保證算法的實(shí)時(shí)性。*終采用梳狀帶通信號(hào)處理方法，并在DSP系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)處理水流量信號(hào)，取得了較好的效果，與普通方法相比提高了測(cè)量精度。

2、梳狀帶通濾波方法

2.1 算法原理及推導(dǎo)

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體的儀表，其輸出信號(hào)和流速之間具有良好的線性關(guān)系。采用矩形波勵(lì)磁方式時(shí)，在理想情況下電磁流量計(jì)的傳感器輸出信號(hào)應(yīng)該是頻率與勵(lì)磁電流頻率相同的矩形波，其幅值與流速成比例關(guān)系。但由于受到各種干擾的影響，其傳感器輸出信號(hào)上總是疊加了各種干擾信號(hào)，如微分干擾、串模干擾、共模干擾、直流噪聲等，使其輸出信號(hào)并不能準(zhǔn)確地反映出流量值，其測(cè)量方程可表示為：

其中，BDV為與流速成比例的流速信號(hào)，是需要得到的測(cè)量值，*二項(xiàng)和*三項(xiàng)為微分干擾和同相干擾，是由磁場(chǎng)突變引起的，后三項(xiàng)分別為共模干擾、串模干擾和直流*化干擾。其中，共模干擾和串模干擾可以通過(guò)靜電屏蔽和良好的接地加以抑制。直流*化干擾則是由*化現(xiàn)象產(chǎn)生，可通過(guò)提高勵(lì)磁頻率加以克服。

通過(guò)對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析后發(fā)現(xiàn)，傳感器輸出信號(hào)的頻率范圍較寬，所以僅用低通濾波等常規(guī)方法效果不明顯。

針對(duì)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，顯然可知其是由基波頻率和奇次諧波疊加而成的。對(duì)于一個(gè)給定單峰值為A的矩形波信號(hào)，其傅里葉展開(kāi)有如下形式：

我們對(duì)采集到的實(shí)際傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析后發(fā)現(xiàn)其頻譜范圍較寬，不僅含有明顯的基波和奇次諧波分量，在其他分量處也有值，如圖1(a)中所示的在0頻率分量處的直流漂移和50Hz頻率分量處的工頻干擾等。針對(duì)輸出信號(hào)的這種特點(diǎn)，采用梳狀帶通濾波器，該濾波器能保留特定的頻率分量，而抑制其他的頻率分量。這樣，如圖1(a)所示的傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)梳狀帶通濾波器后，有用的基波和奇次諧波分量將通過(guò)濾波器，而其他分量將被大幅度的抑制，濾波后的信號(hào)頻譜如圖1(b)所示，可以較大程度地抑制噪聲的影響。

要實(shí)現(xiàn)上述信號(hào)處理方法，要求所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)勵(lì)磁頻率的奇數(shù)倍的頻率分量處的增益為1，而其他頻率分量則被大幅度的削弱。其幅頻特性曲線如圖2所示。

由濾波器的特性曲線可知其對(duì)低頻率的漂移和工頻干擾都有很好的抑制作用。為了削弱工頻干擾的影響，當(dāng)勵(lì)磁頻率小于工頻時(shí)，一般取勵(lì)磁周期為工頻周期的整數(shù)倍，即勵(lì)磁頻率為50/n Hz(n為偶數(shù))。而濾波器帶通頻率為勵(lì)磁頻率的奇數(shù)倍，使得工頻干擾恰好位于兩個(gè)帶通頻率的中間處，得到*大的抑制。勵(lì)磁頻率大于工頻時(shí)也能得到很好的抑制。

梳狀帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：

式中：N為濾波器的階數(shù)。

由頻譜特性可知，該濾波器相當(dāng)于多個(gè)通帶帶寬很窄的帶通濾波器的聯(lián)合，形狀上很像一把梳子。由式(2)可知，所要保留的基波和所有奇次諧波分量在0～fs范圍內(nèi)是均勻分布的。因此，所要求的帶通濾波器的個(gè)數(shù)n為fs除以需要保留的頻率點(diǎn)之間的間隔，即n=fs/△f。n必須為整數(shù)，所以選擇的采樣頻率必須為間隔△f的整數(shù)倍。當(dāng)傳感器輸出信號(hào)為fo=25Hz，采樣頻率為4.8kHz時(shí)，△f=2fo=50Hz。

2.2 帶寬的選取

由帶通濾波器的通頻帶定義可知，存在兩個(gè)截至頻率fH和fL，當(dāng)信號(hào)頻率上升到fH或者下降到fL時(shí)，使得輸出信號(hào)從*大值衰減3dB。圖3所示為通帶帶寬為1Hz的梳狀帶通濾波器局部放大圖。

當(dāng)通帶帶寬減小時(shí)，可以提高對(duì)噪聲干擾的抑制效果。但是，帶寬過(guò)小時(shí)，會(huì)不會(huì)對(duì)有用的信號(hào)分量也造成衰減呢？為此，改變?yōu)V波器的帶寬，對(duì)不含噪聲的矩形波信號(hào)進(jìn)行處理，得到的結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)濾波器的通帶帶寬大于0.5Hz左右時(shí)，處理結(jié)果的相對(duì)誤差非常接近于零，而當(dāng)帶寬小于0.5Hz時(shí)，濾波器的特性變壞，削弱了有用分量，使得相對(duì)誤差發(fā)生顯著變化。為了避免這個(gè)影響，選取濾波器的通帶帶寬應(yīng)大于0.5Hz。

*后，考慮算法的響應(yīng)速度，對(duì)其施加單位階躍輸入，根據(jù)濾波器的特性可知，在該信號(hào)下，運(yùn)算結(jié)果應(yīng)該*終收斂于零。改變?yōu)V波器的通帶帶寬，觀察算法的收斂速度。其結(jié)果如圖5所示?？芍?，當(dāng)濾波器的通帶帶寬越小時(shí)，階躍響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)。

2.3 濾波器的實(shí)現(xiàn)

設(shè)輸入信號(hào)為x(n)，經(jīng)過(guò)梳狀帶通濾波后輸出信號(hào)為y(n)，則梳狀帶通濾波器就是要實(shí)現(xiàn)下列差分方程：

y(n)=a×y(n-N)+b×x(n)-b×x(n-N)   (5)

因此，*先確定出N和帶寬，在MATLAB中設(shè)計(jì)出濾波器，然后帶入得到系數(shù)a和b，在存儲(chǔ)單元中開(kāi)辟輸入輸出緩沖區(qū)，就可以方便地在DSP中實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

3、MATLAB仿真結(jié)果

為了檢驗(yàn)算法的處理效果，在MATLAB中模擬疊加了各種噪聲的傳感器輸出信號(hào)。由于電磁流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)所采集到的傳感器輸出信號(hào)非常微弱，反應(yīng)流量的有用信號(hào)受到噪聲影響非常大，特別是在小流量時(shí)，甚至?xí)蜎](méi)在噪聲中，導(dǎo)致信噪比非常低。因此，在仿真時(shí)，必須參考在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)際傳感器輸出信號(hào)。當(dāng)流速在1m/s以下時(shí)，采集到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值在10mV以下。因此，構(gòu)造輸出信號(hào)為x=A square(2π×25t)+0.001sin(2π×50t)+0.001wgn(1，fs×time，0)+0.005sin(2π×0.01t)。其中，*一項(xiàng)為單峰值為A的矩形波信號(hào)，模擬流量信號(hào)，不同的A對(duì)應(yīng)不同的流量；*二項(xiàng)為疊加在信號(hào)上的工頻干擾；*三項(xiàng)為白噪聲干擾；*后一項(xiàng)采用慢變的正弦波模擬輸出信號(hào)中緩慢的零點(diǎn)偏移。當(dāng)A=0.002時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)如圖6所示。

*先采用MATLAB產(chǎn)生上述疊加噪聲的信號(hào)，信號(hào)的頻率為25Hz，矩形波單峰值范圍為0.002～0.02，疊加上噪聲干擾后的信噪比范圍在-10.9dB～9.1dB。對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行梳狀帶通濾波，然后進(jìn)行幅值解調(diào)，取進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的計(jì)算結(jié)果與準(zhǔn)確值進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如表1所示，此時(shí)濾波器的帶寬b＝1Hz。對(duì)圖6中的含噪聲信號(hào)的處理效果如圖7所示。

可見(jiàn)，在模擬實(shí)際測(cè)量疊加噪聲的情況下，矩形波單峰值在0.002～0.02變化時(shí)，處理結(jié)果的相對(duì)誤差在0.3%以內(nèi)。由圖7并計(jì)算可知，經(jīng)過(guò)處理后的輸出信號(hào)的信噪比已由之前的-10.9dB提高到16dB。因此，該方法可以有效地抑制信號(hào)中的噪聲干擾，有助于提高處理結(jié)果的精度。

4、DSP系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)

4.1 DSP系統(tǒng)硬件介紹

以TI公司的TMS320F2812 DSP芯片研制了電磁流量計(jì)系統(tǒng)，它是一塊具有150MIPS的指令速度的32位定點(diǎn)計(jì)算能力的芯片，有較高的計(jì)算精度，能夠滿足數(shù)字信號(hào)處理算法的要求，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。且集成了豐富的片上外設(shè)，便于以后系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。硬件框圖如圖8所示，主要由勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)調(diào)理采集模塊、信號(hào)處理控制模塊、人機(jī)接口模塊、通信模塊和電源管理模塊組成。

4.2 DSP系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，由主監(jiān)控程序程序統(tǒng)一調(diào)用。軟件總體框圖如圖9所示。系統(tǒng)軟件包含的主要功能模塊有：初始化模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、看門狗模塊和人機(jī)接口模塊等。

由DSP控制勵(lì)磁電路工作產(chǎn)生勵(lì)磁電流激勵(lì)傳感器勵(lì)磁線圈，將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)前置差分放大、偏置調(diào)整和低通濾波后送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。并通過(guò)檢流電路對(duì)勵(lì)磁電流信號(hào)也進(jìn)行采樣。在DSP中利用梳狀帶通信號(hào)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波處理，得到信號(hào)的幅值，再根據(jù)儀表系數(shù)轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)，*后將計(jì)算出的各種結(jié)果送到上位機(jī)顯示。

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，通過(guò)多種方法對(duì)所設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，如采用信號(hào)發(fā)生器加載現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)際傳感器輸出信號(hào)、流速模擬器實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。*后將研制的電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器部分與國(guó)內(nèi)某大型企業(yè)研制的40mm口徑的夾持式傳感器相配合，在實(shí)驗(yàn)室的水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定采用容積法，即將被校表的測(cè)量結(jié)果與量筒讀取的總體積進(jìn)行比較，然后通過(guò)*小二乘擬合的方法得出儀表系數(shù)，*后驗(yàn)證轉(zhuǎn)換器的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在勵(lì)磁頻率為25Hz，梳狀帶通濾波通帶帶寬為1Hz，流量范圍為2.5～22.5m³h-1時(shí)，系統(tǒng)的精度優(yōu)于0.3%，優(yōu)于該企業(yè)普通儀表0.5%的測(cè)量精度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在所施加的勵(lì)磁頻率能夠保證傳感器信號(hào)在每半個(gè)勵(lì)磁周期中能快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的前提下，本文所研制的信號(hào)處理系統(tǒng)可適用于電*式電磁流量計(jì)。

6、結(jié)論

針對(duì)較高頻率矩形波勵(lì)磁方式下電磁流量計(jì)的傳感器輸出信號(hào)中的噪聲干擾，特別是在流量小時(shí)信噪比低的問(wèn)題，提出了采用梳狀帶通濾波的數(shù)字信號(hào)處理方法，仿真結(jié)果表明，該方法可使各種噪聲干擾隨帶寬減小而得到抑制，有效地提高信噪比，且便于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)該算法，研制了基于DSP的電磁流量計(jì)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了電磁流量計(jì)系統(tǒng)軟件，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理 。

為了測(cè)試該算法和系統(tǒng)的精度，進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的標(biāo)定精度優(yōu)于0.3級(jí)，優(yōu)于普通儀表0.5級(jí)的測(cè)量精度，充分說(shuō)明本文研究的方法和系統(tǒng)是有效的。