發布日期：2022-10-09 點擊率：83
【導讀】電磁流量計在實際研發中會遇到許多噪聲問題，這些噪聲以不同的形式和方式進入測量系統，成為提高信噪比和測量精度的障礙。本文主要探討了在研發過程中遇到的各種噪聲情況及處理方法，運放的量化誤差、采樣時的量化誤差對測量精度都有影響，還需要對采樣后的數據進行線性化等處理并通過控制器對流量結果進行控制、顯示。
電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律制作的流量計，在實際研發中會遇到許多噪聲問題。圖1列出其每個組成部分可能引入的噪聲，這些噪聲以不同的形式和方式進入測量系統，成為提高信噪比和測量精度的障礙。本文通過分析傳感器前端遇到的噪聲的產生機制得出對應的解決方案。
圖1噪聲形式及分布圖
噪聲原理及解決方案
傳感器（電極+轉換器）
該部分中流動的信號是未經放大處理的微弱流量信號，也就最容易受到外部因素的干擾，由圖1可知它引入的噪聲種類最多，在此對這些噪聲進行分析并提出相應的解決方案。
在提出噪聲及其解決方案之前先對流量信號本身進行討論，在信號處理中盡可能地提高信噪比是處理的主要目標，但由于勵磁功率等因素的限制，在電極處獲得的流量信號幅值有限并且十分微弱，而在研制電磁流量計中我們使用了電容式電極（其原 因在后面將有論述），此電極的輸出阻抗RC1很高，為106Ω數量級，如管內被測流體為導電率極低的酒精等，則內阻R0可能達到108Ω數量級，進入轉換器的電壓值為
，為使流量信號能夠基本不失真地進入信號處理板中，這就要求轉換器應具有極高的輸入阻抗Zi。我們采用了輸入阻抗數量級為1010Ω的自舉電路作為轉換器，其等效原理圖如圖2所示。
圖2中，C1是電極的等效電容；RC1為其阻抗；Vi為流量信號電動勢；R0為管內流體內阻。顯然，信號失真小于1%，很大程度上保證了流量信號的完整性。
雜散噪聲
以往的電磁流量計的電極部分是以金屬導體的形式與被測液體產生接觸的，被測流體流動時與電極部分產生碰撞形成不規則的雜散噪聲。使用電容式電磁流量計，電極部分不與被測流體直接接觸而是透過管壁與流體的感應電動勢產生感應。
如圖3中所示，使用導電片為電極附著在測量管道外形成電容式電極，進而管道內表面無任何其他物質，被測流體在管體內暢通無阻，沒有雜散噪聲產生。
圖3流量計電極及布線圖
[page]
正交/同相干擾
又稱為微分干擾，是變化的勵磁磁場通過被測流體、傳感器、轉換器和信號放大器組成的回路產生感應電動勢，此現象被稱為“變壓器效應”，其電動勢可表示為： 
式中：E為次級電動勢；B為磁場強度。
為減小正交干擾的幅值需要在制作工藝上下功夫，使圖3中D-A-B-C形成的回路平面盡量同勵磁磁場平行，進而最大程度的消除正交干擾。因為正交干擾與同相干擾是不隨流量而變化的，也可用初值相減的方法去除。
勵磁電場干擾
由于流量信號很微弱且敏感，易受外部影響，所以離它很近的勵磁線圈所產生的勵磁電場就成為影響流量信號精度的致命因素，其產生的與勵磁電流同形式的電場輻射對傳感器部分形成很大的干擾信號，能將流量信號完全湮沒。
解決方法是對傳感器部分及輸出線部分進行整體的接地屏蔽，屏蔽層需完全包裹傳感器部分，使屏蔽層內成為一個等勢體。因為電極部分獲得的流量信號很微弱，其獲得的電壓容易經分布電容泄漏，所以需在此傳輸線上加反饋屏蔽，如圖4所示。
工頻干擾
此干擾來源之一是外部電場，主要是工頻電場以串模耦合形式通過被測流體等外部媒介進入系統內部，其次是系統供電電源和勵磁信號引入的工頻形式的干擾，此工頻干擾的特點是幅值遠大于流量信號且無處不在并隨工作現場的不同其形式如頻率、幅值也有所變化。
消除其串模干擾的方法是將被測流體良好接地，使此工頻信號成為整個系統的基準電壓，整個系統的零電位隨串模信號的變化而變化，但其內部的電壓是不隨其變化的。再就是窄帶濾波，去除信號處理板引入的工頻噪聲。
共模/差模干擾
外部干擾電場耦合進入傳輸線部分，具有混合有共模和差模形式的干擾，此干擾具有不確定性，隨時間地點的不同而變化。去除方法是將傳感器與放大電路的長連接線以雙絞線的方式纏繞，從而減小回路面積以降低差模形式的感應電壓。由于傳輸線間很接近，使得每纏繞兩圈分別獲得的容性耦合干擾大小相等而極性相反，進而消除了整根雙絞線引入的差模干擾，在后期的放大電路中使用運算放大器進行差動放大消除共模干擾。
串模干擾
通過地線等途徑提高或降低基準電勢，使系統的工作電壓不穩定。如圖5所示為傳感器與接收放大器的連接電路。連接傳感器和放大器的導線模型化為與電阻Rw1和Rw2串聯的理想導體。
圖5串模干擾原理圖
傳感器模型轉化為電壓源Vs和與它相關的電阻Rs。節點Vg1是傳感器這邊的局部地，節點Vg2是接收端所在地的局部地。假設放大器的輸入端到局部地的電阻等于Ri。兩個局部地被電阻為Rg的分布式接地系統的導線連接在一起，因為有電流流進接地節點，所以兩個局部地就不可能處在同一電位上，而有Vgd的電勢差，則： 
說明只要Ri>>（Rs+Rw1），則只將Vgd作為加入到Vs中的誤差或干擾信號。
解決辦法有兩個：1）使用單點接地，斷開Vg1處節點與Vs的連線，這樣參考地只有一個，Vgd也就無法在系統中形成通路；2）第二個就是像去除共模干擾的方法一樣將傳感器與放大電路的長連接線以雙絞線的方式纏繞并在接收放大器端增加一個差分放大器，通過求差值的方法消除地線引入的干擾。
[page]
高低頻耦合干擾
除上面提到的頻率確定或形式確定的干擾外，還有其他的現場干擾進入，譬如現場擁有15Hz以下的低頻及1kHz以上的高頻，其干擾進入整個測量系統的傳輸線、導線等部分受到空間電場輻射，導致信號電壓擾動，低頻部分與處理放大后流量信號處于同一量級，它使工作信號做低頻的擾動，容易造成信號溢出，而高頻信號幅值較后期流量信號小，但仍會影響采樣值的精度。
為此，我們對信號進行較高Q值的窄帶濾波，使用二階壓控型有源帶通濾波器作為濾波單元，其原理圖及頻率特性如圖6、7所示。
圖6二階帶通濾波原理圖
其傳遞函數：
再將圖6所示的電路進行四次級聯形成八階帶通濾波器，其頻率響應如圖8所示。
圖8 八階帶通濾波器幅頻圖
結束語
本文主要探討了在研發過程中遇到的各種噪聲情況及處理方法，當然電容式電磁流量計所涉及的噪聲方面不僅如此，運放的量化誤差、采樣時的量化誤差對測量精度都有影響，還需要對采樣后的數據進行線性化等處理并通過控制器對流量結果進行控制、顯示。傳感器部分的形狀、結構和工藝及管體部分材料也需要引起足夠的重視。
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 索爾維全系列Solef?PV
