基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法研究

许瑞祥 李芬 翟恒涛 肖远欢 唐法伟

摘 要 传统电磁流量计在消除微分干扰时大多数采用在硬件电路上消除或者避开微分干扰时段进行采样，很少研究影响干扰的原因。基于真实电极情况，建立电极回路测量模型并基于模型进行电极信号仿真，研究了传感器参数和电极参数变化对微分干扰的影响。结果表明，当参数取值不同时尖峰干扰也不相同，从而为研究和消除干扰减小测量误差提供理论依据。

关键词 电磁流量计;处理方法;理论依据

引言

电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的流量仪表，主要由传感器和变送器组成，传感器将待测流体转换成电信号，变送器对电信号进行一系列的处理转换成实际对应的流量。理想情况下电极上感应出的电势与流体流速成正比，但在实际中电极信号掺杂许多干扰信号，主要的干扰为微分干扰、同向干扰、工频干扰、共模干扰、串模干扰、浆液干扰和极化干扰等。为确保流量计测量准确性须对干扰进行抑制，如采用交流励磁克服极化干扰、高共模抑制比差分放大器克服共模干扰、励磁频率为工频整数倍克服工频干扰、良好接地技术和静电屏蔽克服串模干扰、浆液噪声符合1/f特性可通过提高励磁频率加以克服。经上述信号处理方法之后电极上主要的干扰为微分干扰。当采用交流励磁时，由于存在励磁线圈等效电感，励磁切换过程中励磁电流存在渐变过程，在这一过程中磁感应强度处于非稳定状态，变化的磁场穿过由被测流体、测量电极、电极引出线和变送器共同组成的闭合回路，实际中该回路不可能与磁力线保持平行，此时励磁线圈相当于变压器的初级线圈，闭合回路等价于只有一匝的次级线圈且回路大小可等效为回路电感。根据“变压器效应”会产生一个尖峰即微分干扰叠加在电极上，影响流量的测量。

1数据采集分析

1.1 现场实验

针对电磁流量计测量水煤浆时出现较大波动，甚至回零这一问题，特去某煤化工企业甲醇分公司进行现场数据采集。该公司所使用的对置式四喷嘴气化炉有4个喷嘴，喷嘴管道口径为125mm，管中水煤浆流量基本稳定在19m3/h（流速约为0.48m/s）。每条喷嘴煤浆线上安装了3台电磁流量计，每台电磁流量计由传感器和变送器两部分组成。选择其中1条水煤浆管线上的1台电磁流量计进行数据采集，因为该台电磁流量计测量结果波动大，甚至出现回零的现象。将课题组研制的基于DSP的电磁流量变送器的信号线和励磁线接到该电磁流量传感器的电极和励磁线圈上，组合成完整的电磁流量计，进行水煤浆数据采集。使用的电磁流量变送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335为核心，采用高频励磁方案，其硬件主要包括励磁控制系统和信号采集处理系统，具体的模块有励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模块、人机接口模块、通信模块及电源管理模块。信号调理采集模块中的调理电路对一次仪表输出的信号进行放大和滤波，截止频率是2kHz，放大倍数约为230倍。通过NI公司USB-6216型号的数据采集卡进行数据采集，把调理电路的输出端连接到数据采集卡的一个差分输入端，并设置数据采集卡工作在差分的测量模式，设置采集卡的采样频率为10kHz。采集多组水煤浆信号数据，每组数据的时间长度为5min。

1.2 数据分析

现场采集了25Hz方波励磁下的水煤浆信号，发现水煤浆信号的幅值非常大，甚至接近AD的量程上限。水煤浆信号主要由感应电动势信号和电极噪声组成。其中，感应电动势信号是由导电液体切割磁场产生的，其幅值和相同流量下介质为水的感应电动势幅值相同，仅约为数十毫伏。这是因为电磁流量计不受被测导电介质的温度、黏度、密度以及导电率的影响，只要经过水标定后，就可以用来测量其他导电液体的流量。电极噪声是水煤漿中的固体颗粒划过电极而引起的信号跳变，也称为浆液噪声，具有强非平稳性、随机性，频域具有近似1/f的特性。水煤浆信号中的浆液噪声幅值非常大，峰值可达数伏，远远高于与流量相关的感应电动势信号。这给流量信号的提取造成了极大的困难[1]。

2基于MATLAB的电极信号仿真

2.1 仿真模型

本文基于Matlab中Siumlink对电极信号进行仿真，励磁方式为三值波励磁，励磁频率f=25Hz，传感器参数D=40mm、Rx=88.8Ω、Lx=162mH，励磁系统参数Ue=100V、稳态电流I0=200mA。由公式（1），在固定流速下感应电势与励磁电流成正比，通过增加Gain1模块得到感应电势信号。对励磁电流进行求导即经模块Derivative得到微分噪声，其中Gain值与Lx和L1相关。感应电势与噪声经Add1叠加之后得到电极信号E1（t）。scope观察输出信号波形。将传感器参数代入到励磁电流稳态调节时间公式中，得电流上升时间为360μs，测得实际上升时间为390μs，两者相差不大，验证了仿真模型的正确性。

2.2 仿真实验

仿真试验中，设定线圈等效电感取值范围为162～212mH，间隔10mH;闭合回路等效电感范围0.2～1mH，间隔为0.2mH;双电层电容、接触电阻随流体电导率变化而变化，电导率增大接触电阻和双电层电容减小而电荷传递电阻增大。可设定电极接触电阻、双电层电容和电荷传递电阻范围分别为5～15kΩ、10～20μF和50～60Ω，由公式（7）知，可用T2表示上述三者关系。仿真参数取值不同情况下，通过MATLAB工具箱对仿真测量得到的干扰峰值进行曲线拟合画出相应的曲线图[2]。

3结束语

本文主要针对电磁流量计的50Hz工频干扰，提出采用巴特沃斯带阻滤波的信号处理方法，运用MATLAB实现巴特沃斯带阻滤波器的设计。通过MATLAB仿真，验证了本滤波方法的可行性，将50Hz工频干扰有效地滤除，研制出基于MSP430的低频矩形波励磁的转换器，并设计了软件系统，可以实时处理信号。为了验证滤波算法的可行性，并测试电磁流量计的测量精度，采用标准表标定法进行了水流量标定实验。实验结果表明，本文设计系统的测量精度高于0.4%，好于普通电磁流量计0.5%的测量精度，达到了工业测量的标准，表明本文的研究方法可行。

参考文献

[1] 蔡武昌，马中元，瞿国芳，等.电磁流量计[M].北京：中国石化出版社，2004：73.

[2] 秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005：33-36.