CN109974799B - 一种基于前馈控制的自适应电磁流量计极化噪声抵消系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于前馈控制的自适应电磁流量计极化噪声抵消系统，用于消除电磁流量计测量过程中产生的极化噪声。该系统在电磁流量变送器的信号调理电路中实现，其方案是：电极输出信号经过前置差分放大后，经过一个过渡带非常窄的八阶低通滤波器，实时准确地提取出其中的极化噪声，然后以提取的极化噪声作为前馈量，经过噪声抵消与放大电路，用前置差分放大后的电极输出信号减去极化噪声，实现极化噪声的自适应抵消。

Description

一种基于前馈控制的自适应电磁流量计极化噪声抵消系统

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种电磁流量计极化噪声消除系统，特别是一种纯硬件实现的基于前馈控制的自适应极化噪声抵消系统。

背景技术

电磁流量计是一种依据法拉第电磁感应定律测量导电液体体积流量的仪表，广泛应用于石油、化工、冶金、造纸等行业。电磁流量计由传感器和变送器构成。传感器由流量管、励磁线圈、电极等组成，主要实现流速信号向电信号的转变。变送器主要由励磁电路、信号调理电路、DSP控制系统组成，其中，信号调理电路通过放大器和滤波器等的组合来抑制噪声信号，提高信噪比，进而使模数转换器能够采集和转换流量信号。

电磁流量计在测量时，导电液体流过流量管，切割磁场产生感应电势，通过电极拾取感应电势信号，直接送入信号调理电路进行滤波和放大等。电极拾取的信号中不仅有流体切割磁场产生的流量信号(感应电势)，还存在噪声信号。流量信号与流速成正比，一般幅值为几十微伏到数百微伏；噪声信号中有微分干扰、同相干扰、工频干扰、极化噪声等。极化噪声是被测导电液体与金属电极表面发生电化学反应而产生的干扰信号，存在漂移的现象，幅值一般在几毫伏到数百毫伏范围内变化，但也有可能达到数伏。不同于工频干扰噪声或微分干扰噪声，极化噪声是无法通过良好的接地或者改变励磁方式来消除的，极大地影响了信噪比。而且，流量信号与极化噪声所处的频带比较接近，若采用普通低阶滤波的方法对两者进行分离，很容易使流量信号出现畸变的现象，而如果直接进入信号调理电路进行放大，得到的信号主要是极化噪声，极化噪声淹没了流量信号，进入模数转换器后，很难准确地提取出流量信号。

为了解决电磁流量计中的极化噪声问题，国内外都进行了相关研究。

国外某知名电磁流量仪表厂商提出一种极化噪声补偿的方案。该方案根据极化噪声缓慢变化的特点，实时获取极化噪声的值，并对极化噪声进行补偿，使流量信号占优，以提高信噪比。具体做法是：采用间歇励磁的方法；在不励磁期间，采集传感器输出的信号作为极化噪声，并把它作为励磁期间内的极化噪声，把励磁期间内传感器输出的信号与不励磁期间内传感器输出的信号相减，然后再对相减后的信号进行放大，可以大大提高信噪比。但是，该方案采用的电路比较复杂，而且，由于极化噪声的不规律性，不励磁区间和励磁区间内的极化噪声并不完全相等，因此，这种方案会导致电磁流量计的零点随机变大。

国外学者Michalski A等在文章“The Problems of Pulse Excitation inElectromagnetic Flowmeters”(IEEE Instrumentation&Measurement Magazine，2013,16(5):47-52)中采用了低通滤波反馈的方案。该方案根据极化噪声所处的频带略低于流量信号的特点，采用低通滤波器对预放大后的传感器输出信号进行滤波，得到极化噪声占优的信号，把滤波后的结果反馈到预放大电路的偏置端，对极化噪声进行抵消，提高信噪比。具体做法是：把传感器输出的信号接到仪用运放的输入端，把仪用运放的输出信号接入到一阶有源低通滤波器的输入端，再把滤波器的输出端接入到仪用运放的偏置端，实现对极化噪声的抵消。但是，一阶低通滤波器的过渡带很宽，所以，这种解决方案会使流量信号出现畸变的现象。所以，这种方法仅仅被用在瞬态励磁中，还没能用在商用的仪表中。

国内某知名流量仪表厂商采用高精度的模数转换器的方案。随着电子技术的不断进步，模数转换器的转换精度越来越高，当前市面上已经出现了32位的高精度模数转换器，最小分辨率可低至几十纳伏。在对传感器输出的信号进行数倍的放大之后，直接送至高精度的模数转换器，利用数字信号处理方法提取出流量信号。这种方案虽然简单，但是，把提高信噪比的工作交给了变送器的软件部分，增加程序的复杂性。高精度的模数转换器的分辨率与采样率成反比，因此，为了保证所使用的模数转换器在一个较高的分辨率下工作，不宜采用较高的采样频率。所以，该方案只能使用在励磁频率很低的场合。

国内学者梁利平等在论文“阈值控制的电磁流量计偏置调节方法”(电子测量与仪器学报,2013,27(1):89-96.)中提出阈值控制的偏置调节方法。该方法通过硬件和软件相互配合来控制电极输出信号的漂移。当信号超过设定的阈值时,DSP(数字信号处理器)控制DAC(数模转换器)模块输出偏置调节电压,将传感器输出信号调整到0附近。这种调节方法在调偏置阶段直接将超过设定阈值的漂移信号拉回正常流量信号范围，将导致流量信号产生一个跳变，会对后续的梳状带通滤波造成影响，导致输出信号出现间断性错误。针对这种情况，可以用前一周期无偏置调整的正常信号来替换有跳变的信号。但是，为保留信号的原始真实性，替换的次数越少越好。因此，调偏置次数越少越好。这就需要我们提高设定的阈值。但是，提高阈值后，电路中的噪声漂移量会变大，这样就会限制整体电路的放大倍数。

发明内容

本发明为解决上述极化噪声的问题，分析了极化噪声产生的具体原因及分布特性，提出一种基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方法，实时准确地提取了极化噪声信号，并通过前馈控制实现对极化噪声的准确补偿，极大地提高信噪比。并基于该方案研制了电磁流量计变送器中的信号调理电路，替换掉本发明人所在课题组研制的电磁流量计变送器中的调理电路，形成一套完整的电磁流量变送器，进行验证实验。

具体的技术方案如下：

电磁流量计在测量过程中，电极与电解质会发生电化学反应，使电解质流体中形成复杂的电解双层结构，双电层之间产生一个电场，从而在电解质流体和电极之间形成电位差，产生所谓的极化噪声。极化噪声是随机漂移的噪声信号，其频段主要分布于零频附近的低频区域。若励磁频率为2.5Hz～5Hz，我们可以用一个过渡带特性较陡的高阶低通滤波器来提取极化噪声。

电极输出信号经过前置差分放大后，经过一个过渡带非常窄的八阶低通滤波器，提取出其中的极化噪声，然后以提取的极化噪声作为前馈量，经过噪声抵消与放大电路，用差分放大后的电极输出信号减去极化噪声，就可以实现极化噪声的自适应抵消。

本发明的优点是：提出的基于前馈控制的自适应极化噪声抵消系统可以更为精确地提取和抵消极化噪声；可以对传感器输出的流量信号进行更大倍数的放大，一方面可以提高流量测量的下限，另一方面，可以使用位数更低的模数转换器，以节约电路成本。另外，由于流量信号幅值不会超过5V，因此，整体电路供电范围可调节至5V，有利于降低电路功耗。

附图说明

图1是未滤除极化噪声的信号时域和频域图；

图2是前馈控制的自适应极化噪声抵消方法原理图；

图3是信号调理电路框图；

图4是前置差分放大电路；

图5是极化噪声提取与抵消电路；

图6是低通滤波放大电路；

图7是实验装置示意图；

图8是经过自适应极化噪声抵消后的信号时域和频域图。

具体实施方法

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

图1是未滤除极化噪声的信号时域和频域图。频谱图的做法是：对290000点信号去均值后，从4096点开始，等距取60段，每段4096点，分别做4096点的FFT(快速傅里叶变换)，再求出其平均幅值谱。

该信号只对电极输出信号进行了放大和高频滤波，流量信号上叠加了漂移的极化噪声。由时域图可以看出：信号累积的漂移量达到了1.2V，远大于70mV左右的流量信号(流速为1m/s信号幅值约为100μV，流量为20m³/h时流速为4.44m/s，信号幅值约为444μV，放大170倍后约为75.5mV，70mV为观测结果)。而该结果仅仅是将电极输出信号放大了170倍。当放大倍数更大时，如果任由电极输出信号发生漂移，那么，放大器输出信号很可能出现饱和，会达到ADC(模数转换器)的供电电压5V，导致ADC无法正常工作。

从频域看：极化噪声以直流噪声为主，主要分布于零频附近的低频区域，几乎不与流量信号频段重叠。

图2是前馈控制的自适应极化噪声抵消方法原理图。电极输出信号S(t)包含流量信号s(t)、极化噪声n₁(t)和高频噪声n₂(t)。

S(t)＝s(t)+n₁(t)+n₂(t)

电极输出信号S(t)经过前置差分放大器A₁后得到信号A₁·S(t)。由于极化噪声n₁(t)频段与流量信号s(t)频段存在很好的区分度，那么信号A₁·S(t)经过一个低频滤波器H₁(ω)，就可以将其中的极化噪声N₁(t)提取出来。

N₁(t)＝A₁·S(t)·H₁(ω)＝A₁·n₁(t)

然后，我们以极化噪声N₁(t)作为前馈量，经过运算放大器A₂，用信号A₁·S(t)减去N₁(t)，就可以实现自适应极化噪声抵消，得到不含有极化噪声的信号S₁(t)。

S₁(t)＝A₂·[A₁·S(t)-N₁(t)]＝A₁A₂·[s(t)+n₂(t)]

再经过低通滤波器H₂(ω)滤除高频噪声n₂(t)，我们就可以得到最终输入ADC的信号S₂(t)。

S₂(t)＝S₁(t)·H₂(ω)＝A₁A₂·s(t)

最后，在软件中通过梳状带通滤波和幅值解调等信号处理方法，滤除工频干扰和微分干扰，就可以得到流速值。

图3是信号调理电路框图。主要由前置差分放大电路、极化噪声提取与抵消电路和低通滤波放大电路组成。前置差分放大电路对电极输出信号进行一级放大，并实现隔离耦合、抑制共模噪声、实现信号的阻抗匹配。极化噪声提取与抵消电路实时准确地提取极化噪声，通过前馈控制实现对极化噪声的准确补偿，并对流量信号进行二次放大。低通滤波与放大电路滤除信号的高频噪声，进一步对信号进行放大。

图4是前置差分放大电路。采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失调漂移、低增益漂移的精密仪用放大器U7来实现信号的放大和共模噪声的抑制。精密仪用放大器U7的放大倍数由电阻J7决定，最大放大倍数可达1000倍，本发明放大倍数为4.1倍。由于后级电路采用+5V供电，因此要考虑供电电压极性匹配的问题。电极输出信号中流量信号及其他噪声幅值远小于极化噪声幅值，我们检测到的电极输出信号中极化噪声幅值最大为±200mV，前置差分放大后最大也只有±820mV，也就是说前置差分放大电路输出的最大负电压为820mV，而我们在基准端(REF)直接加入了2.5V参考电压，足以将前置差分放大电路输出信号由双极性转为单极性。

图5是极化噪声提取与抵消电路。电路分为极化噪声提取电路和噪声抵消与放大电路。

极化噪声提取电路通过八阶巴特沃斯低通滤波器U10来提取极化噪声。此低通滤波器过渡带非常窄，其截止频率f_c的大小可以通过外接电容C52和C55在1Hz～2kHz之间调节。而且当f_IN＝2f_c时，信号增益为-48dB，输出信号衰减为原信号的1/251；当f_IN＝3f_c时，信号增益为-76dB，输出信号衰减为原信号的1/6310。比如通过电容C52和C55设置f_c＝1Hz，那么输出信号中完整保留1Hz及其以下频段的信号，1～3Hz内的信号出现不同程度衰减，3Hz及以上信号被完全衰减。由此我们就可以通过该八阶低通滤波器U10滤除励磁频率12.5Hz(6.25Hz、3.125Hz)及以上频段的信号，提取出极化噪声。

噪声抵消与放大电路由精密仪用放大器U18组成，放大器U18与图5中放大器U7相同，放大倍数由电阻J8决定。前置差分放大后的信号OUT1与低通滤波器U10提取的极化噪声分别输入放大器U18的同相输入端(+IN端)与反相输入端(-IN端)，通过相减来实现极化噪声的自适应抵消，并进行二级放大。

经过极化噪声抵消后的信号中只含有流量信号和高频噪声，而且高频噪声幅值小于流量信号幅值，因此，可以通过放大器实现流量信号更高倍数的放大。以口径为40mm的电磁流量传感器为例，在流速为5m/s时检测到流量信号峰峰值为1mV，以10m/s为流速上限，则流量信号峰峰值最大为2mV。由于模数转换器(ADC)采用5V供电，考虑到芯片性能等因素，不可能将流量信号完全放大到芯片供电电压范围，我们将信号最大放大到±4V，那么信号调理电路最大放大倍数可达4000倍。扣除前置放大4.1倍，那么，后两级电路最大可放大975倍。

图6是低通滤波放大电路。低通滤波放大电路采用两级二阶巴特沃斯低通滤波器U9B和U9C级联来构成四阶低通滤波器。电路通过电阻J1与J3、J2与J6来配置放大倍数，本发明共放大10.9倍；通过电阻J1、J4与电容C35、C41以及电阻J2、J5与电容C36、C42来配置低通滤波器的截止频率，本发明考虑到能更多的保留流量信号的谐波，设置滤波器截止频率1.5kHz。采用低通滤波放大电路的目的是为了滤除信号中的高频噪声，防止高频噪声进入模数转换器(ADC)后造成信号的混叠，并对信号进行三级放大。

图7是实验装置示意图。实验装置由水流量标定装置和数据采集系统组成。其中，水流量标定装置包括电磁流量传感器(简称传感器)、国内某大型仪表企业生产的标准表(简称标准表)、流速调节器、标定桶等，数据采集系统包括电磁流量变送器、485串口、上位机(PC)。水流量标定装置的不确定度为0.2％。电磁流量传感器口径为40mm。电磁流量变送器的励磁频率为12.5Hz。信号调理电路放大倍数和ADC位数可调：在前馈控制的自适应极化噪声抵消系统滤波实验和电磁流量计水流量标定实验中放大倍数为340倍，模数转换器(ADC)位数为24位；在降ADC位数实验中放大倍数为3500倍，取24位ADC的高14位来模拟16位ADC。

图8是经过自适应极化噪声抵消后的信号调理电路输出信号时域和频域图。为验证基于自适应极化噪声抵消方法的信号调理电路对极化噪声的消除效果，在信号调理电路输入信号不断发生漂移的情况下(如图1中情况)，本发明在流速5m/s时通过实验装置采集了200s的信号调理电路输出信号。并对其信号做了频谱分析，方法同图1中频谱分析。

根据时域图可以看出：200s内信号基本不发生漂移。通过频谱分析发现：经过自适应极化噪声抵消后信号调理电路输出信号中基本不存在极化噪声，只剩12.5Hz的流量信号。该结果即可说明前馈控制的自适应极化噪声抵消系统能有效地滤除电极输出信号中的极化噪声。

表1是信号调理电路放大340倍，采用24位ADC的水流量标定实验结果。该标定实验是为了考察基于自适应极化噪声抵消方法的信号调理电路的实际效果。标定实验中，在流速为5m/s到0.15m/s的范围内，共选取了6个标定点，并通过示值误差拟合方法计算仪表系数，然后验证了电磁流量计的准确度。

表1放大340倍，24位ADC水流量标定实验

由表1可知：在流速为5m/s到0.15m/s的范围内，电磁流量计的最大测量误差都在±0.3％以内，重复性误差均在0.1％以内，满足0.3级电磁流量计要求。该结果说明采用该信号调理电路的基于DSP的电磁流量计具有很好的测量准确度。同时，与本发明人所在课题组先前设计的放大倍数为180倍的电磁流量计相比，提高了流量信号的放大倍数，可以实现更低流量的测量，即可以采用该方法来拓展电磁流量计的测量下限。

表2是信号调理电路放大3500倍，采用24位ADC高14位来模拟16位ADC的水流量标定实验结果。该标定实验是为了验证基于前馈控制的自适应极化噪声抵消系统可以将流量信号放大更大倍数、可以降低ADC的采样位数、电路的成本和功耗。

电极输出信号经过自适应极化噪声抵消后，信号调理电路最大放大倍数可达4000倍，所以，可将信号调理电路的放大倍数由340倍提高至3500倍。当电路放大倍数较大时，流量信号幅值相应较高，对ADC分辨率的要求降低，这样就可以采用位数较低的ADC来实现信号的测量。同时，降低ADC位数也将降低电路的成本。普通DN40的电磁流量传感器流速测量下限为0.5m/s，本发明通过上位机采集了放大3500倍的信号，发现流速0.5m/s时信号峰峰值约为346.7mV，而测量电压范围为±5V的16位ADC的分辨率为153μV，这足以识别信号。所以，采用了16位ADC。16位ADC有效位数一般在14～16位。为了方便在同等条件下验证效果，本发明人不再重新设计电路，而是在标定时取原有24位ADC的高14位来模拟16位ADC的效果。

在流速为5m/s到0.5m/s的范围内，共选取了5个标定点，并通过示值误差拟合方法计算出仪表系数，然后，验证电磁流量计的准确度。

表2放大3500倍，16位ADC水流量标定实验

由表2可知：在流速为5m/s到0.5m/s的范围内，电磁流量计的最大测量误差都在±0.3％以内，重复性误差均在0.1％以内，满足0.3级电磁流量计要求。这说明提出的基于前馈控制的自适应极化噪声抵消系统能有效抵消极化噪声，从而可以将信号放大较高的倍数，可以有效降低ADC的采样位数，并减少成本。另外，滤除极化噪声后，放大的电极输出信号幅值在电路中不会超过±5V，这样就可以将电路中芯片的供电电压降至±5V来减小电路功耗。

Claims (1)

1.一种基于前馈控制的自适应电磁流量计极化噪声抵消系统，用于消除电磁流量计测量过程中产生的极化噪声；该系统主要为信号调理电路，信号调理电路由前置差分放大电路、极化噪声提取与抵消电路和低通滤波放大电路组成；

前置差分放大电路采用精密仪用放大器来实现信号的一级放大和共模噪声的抑制；

极化噪声提取与抵消电路为系统核心部分；利用极化噪声的低频特性，通过八阶巴特沃斯低通滤波器来准确提取极化噪声，并以极化噪声为前馈量，与前置差分放大后的传感器输出信号在精密仪用放大器中相减来实现极化噪声的自适应抵消和二级放大；

低通滤波放大电路通过两级二阶巴特沃斯低通滤波器级联来构成四阶低通滤波器，以滤除信号中的高频噪声，防止高频噪声进入模数转换器后造成信号的混叠，并对信号进行三级放大；

其特征在于：

在信号调理电路前两级放大电路中使用了前馈控制；利用极化噪声的低频特性，通过一个八阶低通滤波器，其截止频率f_c的大小通过外接电容在1Hz～2kHz之间调节，而且当f_IN＝2f_c时，信号增益为-48dB，输出信号衰减为原信号的1/251，当f_IN＝3f_c时，信号增益为-76dB，输出信号衰减为原信号的1/6310；从前置差分放大后的传感器输出信号滤除流量信号，得到极化噪声，并以极化噪声作为前馈量，在二级放大电路中与前置差分放大后的传感器输出信号相减，得到无极化噪声的流量信号。

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