CN111351535A - 一种高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法。针对高频正弦波激励电磁流量计微分干扰大的问题，在管道零流速时，对传感器输出信号进行正交解调处理，得出微分干扰分量的相位参数，然后根据得到的相位参数值对励磁电流信号进行相位调整。在实际流量测量时，使用相位调整后的励磁电流信号作为参考信号。用该参考信号对流量信号进行解调，可以得到仅包含流量信息的计算结果，抑制微分干扰，降低系统零点输出。基于该信号处理方法，研制了基于DSP的软件系统，实时处理流量信号。软件系统包括主监控程序、初始化模块、中断模块、人机交互模块、看门狗模块、信号处理模块。

Description

一种高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法

技术领域

本发明属于流量检测技术领域，更为具体的讲，涉及一种高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法。

背景技术

电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理，通过测量导电液体流过被磁场覆盖的管道时切割磁力线所产生的感应电动势来测量体积流量的仪表，被广泛应用于化工、冶金和造纸等行业。经过长时间的发展，电磁流量计不管是在励磁方式还是信号处理方法上都有了很大的改善。为了降低电磁流量计由于电化学效应而产生的极化干扰带来的影响，励磁方式从过去的直流励磁发展到现如今的交流励磁，其中交流励磁主要被分为方波励磁和正弦波励磁两种。

电磁流量计在测量过程中，传感器电极拾取的信号不仅包含由流体切割磁场产生的流速信号，还包含微分干扰、极化干扰、工频干扰和白噪声等噪声信号，其中微分干扰更是和零点的稳定性直接相关。目前，国内外使用交流励磁方式的电磁流量计大都采用低频方波励磁技术，在励磁电流的稳态区测量流量，以避免非稳态段存在的微分干扰对测量结果造成影响。但是，方波励磁电磁流量计普遍存在两个问题，一是受1/f流体噪声影响较大，二是流量计的动态响应速度慢。而采用高频正弦波励磁，可以有效减少1/f流体噪声的影响，并且可以提高流量计的动态响应速度。但是，正弦波励磁电磁流量计由于受到“变压器效应”的影响，导致电极的输出信号中混有较大的微分干扰，并且励磁频率越高，微分干扰越强。微分干扰导致正弦波励磁电磁流量计在使用高频率测量时零点输出较大，且流量测量精度下降。由于微分干扰幅值往往比流量信号要大很多，而且其与流量信号同频率，常规的滤波方法无法抑制这种噪声。所以，能否较好地抑制微分干扰，是高频正弦波励磁电磁流量计能否实现高精度测量的关键问题。

现有文献“MSP430F149单片机在新型电磁流量计中的应用”(王俭，机电工程，2006年，第23卷，第6期)、“基于低频正弦波励磁方式的电磁流量计设计”(王守志，传感器与微系统，2011年，第30卷，第2期)、“电磁流量计极间信号干扰的建模与分析”(周真，测控技术，2012年，第31卷，第1期)中提出使用励磁信号和流量信号相乘的正弦波励磁电磁流量计的信号处理方法，但均采用硬件乘法器实现，精度不佳，硬件设计复杂，而且励磁频率较低。现有文献“正弦波励磁方式电磁流量传感器信号建模及模型验证”(王肖芬，电子测量与仪器学报，2009年增刊)、“Signal modeling of electromagnetic flowmeter under sinewave excitation using two-stage fitting method”(Xu K J,Wang X F，Sensors andActuators A(Physical),2007年,第136卷，第1期)、“Identification and applicationof the signal model for the electromagnetic flowmeter under sinusoidalexcitation”(Measurement Science&Technology，2007年，第18卷，第1期)、“Experimentalmodeling of sensor signal for electromagnetic flowmeter with sinusoidalexcitation”(Review of Scientific Instruments，2006年，第77卷，第11期)中提出两步拟合方法，根据大量实验数据，建立信号模型，通过模型得到微分干扰分量的相位值，在解调时根据该值调整励磁电流相位减少了微分干扰带来的零点输出。但这种得出参考信号相位值的过程适用性差，实现过程复杂，并且未给出具体的相位调整方法。现有专利“一种电磁流量信号检测方法”(杨红宇，赵辉，肖骁，康波，陈子健，王冰峰，发明专利，201410325869.3，申请日：2014.07.08，申请公布日：2014.09.24)中提出基于互相关的正弦波信号处理方法，来克服同频率的微分干扰和同相干扰，但互相关运算复杂，需要长时间的积分运算，降低了运算的实时性。现有专利“Scalable and continuous auto-zeroingmethod for AC driven magneto-inductive flowmeters”(Scherrer Rémy，FleckenPeter，Tschambser Florent，发明专利，12194283.3，申请日：2012.11.26，申请公布日：2014.05.28)采用了双频激励的方式，通过解析双频励磁时传感器电极输出的信号，来自动的补偿零点的波动，但是双频励磁实现较为复杂，而且该专利并未给出具体的实现方法。

为此，本发明提供一种高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法，该方法能够有效抑制微分干扰，降低系统零点输出，并易于实现。同时，在基于DSP的硬件平台上设计了完整的软件系统，实时实现了该信号处理方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法，抑制高频正弦波励磁电磁流量计的微分干扰，提取流量信号，降低零点输出。

本发明提出的高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法，其特征包括：

对零流速信号进行正交解调处理，得出微分干扰分量的相位参数值；

根据得到的相位参数值对励磁电流信号进行相位调整；

实际流量测量时，使用相位调整后的励磁电流信号作为参考信号，对传感器输出信号进行解调，最终得到仅包含流量信息的计算结果。

本发明的具体实施过程如下：

首先，高频正弦波励磁电磁流量计测量管道中液体流速为零时，传感器输出信号主要是微分干扰分量，所以可以从中提取出微分干扰的相位参数值θ。具的方法为：使用励磁电流信号作为一路信号，将励磁电流经过正交处理后的信号作为另一路信号；将这两路信号分别与零流速的传感器输出信号相乘，得到两路的计算结果；每路计算结果各自包含一部分直流分量和一部分交流分量，使用数字低通滤波器分别滤除两路计算结果中的交流分量，对剩下的两路直流分量进行反正切运算，即可得到所要提取微分干扰分量的相位参数值θ。

其次，采用上述计算得到的微分干扰分量的相位参数值θ对励磁电流信号进行相位调整。具体方法为：采用相位参数值θ的三角函数值cosθ、sinθ分别与励磁电流信号和励磁电流正交信号相乘，乘积的差值即已经过相位调整的励磁电流信号。

最后，将经过相位调整的励磁电流信号作为参考信号，使用该参考信号对传感器输出信号进行解调，解调结果同样包含直流分量和交流分量。通过数字低通滤波器滤除交流分量后，可得到仅包含流速信息的直流分量。

在本发明的实施例中，使用数字信号处理器DSP完成算法的实现。

本发明的有益效果是：能够抑制高频正弦波励磁电磁流量计在实际流量测量时产生的微分干扰，实现对流体流量高精度、高速度测量，同时降低零点输出。

附图说明

图1为高频正弦波励磁电磁流量计硬件电路框图；

图2为高频正弦波励磁电磁流量计软件系统框图；

图3为高频正弦波励磁电磁流量计主监控程序的流程图；

图4为励磁频率74.3Hz时，实测水流速为1m/s的传感器输出信号；

图5为励磁频率74.3Hz时，实测水流速为1m/s时的传感器输出信号去除均值后的频谱图；

图6为励磁频率74.3Hz时，实测水流速为1m/s时的传感器输出信号带通滤波后的频谱图；

图7为测量管道流速为零时的软件算法流程图；

图8为测量管道流速不为零时的软件算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施过程进一步描述。

本实施例所使用的高频正弦波励磁电磁流量计硬件系统如图1所示，主要包括信号调理采集模块、励磁驱动模块、数字信号处理与控制模块、人机接口模块、通讯模块、输出模块和存储模块。其中，信号调理采集模块由空管检测电路、偏置调整电路、调理电路、励磁电流和线圈电压采集电路组成；励磁驱动模块由DDS正弦波产生电路和功率放大电路组成；数字信号处理与控制模块由TMS320F28335数字信号处理器DSP组成；人机接口模块由按键、指示灯和LCD电路组成；通讯模块由RS485电路组成；输出模块由脉冲输出电路和4-20mA电流输出电路组成；存储模块由静态随机存取存储器SRAM和非易失性铁电存储器FRAM电路组成。

本实施例所使用的高频正弦波励磁电磁流量计软件系统如图2所示，主要包括主监控程序、初始化模块、中断模块、人机交互模块、看门狗模块和信号处理模块。其中，主监控程序负责监控整个软件系统的正常执行，由主循环程序组成；初始化模块由系统初始化、外设初始化、励磁初始化和数据初始化组成；中断模块由AD采样中断、定时器中断、SCI中断和按键中断组成；人机交互模块负责将计算结果输出到LCD液晶显示屏显示，通过指示灯显示关键性的标志信息，通过按键进行关键参数的修改；信号处理模块负责基于采样信号计算瞬时流速和累积流量；看门狗模块负责防止程序意外跑飞，提高系统运行稳定性。

本实施例所设计使用的高频正弦波励磁电磁流量计主监控程序的流程图如图3所示。系统上电后DSP依次执行系统初始化、GPIO初始化、中断向量初始化、外设初始化、数据初始化、励磁初始化、开启全局中断和主循环。主循环包括看门狗喂狗、算法执行判断、存储执行判断、偏置调整判断和液晶显示判断。

本发明所提出的高频正弦波励磁电磁流量计的信号处理方法为了从传感器输出信号中提取出流量信息，需要使用一路参考信号对其进行解调。本发明使用进行相位调整后的励磁电流信号作为参考信号。其具体流程包括：采集零流速下的传感器输出信号和励磁电流信号，先进行带通滤波，再进行正交解调，最后得出微分干扰参考相位值；采集正常流量测量时的传感器输出信号和励磁电流信号，先使用微分干扰参考相位值调整励磁电流信号，再进行带通滤波，最后使用调整后的励磁电流信号对传感器输出信号进行解调，得到最后的计算结果。

所述励磁电流信号，可以通过本发明所使用的高频正弦波励磁电磁流量计硬件系统的片外ADC采集检流电阻两端的电压得到，其离散序列的表达式如下：

i(n)＝Icosωn

式中，I为励磁电流的幅值，ω＝2πf/f_s为归一化励磁数字角频率，f为励磁频率，f_s为采样频率。

本发明中高频正弦波励磁电磁流量计传感器输出信号所使用的模型包括流速信号，微分干扰信号和其它干扰项。当电磁流量计采用高频正弦波激励传感器线圈时，传感器电极输出的流速信号是与励磁电流同频率的正弦信号，但实际测量中可能叠加了各种干扰噪声，经过ADC采集的传感器输出信号离散序列表达式如下：

e_a(n)＝k₁Ivcos(ωn+θ₁)+k₂Iωsin(ωn+θ₂)+N(n)

式中，e_a(n)即为传感器输出信号经ADC采集的离散序列；θ₁、θ₂分别为流速分量和微分干扰分量相对于励磁电流信号i(n)的相位；k₁和k₂分别为流速分量和微分干扰分量的系数；v为流体流速；N(n)为干扰项，包括但不限于非线性元件产生的谐波分量、电化学效应产生的低频漂移干扰、电网供电的工频干扰、测量固液两相流时的浆液干扰和白噪声等。当励磁频率越高，传感器线圈电感值越大，元件非线性产生的谐波干扰会越大。测量固液两相流时，产生的浆液干扰是一种能量和频率成反比特性的噪声。当励磁频率越高，浆液干扰对于高频励磁流量信号的影响越小，信噪比越高。

实测励磁频率为74.3Hz，水流速为1m/s的传感器输出信号如图4所示，去除均值后的传感器输出信号频谱如图5所示。

高频正弦波励磁电磁流量计传感器的输出信号中，耦合有其他频带的噪声干扰，为了抑制其他频带噪声对流量信号的影响，可将传感器输出信号通过带通滤波器进行滤波，从而提高信噪比。

本发明的实施例中设计并使用的数字滤波器为IIR二阶带通滤波器，其传递函数为：

式中，d为滤波器的增益系数，其计算公式为：

式中，b_ω为设计滤波器时选取的归一化带宽。

所述二阶IIR数字带通滤波器在励磁频率ω改变时，如果保持带宽b_ω不变，要得到滤波器的分母系数只需重新计算cos(ω)的值即可，计算过程简便。

本发明的实施例中，带宽固定选取为1Hz。

实测励磁频率为74.3Hz，水流速为1m/s的传感器输出信号进行带通滤波后的频谱如图6所示。

经过带通滤波后的传感器输出信号仅由流速分量和微分干扰分量组成，去除了其它干扰信号的影响，其表示式如下：

e(n)＝k₁Ivcos(ωn+θ₁)+k₂Iωsin(ωn+θ₂)

式中，e(n)表示传感器输出信号的实时采样值；k₁Ivcos(ωn+θ₁)为流速分量，k₂Iωsin(ωn+θ₂)为微分干扰分量。

本发明的实施例中，传感器输出信号和励磁电流信号在经ADC采样后，均通过相同参数的带通滤波器进行滤波，信号经过滤波环节产生的相位偏移量相同。因此，可认为数字滤波器导致的相位偏移不影响算法的实现效果。

传感器正常工作的情况下，测量管道流体流速v＝0时，流速分量为零，此时，传感器输出信号主要由微分干扰分量构成。DSP同时采集传感器输出信号和励磁电流信号。传感器输出信号的表达式如下：

e₀(n)＝k₂Iωsin(ωn+θ₂)

式中，e₀(n)表示在流速v＝0时传感器输出信号的实时采样值。

励磁电流信号的表达式为：

i(n)＝Icosωn

对采集的励磁电流信号进行一阶微分正交运算，得到励磁电流信号的一路正交信号，用于后续解调传感器输出信号。一阶微分正交计算公式如下：

i(n)-i(n-1)＝Icosωn-Icos(ω(n-1))

＝Icosωn-(Icosωncosω-Isinωnsin(-ω))

＝(1-cosω)i(n)-Isinωnsinω

式中，i(n)为当前n时刻的励磁电流信号，i(n-1)为保存的n-1时刻励磁电流信号。

因此，可以得到励磁电流信号正交信号的计算公式为：

i_a(n)＝Isinωn＝-(i(n)cosω-i(n-1))/sinω

式中，i_a(n)表示为当前n时刻的励磁电流信号的正交信号。

可见，使用该方法计算当前n时刻的励磁电流正交信号i_a(n)时，只需要保存前一个时刻励磁电流信号采样值i(n-1)即可，占用存储空间少，计算实时性高。

然后，分别用励磁电流信号i(n)和励磁电流的正交信号i_a(n)对传感器输出信号采样值e₀(n)进行正交解调，具体计算过程如下：

U_p1(n)＝e₀(n)*i(n)

＝k₂Iωsin(ωn+θ₂)*Icosωn

＝0.5k₂I²ωsin(2ωn+θ₂)+0.5k₂I²ωsinθ₂

U_p2(n)＝e₀(n)*i_a(n)

＝k₂Iωsin(ωn+θ₂)*Isinωn

＝0.5k₂I²ωcosθ₂-0.5k₂I²ωcos(2ωn+θ₂)

式中，U_p1(n)为励磁电流信号和传感器输出信号进行正交解调后的结果，U_p2(n)为励磁电流信号的正交信号和传感器输出信号进行正交解调后的结果。

可见，两路解调结果U_p1(n)和U_p2(n)中均包含直流分量和频率为励磁频率二倍的交流分量。因此，需要设计低通滤波器滤除交流分量、保留直流分量。为了便于在DSP中实时实现，设计二阶IIR低通数字滤波器，其传递函数为：

式中，b₀、b₁、b₂为数字滤波器分子系数，a₁、a₂为数字滤波器分母系数，Gain为数字滤波器增益。在本发明实施例中，低通滤波器的截止频率选择为1Hz。

通过数字滤波器滤除交流分量后，两路解调结果U_p1(n)和U_p2(n)只保留了直流分量，滤波结果如下：

U₁(n)＝0.5k₂I²ωsinθ₂，U₂(n)＝0.5k₂I²ωcosθ₂

式中，U₁(n)和U₂(n)均为n时刻的直流分量计算结果。

对U₁(n)和U₂(n)进行相除、反正切运算，可得到微分干扰分量的参考相位值：

θ₂＝arctan(U₁(n)/U₂(n))

式中，θ₂为微分干扰分量的参考相位值，arctan为反正切运算。

本发明的实施例中，上述流速为零时的算法，在数字信号处理器DSP中设计并实现的软件算法流程图如图7所示。先对采集的传感器输出信号和励磁电流信号进行电压值转换，接着进行带通滤波。然后，计算出励磁电流信号的正交信号，分别使用励磁电流信号和励磁电流正交信号对传感器输出信号进行解调。最后，对解调结果低通滤波处理后进行反正切计算、平滑滤波，得到最终的相位参考值。

采集流速v≠0时的实际流量信号，先采用得到的相位参考值对励磁电流信号相位进行实时调整。计算公式为：

i_b(n)＝i(n)cosθ₂-i_a(n)sinθ₂＝Icos(ωn+θ₂)

式中，sinθ₂和cosθ₂分别为参考相位值的正弦值和余弦值，则i_b(n)即为当前采样时刻被调整相位的励磁电流信号。

对励磁电流信号进行相位调整后，再使用该信号作为参考信号解调实际流量信号，计算公式如下：

e(n)*i_b(n)＝k₁I²vcos(ωn+θ₁)cos(ωn+θ₂)+

k₂I²ωsin(ωn+θ₂)cos(ωn+θ₂)

＝(k₁I²vcos(θ₁-θ₂)+k₁I²vcos(2ωn+θ₁+θ₂)

+0.5k₂I²ωsin(2ωn+2θ₂))

同样对解调结果低通滤波后，得到只包含直流分量的计算结果：

Res(n)＝0.5k₁I²vcos(θ₁-θ₂)

可见，该结果中只包含流速项v的信息，并且不含零点项。因此这种方法可降低系统的零点输出，消除微分干扰。

本发明的实施例中，上述正常流速测量时的算法，在数字信号处理器DSP中设计并实现的软件算法流程图如图8所示。先对所采集的传感器输出信号和励磁电流信号进行电压值转换，然后进行带通滤波，再计算励磁电流正交信号并对励磁电流信号进行相位调整，使用调整后的励磁电流信号和滤波后的传感器输出信号进行乘法解调，接着进行低通滤波得到仅包含流速信息的直流分量。最后，对处理结果进行滑动平均滤波，再转换为流速。

Claims (3)

1.一种高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法，克服现有技术的不足，抑制微分干扰，提取流量信号，降低零点输出，其特征在于：

对零流速信号进行正交解调处理，得出微分干扰分量的相位参数值；

根据得到的相位参数值对励磁电流信号进行相位调整；

实际流量测量时，使用相位调整后的励磁电流信号作为参考信号，对传感器输出信号进行解调，得到仅包含流量信息的计算结果。

2.如权利要求1所述的高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

高频正弦波励磁电磁流量计在测量管道液体处于零流速时，传感器输出信号主要由微分干扰分量构成；因此，使用励磁电流信号作为一路信号，并经过正交处理得到另一路信号，将两路信号分别与零流速的传感器输出信号相乘，会得到两路输出结果，每路输出结果都包含直流分量和交流分量，使用低通滤波器滤除交流分量后，对两路结果经过反正切运算即可得到微分干扰分量的相位参数值θ；得到参考相位之后，利用参考相位θ的三角函数值sinθ、cosθ分别对励磁电流信号和励磁电流正交信号进行调整，可以得到经过相位调整的励磁电流信号；将调整后的励磁电流信号作为参考信号和传感器输出信号进行解调，得到直流分量和交流分量，通过设计数字低通滤波器滤除交流分量，即可得到仅包含流速信息的直流分量。

3.如权利要求1所述的高频正弦波励磁电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

软件系统包括主监控程序、初始化模块、中断模块、人机交互模块、看门狗模块和信号处理模块；其中，主监控程序负责监控整个软件系统的正常执行，由主循环程序组成；初始化模块由系统初始化、外设初始化、励磁初始化和数据初始化组成；中断模块由AD采样中断、定时器中断、SCI中断和按键中断组成；人机交互模块负责将计算结果输出到LCD液晶显示屏显示，通过指示灯显示关键性的标志信息，通过按键进行关键参数的修改；信号处理模块分为零流速和正常流量测量，零流速时负责计算出参考相位值，正常流量测量时负责通过采集的信号计算出瞬时流速和累积流量；看门狗模块负责防止程序意外跑飞，提高系统运行稳定性。

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