CN113188615B - 一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流量检测领域，尤其涉及一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统及测量方法，包括FPGA微处理系统，所述FPGA微处理系统的输出端分别连接励磁线圈模块和励磁补偿线圈模块，所述励磁线圈模块连接励磁线圈，所述励磁补偿线圈模块连接励磁补偿线圈，所述FPGA微处理系统分别连接检波模块、人机接口模块、通讯模块、电源管理模块、干扰数据处理模块和软件动态补偿模块，所述检波模块的输入端连接信号接收电极的输出端，所述软件动态补偿模块的输入端连接干扰数据处理模块的输出端，所述干扰数据处理模块的输入端连接信号采集处理模块的输出端。本发明有益于提高电磁流量计的测量精度和可靠性，同时减少了平稳段时间，有利于减少功耗，提高使用寿命。

Description

一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统及测量方法

技术领域

本发明涉及流量检测领域，尤其涉及一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统及测量方法。

背景技术

电磁流量计是一种依据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表，被广泛的应用于生产生活中。相比于其他种类的流量计，电磁流量计具有以下特点：(1)电磁流量计结构比较简单，无可动部件和节流件，不易出现管道堵塞等问题，耐磨损、使用寿命长；(2)电磁流量计的应用很广泛。可用于居民生活用水以及石油、化工等工业生产中泥浆、矿浆和纸浆等流量的测量，也广泛应用于食品及制药工程中糖浆、药浆和血液等介质的流量测量；(3)测量范围广，对于同一传感器，测量流速的范围一般可在0.3m/s-15m/s，而且无论管道内导电液体是正向流动还是反向流动，均可正常计量。

目前，低频双值矩形波和三值矩形波励磁技术被广泛的应用于电磁流量计中。电磁流量计经过励磁响应和信号放大滤波处理后，感应电动势在平稳段为几十到几百毫伏。但是由于干扰噪声的影响，现有信号处理技术，仍然不能做到准确的测量实际流量。尤其在测量固液两相导电性液体时，虽然高频励磁技术的电磁流量计具有测量反应速度快且能够减小浆液干扰的影响，但高频励磁技术也需要保持足够时间的稳定段，以方便输出感应电动势的采集，保证其测量精度。从而造成功耗增加，损耗电磁流量计的使用寿命。

中国发明专利公布了一种基于微分干扰补偿的瞬态电磁流量变送器(CN108593022A)这种基于微分干扰补偿的瞬态电磁流量变送器包括励磁驱动模块、信号调理采集模块、人机接口模块、存储模块、输出模块、通讯模块以及软件处理模块。该专利对励磁电流的瞬态过程进行了研究，通过分析动态变化的信号电压和励磁电流，提出微分干扰补偿的处理方法，确定信号电压在微分干扰补偿后除以励磁电流的结果与流量之间的关系，采集电压和电流数据进行离线验证；然后，以DSP为核心，研制基于微分干扰补偿的瞬态电磁流量变送器，实时实现瞬态测量方法。但是该系统存在的缺陷是：瞬态测量中电压电流变化迅速，不利于测量的稳定性与准确性，无法满足在精度要求高的场合使用。

针对已有技术存在的缺陷，本发明提出一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统及测量方法满足在平稳态测量中应用。

发明内容

本发明提供一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统及测量方法，目的在于通过硬件和软件实现动态补偿后，选择在特定的平稳段截选部分感应电动势进行流量信号采集，最终通过数据分析后，确定补偿后采集的感应电动势和流量之间的关系。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统，包括FPGA微处理系统，FPGA微处理系统的输出端分别连接励磁线圈模块和励磁补偿线圈模块，励磁线圈模块连接励磁线圈，励磁补偿线圈模块连接励磁补偿线圈，FPGA微处理系统分别连接检波模块、人机接口模块、通讯模块、电源管理模块、干扰数据处理模块和软件动态补偿模块，检波模块的输入端连接信号接收电极的输出端，软件动态补偿模块的输入端连接干扰数据处理模块的输出端，干扰数据处理模块的输入端连接信号采集处理模块的输出端。

进一步地，信号采集处理模块包括信号接收电极，信号接收电极的输出端连接差分式前置放大器输入端，差分式前置放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接次级放大器的输入端，次级放大器的输出端连接电平提升模块的输入端，电平提升模块的输出端连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端分别连接FPGA微处理系统和干扰数据处理模块的输入端。

一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的测量方法，包括以下步骤：

S1、零流速时，感应电动势是流速无关的干扰值，在临界点处通过信号采集处理模块采集零流速感应电动势示数值作为干扰信号标准参考值；

S2、流速测量时，信号采集处理模块采集临界点处感应电动势示数值作为干扰信号对比值，并做离线数据处理；

S3、FPGA微处理系统将干扰信号标准参考值与对比值进行数据比对，确定具体补偿值，并送至软件动态补偿模块进行处理；

S4、当系统判定需要干扰补偿时，FPGA微处理系统向励磁补偿线圈提供励磁信号；当系统判定干扰补偿值较小时，直接使用与励磁线圈相同大小的可编程式矩形波励磁信号；当系统判定干扰补偿值较大时，调节可编程式矩形波励磁信号的波形和电流大小完成硬件补偿；软件动态补偿模块利用FPGA实时监测励磁补偿线圈模块的动态补偿情况，实现二次补偿。

进一步地，步骤S1、S2中的采集感应电动势信号，具体包括以下步骤：

在平稳段后半段选定36组数据采集点，采用隔组采样法，数据采集点每隔一组数据点采集一次；对36组数据点采用隔组分配到两个存储单元中，并做算术平均化处理；每一组算数平均值与该组数据点进行比对，保留相对误差最小的9组数据作为该存储单元最终存储值；两个存储单元最终18组采样数据做平均化处理，作为最终输出值。

进一步地，硬件补偿结构为将励磁线圈置于测量管道的竖直方向，四个补偿线圈均匀分布在测量管道的四周，信号接收电极置于测量管道的水平方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明分析电磁流量计干扰信号性质，提出利用可编程式矩形波励磁信号实现动态实时波形调节，研究了励磁电流和信号电压的动态变化，通过分析励磁电压极性转换临界点处感应信号电压，提出稳态下干扰的动态偏移补偿办法，并在励磁信号平稳段对信号电压进行了信号补偿。在通过硬件和软件实现动态补偿后，选择在特定的平稳段截选部分感应电动势进行信号采集，最终通过数据分析后，确定补偿后采集的感应电动势和流量之间的关系。励磁线圈模块使用可编程式矩形波励磁信号，相比双值矩形波或三值矩形波，可编程式矩形波更加灵活，可根据需求调整波形和电流大小。本发明针对平稳段感应电动势波动性大的问题，提出基于动态偏移补偿的处理方法，对临界点处干扰噪声进行分析，利用补偿线圈和软件补偿处理达到获取平稳段感应电动势的目的，同时又优化了流量信号提取算法，相比瞬态测量和现有稳态测量技术，具有良好的测量准确性和稳定性。

附图说明

图1为基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的整体框图；

图2为基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的临界点处的励磁电压变化图；

图3为基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的硬件补偿流程图；

图4为基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的软件动态补偿流程图；

图5为基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的硬件补偿结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统，包括FPGA微处理系统，FPGA微处理系统的输出端分别连接励磁线圈模块和励磁补偿线圈模块，励磁线圈模块连接励磁线圈，励磁补偿线圈模块连接励磁补偿线圈。FPGA微处理系统分别连接检波模块、人机接口模块、通讯模块、电源管理模块、干扰数据处理模块和软件动态补偿模块，检波模块的输入端连接信号接收电极的输出端，软件动态补偿模块的输入端连接干扰数据处理模块的输出端，干扰数据处理模块的输入端连接信号采集处理模块的输出端。

信号采集处理模块包括信号接收电极，信号接收电极的输出端连接差分式前置放大器输入端，差分式前置放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接次级放大器的输入端，次级放大器的输出端连接电平提升模块的输入端，电平提升模块的输出端连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端分别连接FPGA微处理系统和干扰数据处理模块的输入端。

当系统进入工作状态时，FPGA微处理系统控制励磁线圈模块产生可编程式矩形波励磁信号，控制实现励磁波形和电流大小动态调节，从而激发励磁线圈在测量管道内产生稳定磁场，导电流体在测量管道中做切割磁感线运动，产生感应电压信号，信号接收电极接收产生的电极间感应电动势并将流量信号传输给检波模块，检波确认后流量信号经信号采集处理模块进行放大滤波后送入干扰数据处理模块，干扰数据处理模块进行同步采样分析临界点处励磁电流和信号电压，并确定干扰补偿量，之后对电压进行补偿线圈和软件动态补偿处理两种方法补偿，并利用算法编程在特定平稳段完成信号采集，根据感应电动势计算瞬时和累积流量，最终送至上位机显示。

经过励磁补偿线圈模块、软件动态补偿模块处理，流量信号进行动态偏移补偿，继而送入FPGA微处理系统进行数据处理和运算。实现动态偏移补偿，利于提高电磁流量计测量精度。

励磁补偿线圈模块所使用的励磁频率与励磁线圈模块相同，根据系统反馈需求，可选择使用与励磁线圈模块相同的可编程式矩形波励磁信号实现硬件补偿。当系统判定干扰补偿值较小或较大时，可通过调节可编程式矩形波励磁信号形式和电流大小，实现快速补偿，消除与流速无关的干扰信号。

软件动态补偿模块利用FPGA实时监测励磁补偿线圈模块的动态补偿情况实现二次补偿，既可以用来消除与流速有关的干扰信号，也可以对硬件补偿实现偏移校正，提高测量精度。

根据电磁流量计电极间信号研究分析可知，电磁流量计干扰信号成分复杂，传感器电极两端产生的信号电压可以分为三类：

第一类是与电磁感应原理有关的流量信号、微分干扰、同相干扰。流量信号用来反映管道内的实际流速，是需要测量的有效信号；微分干扰信号是由电极与其引出导线构成的回路中磁通量的变化，由法拉第定律产生的阻碍磁场的变化的感应电动势信号；同相干扰是由于正交干扰产生的感应电压会耦合到激励线圈上，导致二次磁通的变化而产生的干扰信号。

第二类是与电化学作用有关的极化干扰、浆液干扰、流动噪声。极化干扰和各种电化学反应密切相关，又受到如温度、浓度等要素的影响，是一类缓慢变化的低频漂移信号；浆液干扰是测量浆液流量时，流体中的固体颗粒随着液体的流动，随机的附着在电极表面、或划破电极表面的氧化层，使得电极A、B上的极化电压发生突变。又由于两电极上极化电压的改变情况并不一致，输出信号中就叠加上了随机发生的尖峰状差模跳变信号；流动噪声是测量低电导率液体时，电极A、B上电荷数目存在的差异不可忽略而产生的噪声。

第三类是通过外部电路引入的工频干扰，可分为串模干扰、共模干扰两种。在电磁流量测量系统附近存在引起强烈的交变磁场的漏磁是造成串模干扰主要原因；共模干扰是实际接地点与理想接地点不同，导致两个信号电极上会叠加极性和幅值相同的干扰信号。

电磁流量计电极间信号由瞬态转换为稳态时，线圈中的励磁电流尚未进入稳态，励磁线圈产生的磁场也未进入稳态。当励磁波形从瞬态转化为稳态，在临界点产生感应电动势中干扰信号也达到了最大值。

如图2所示，电磁流量计电极间干扰成分大多是在瞬态时产生的，但是由于瞬态过程中励磁时间很短，而且励磁电流还未进入稳态时就已经停止励磁，此时的励磁电流尚处于动态上升过程中，励磁电流及其感应产生的磁场均未进入稳态。在临界点处干扰成分对感应电动势的影响也达到了最大化，因此以临界点处干扰作为电磁流量计的干扰补偿采样点。

在零流速时，感应电动势是流速无关的干扰值，在临界点处采集零流速感应电动势示数值作为干扰信号标准参考值。在非零流速下测量时，采集临界点处的感应电动势示数值作为干扰信号对比值，此时感应电动势中包含于流量相关的流量信号，以及与流量无关的干扰信号。与流量相关的流量信号由式(1)可知只与BvD有关，而B可通过特斯拉计测出，D为测量管道内径也是已知，v可以通过标准流速表测得。因此，非零流速下的BvD可以直接计算得出，利用感应电动势减去流量信号BvD，就是该流速下的干扰信号。

E＝BvD+dB/dt+d²B/dt²+e_c+e_d+e_z (1)

利用上述方法测量不同流速下的流量信号以及干扰信号。将不同流速下干扰信号与零流速下干扰信号标准参考值作对比，形成离线存储数据。在不同流速下直接调用，配合励磁补偿线圈模块以及软件动态补偿模块实现动态偏移补偿。

如图3所示，在每次流量测量时，干扰数据处理模块计算干扰补偿量，并将干扰补偿量反馈回FPGA微处理系统。当系统判定干扰补偿值较小时，FPGA微处理系统使用与励磁线圈模块同励磁频率的励磁信号调用励磁补偿线圈模块进行补偿；当系统判定干扰补偿值较大时，为保证迅速完成干扰补偿，需要调节可编程式矩形波励磁信号的波形和电流大小完成硬件补偿。

如图4所示，经过励磁补偿线圈模块补偿后，电磁流量计感应电动势已经较为接近实际流量信号，但是依然存在细微的干扰成分。利用软件动态补偿模块处理，对流量信号进行动态偏移补偿。

软件动态补偿模块将经过励磁补偿线圈模块补偿后的电磁流量计感应电动势与干扰数据处理模块计算的干扰补偿量进行进一步比对，利用FPGA实时监测励磁补偿线圈模块的动态补偿情况，实现进一步的动态偏移补偿，从而提高了测量精确度。

基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的测量方法为：

S1：零流速时，感应电动势是流速无关的干扰值，在临界点处通过信号采集处理模块采集零流速感应电动势示数值作为干扰信号标准参考值。

S2：流速测量时，信号采集处理模块采集临界点处感应电动势示数值作为干扰信号对比值，并做离线数据处理。

S3：将干扰信号标准参考值与对比值进行数据比对，确定具体补偿值，并送至软件动态补偿模块进行处理。

S4：当系统判定需要干扰补偿时，FPGA微处理系统向励磁补偿线圈提供励磁信号；当系统判定干扰补偿值较小时，可以直接使用与励磁线圈相同大小的可编程式矩形波励磁信号；当系统判定干扰补偿值较大时，为保证迅速完成干扰补偿，需要调节可编程式矩形波励磁信号的波形和电流大小完成硬件补偿；软件动态补偿模块利用FPGA实时监测励磁补偿线圈模块的动态补偿情况，实现二次补偿。既可以用来消除与流速有关的干扰信号，也可以对硬件补偿实现偏移校正，提高测量精度。

在S1、S2的感应电动势信号提取方面，具体步骤包括以下：

在平稳段后半段选定36组数据采集点，采用隔组采样法(数据采集点每隔一组数据点采集一次)；

对36组数据点采用隔组分配到两个存储单元中，并做算术平均化处理；

每一组算数平均值与该组数据点进行比对，保留相对误差最小的9组数据作为该存储单元最终存储值；

两个存储单元最终18组采样数据做平均化处理，作为最终输出值，提高了测量的可靠性度。

如图5所示，一种基于动态偏移补偿的电磁流量计的硬件补偿结构图，主要结构为：励磁线圈1置于测量管道2的竖直方向，四个补偿线圈3均匀分布在测量管道2的四周，信号接收电极4置于测量管道2的水平方向。

本发明采用动态偏移补偿的方式，综合硬件快速补偿和软件二次补偿的技术，在信号提取与处理方面，硬件系统选用具有程序并行执行优势的FPGA微处理系统，在每个时钟周期内完成更多的数据处理任务，同时通过流量信号提取算法，有益于提高电磁流量计的测量精度和可靠性，同时减少了平稳段时间，有利于降低功耗，提高使用寿命。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域人员能很好的理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种基于动态偏移补偿的电磁流量计系统，其特征在于：包括FPGA微处理系统，所述FPGA微处理系统的输出端分别连接励磁线圈模块和励磁补偿线圈模块，所述励磁线圈模块连接励磁线圈，所述励磁补偿线圈模块连接励磁补偿线圈，所述FPGA微处理系统分别连接检波模块、人机接口模块、通讯模块、电源管理模块、干扰数据处理模块和软件动态补偿模块，所述检波模块的输入端连接信号接收电极的输出端，所述软件动态补偿模块的输入端连接干扰数据处理模块的输出端，所述干扰数据处理模块的输入端连接信号采集处理模块的输出端；

所述信号采集处理模块包括信号接收电极，所述信号接收电极的输出端连接差分式前置放大器输入端，所述差分式前置放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端连接次级放大器的输入端，所述次级放大器的输出端连接电平提升模块的输入端，所述电平提升模块的输出端连接AD转换模块的输入端，所述AD转换模块的输出端分别连接FPGA微处理系统和干扰数据处理模块的输入端；

零流速时，感应电动势是流速无关的干扰值，在临界点处通过信号采集处理模块采集零流速感应电动势示数值作为干扰信号标准参考值；

流速测量时，信号采集处理模块采集临界点处感应电动势示数值作为干扰信号对比值，并做离线数据处理；

FPGA微处理系统将干扰信号标准参考值与对比值进行数据比对，确定具体补偿值，并送至软件动态补偿模块进行处理；

当系统判定需要干扰补偿时，FPGA微处理系统向励磁补偿线圈提供励磁信号；当系统判定干扰补偿值较小时，直接使用与励磁线圈相同大小的可编程式矩形波励磁信号；当系统判定干扰补偿值较大时，调节可编程式矩形波励磁信号的波形和电流大小完成硬件补偿；软件动态补偿模块利用FPGA实时监测励磁补偿线圈模块的动态补偿情况，实现二次补偿。

2.根据权利要求1所述的基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、零流速时，感应电动势是流速无关的干扰值，在临界点处通过信号采集处理模块采集零流速感应电动势示数值作为干扰信号标准参考值；

S2、流速测量时，信号采集处理模块采集临界点处感应电动势示数值作为干扰信号对比值，并做离线数据处理；

S3、FPGA微处理系统将干扰信号标准参考值与对比值进行数据比对，确定具体补偿值，并送至软件动态补偿模块进行处理；

S4、当系统判定需要干扰补偿时，FPGA微处理系统向励磁补偿线圈提供励磁信号；当系统判定干扰补偿值较小时，直接使用与励磁线圈相同大小的可编程式矩形波励磁信号；当系统判定干扰补偿值较大时，调节可编程式矩形波励磁信号的波形和电流大小完成硬件补偿；软件动态补偿模块利用FPGA实时监测励磁补偿线圈模块的动态补偿情况，实现二次补偿。

3.根据权利要求2所述的基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S1、S2中的采集感应电动势信号，具体包括以下步骤：

在平稳段后半段选定36组数据采集点，采用隔组采样法，数据采集点每隔一组数据点采集一次；对36组数据点采用隔组分配到两个存储单元中，并做算术平均化处理；每一组算数平均值与该组数据点进行比对，保留相对误差最小的9组数据作为该存储单元最终存储值；两个存储单元最终18组采样数据做平均化处理，作为最终输出值。

4.根据权利要求2所述的基于动态偏移补偿的电磁流量计系统的测量方法，其特征在于，所述硬件补偿结构为将励磁线圈置于测量管道的竖直方向，四个补偿线圈均匀分布在测量管道的四周，信号接收电极置于测量管道的水平方向。

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