CN201251467Y

CN201251467Y - 涡流传感器的抗干扰装置

Info

Publication number: CN201251467Y
Application number: CNU2008200600405U
Authority: CN
Inventors: 方志宏; 朱克强; 俞晓光; 夏勇
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2018-06-20

Abstract

一种涡流传感器的抗干扰装置，是一种差分补偿式的抗干扰装置，并能解决主动引入的干扰补偿信号与传感器实际信号不匹配的问题，该抗干扰装置是串联于传统的涡流传感器的前置放大器的传感器信号输出端与中央计算单元的传感器信号输入端之间，包括：信号输入单元；干扰消除及效果测试单元；输出单元以及控制单元。本实用新型由于是先通过相似环境的温度补偿线路主动引入干扰信号，并调节引入干扰信号的相位和幅值，使之与涡流传感器信号线路上的干扰信号的幅值与相位保持基本一致，从而确保差分方法能够将干扰信号基本消除掉，同时又保证了有用信号的幅值、相位不变，传感器的输出信号稳定，解决了工业现场的使用要求。

Description

涡流传感器的抗干扰装置

技术领域

本实用新型涉及一种自动化仪表，尤其是指一种涡流传感器的抗干扰装置。

背景技术

在复杂系统环境下的工业生产中，存在着各种干扰问题，特别是重工业生产中，在同一环境中功率相对较大的电器设备与精确的电子检测仪器并存，使干扰问题尤其突出。在冶金行业的生产中，使用了各种大功率电热设备、电动设备，造成同一环境中应用电子检测的精确传感器被严重干扰，使其无法正常使用，影响了控制、工艺，也影响到产品质量和生产安全顺行。例如，冶金行业的连铸机的液面控制回路，有的采用了捷克VUHZ公司生产的电子涡流液面传感器检测钢水液位，而用于中间包钢水加热的等离子电子设备功率高达2兆瓦，且它们相距又非常近，所以对钢水液面的测量产生的干扰很大，液面检测的波动非常大，造成生产无法自动浇铸，只能改成手动控制操作。

上述VUHZ的液面传感器的结构如图1所示，它包括传感器探头组件1(以下简称组件1)、前置放大器2和中央计算单元3。组件1和前置放大器2安装在现场，中央计算单元3安装在控制室。该传感器探头组件1不是普通的单一传感器，其内包括(见图2)驱动线圈L1，检测线圈L2和参考线圈L3，另外还有1个高温报警用热敏电阻温度传感器R。首先中央计算单元3给出一个813Hz/10Vrms的交流驱动信号，经过前置放大单元2，带动组件1的驱动线圈，组件1中的检测线圈检测到钢水位置的变化，产生一个很小的813Hz电压信号，由前置放大器2转换成电流信号向计算单元3进行远距离传输。计算单元3根据信号的幅值和相位进行计算，得到液位信号，通过4-20mA信号送DCS控制系统4进行回路控制。

在使用等离子装置进行中间包钢水加热时，等离子电弧会向空中散发电磁辐射、通过中间包的交变电流会使周围的导体上产生感应电压、泄漏进钢水的电流也会对周围的传感器产生感应，使涡流液位传感器上产生比较大的干扰。经过测试，等离子干扰信号经过变换传输后在计算单元的入口处的幅值大约为最大1Vpp，频率从50Hz到2.5KHz。干扰的频率覆盖了工作信号的频率。又经过测试，VUHZ涡流液面传感器的信号敏感范围从795Hz到835Hz，该频带以外的干扰对结果没有影响，频带内的干扰有影响，特别是813Hz工作频率附近的干扰影响最大。

通常消除干扰的方法是对信号进行滤波，将工作频率以外的干扰信号过滤掉。由于干扰的频率覆盖了工作频率，所以滤波的方法有一定的局限性，最理想的滤波器也难以完全消除干扰。采用时域处理技术，如果能够检测到干扰信号，并且用差分的方法，就可能将该干扰完全过滤掉。但是从旁路主动引入的干扰信号与叠加在传感器上的干扰信号，在幅值与相位上，不一定完全匹配，所以用检测到的干扰信号直接与传感器信号相减未必能完全消除干扰。

为了解决上述诸多问题，目前业内也有众多公开的技术方案：

1，“消除高速板串扰的差分线组合方式”(中国专利CN200310112096.2)，介绍了一种通过差分排线进行抗干扰的方法，该方法只能依靠干扰本身的对称性进行抗干扰，不能对干扰补偿信号进行精确匹配与调整，所以抗干扰效果不可能非常彻底。

2，“消除窄带干扰信号的方法”(中国专利CN200480017773.5)，提供了一种在接收机中消除窄带干扰信号的方法。它计算出频率的偏移，消除窄带干扰信号。该方法只能消除与工作频率不同的干扰信号，对于同频的干扰信号无法消除。

3，“抗噪声低频精密相位差计”，(中国专利CN200420054779.7)公开了一种抗噪声低频精密相位差计，它可以减小两路输入信号中的噪声在相位比较器中互相调制后产生的测量误差，但是它既不对干扰补偿信号进行校正，更不能消除与工作频率相同的干扰信号。

上述公开的技术方案中，由于各有其缺陷，不能真正解决上述涡流传感器测量钢水液位时所存在的干扰问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术中用涡流传感器测量钢水液位时所存在的干扰问题，提供一种主动补偿的抗干扰装置，同时，利用同一个传感器探头组件中，等离子干扰源对涡流线圈传感器和温度报警传感器的干扰特性相似的特点，提取温度报警传感器R上叠加的干扰主动消除涡流线圈传感器L3上的干扰，本实用新型提供的主动补偿的抗干扰装置能够解决主动引入的干扰补偿信号与传感器实际信号不匹配的问题，并能有效地抑制干扰的涡流传感器的抗干扰装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种涡流传感器的抗干扰装置，所述的涡流传感器由传感器探头组件(1)的信号输出端(11)与前置放大器(2)的传感器信号输入端(21)串联以及中央计算单元(3)的驱动信号输出端(32)与前置放大器(2)的驱动信号输入、出端(25、22)与传感器探头组件(1)的驱动信号输入端(12)串联组成，

所述抗干扰装置(100)是串联于所述前置放大器(2)的传感器信号输出端(23、24)与中央计算单元(3)的传感器信号输入端(31)之间，

包括：

信号输入单元(5)，其输入端连接于前置放大器(2)输出端；

干扰消除及效果测试单元(6)，其输入端连接于信号输入单元(5)的输出端；

输出单元(8)，其输入端与干扰消除及效果测试单元(6)输出端相连接，输出单元(8)的输出端接至计算单元(3)的输入端；

控制单元(7)，其输入端接收用户设定，其输出连接到干扰消除及效果测试单元(6)。

所述的信号输入单元(5)进一步包括：

传感器信号输入模块(51)，其输入端与前置放大器(2)的传感器信号输出端(24)连接；

干扰补偿信号输入模块(52)，其输入端与前置放大器(2)的辅助温度检测信号输出端(23)连接。

所述的干扰消除及效果测试单元(6)进一步包括：

干扰消除模块(61)，其输入端分别连接所述传感器信号输入模块(51)的输出端和干扰信号输入模块(52)的输出端，

效果测试模块(62)，其输入端连接干扰消除模块(61)的输出端和控制单元(7)的输入端。

所述传感器信号输入模块(51)还包括：

将所述传感器信号从电流信号转换成电压信号的传感器信号匹配电路(511)；

将转换成电压信号的传感器信号中的大幅值低频信号进行滤波，使传感器信号幅值处在工作范围内的预滤波电路(512)；

对经滤波的传感器信号进行放大的第1放大调整电路(513)；

修正传感器信号在处理过程中的相位变化的第1相位0～180°调整电路(514)。

干扰补偿信号输入模块(52)还包括：

对所述干扰补偿信号进行预滤波的干扰补偿信号提取及预滤波电路(521)；

对滤波后的干扰补偿信号进行放大，使干扰补偿信号与叠加在传感器工作信号上的干扰信号幅值相同的第2放大调整电路(522)；

使干扰补偿信号与叠加在传感器工作信号上的干扰信号的相位相同的第2相位0～180°调整电路(523)。

所述效果测试模块(62)还包括频率合成电路(621)、乘法器下变频电路(622)、低通滤波A电路(623)、差分消干扰电路(611)，频率合成电路(621)的输出端连接乘法器下变频电路(622)的输入端，乘法器下变频电路(622)的输入端连接所述差分消干扰电路(611)的输出端，乘法器下变频电路(622)的输出端连接一低通滤波A电路(623)。

所述输出单元(8)还包括输出滤波电路(81)和输出驱动电路(82)，输出滤波电路(81)的输出连接于输出驱动电路(82)，输出驱动电路(82)的输出接到中央计算单元(3)。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的的主动差分补偿式抗干扰装置，由于是先通过相似环境的温度补偿线路主动引入干扰信号，并调节引入干扰信号的相位和幅值，使之与涡流传感器信号线路上的干扰信号的幅值与相位保持基本一致，从而确保差分方法能够将干扰信号基本消除掉，从而将滤波器不能过滤掉的干扰信号使用差分的方法消除掉，同时又保证了有用信号的幅值、相位不变，将干扰信号大幅度地过滤掉，使传感器的输出信号稳定，解决了工业现场的使用要求。

该主动差分补偿式抗干扰装置，可对各种滤波器消除不彻底的的干扰信号进行有益的补充与完善。可以用于涡流传感器，也可以用于其他的干扰及传输过程比较稳定的抗干扰场合，特别是对工业现场的测量、控制等回路引入系统的干扰进行解决的一种特殊的有效方法。

为进一步说明本实用新型的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1为现有的涡流传感器的电原理框图；

图2为现有的涡流传感器探头组件内部结构示意图；

图3为本实用新型的涡流传感器的抗干扰装置的电原理框图之一；

图4为本实用新型的涡流传感器的抗干扰装置的电原理框图之二；

图5A是本实用新型的信号输入单元的电路原理示意图；

图5B是本实用新型的干扰消除及效果测试单元的电路原理示意图；；

图5C是本实用新型的控制单元的电路原理示意图；

图5D是本实用新型的输出单元的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的涡流传感器的抗干扰装置的具体实施方式进行详细说明。

本实用新型的抗干扰装置是放置在如图1所示的涡流传感器的前置放大器2与中央计算单元3之间，利用同一源头的干扰信号在相近线路传输过程时的相似性，将涡流传感器的传感器探头组件1中的温度报警传感器R上的干扰，主动引入到抗干扰装置中，用数字直接合成器(DDS)对工作频率周围进行扫频监视的控制下，主动调节引入干扰信号的相位和幅值，使之与叠加在涡流传感器上的另一干扰信号的幅值与相位保持一致，从而确保差分方法能够将干扰信号基本消除掉。

如3图所示，本实用新型中的涡流传感器由涡流传感器探头组件1(以下简称“组件1”)的信号输出端11与前置放大器2的传感器信号输入端21串联以及中央计算单元3的驱动信号输出端32与前置放大器2的驱动信号输入、出端25、22与组件1的驱动信号输入端12串联组成。

本实用新型中的抗干扰装置100是设置于上述前置放大器2的传感器信号输出端24与中央计算单元3的传感器信号输入端31之间，另外，传感器探头组件1中温度报警传感器R作为一个辅助温度检测信号输出端23与抗干扰装置100连接，将叠加在组件1的辅助温度检测信号的干扰作为抗干扰装置100的干扰补偿信号。

本实用新型采用差分技术对干扰信号进行补偿消除，同时保证有用的传感器信号不变。该抗干扰装置100按功能分为信号输入单元5、干扰消除及效果测试单元6、控制单元7、输出单元8共四个单元。下面对该四个单元的结构及其功能进行详细说明。

信号输入单元5：

信号输入单元5包括传感器信号输入模块51和干扰信号输入模块52。

其中的传感器信号输入模块51的输入端与上述前置放大器2的传感器信号输出端24连接，接收经前置放大器2放大的传感器信号(其中包括传感器工作信号以及叠加在传感器工作信号上的干扰信号)并进行调整(将前置放大器2的传感器信号从电流信号转换成电压信号以及对该电压信号进行滤波、放大、修正相位)。传感器信号输入模块51由以下电路串联组成：将对来自前置放大器2的传感器信号(其中包括传感器工作信号以及叠加在传感器工作信号上的干扰信号)从电流信号转换成电压信号的传感器信号匹配电路511；将转换成电压信号的传感器信号中的大幅值低频信号进行滤波，使传感器信号幅值处在工作范围内的预滤波电路512；对滤波的传感器信号进行放大，以改善处理过程中的信噪比的第1放大调整电路513；修正传感器信号在处理过程中的相位变化的第1相位0～180°调整电路514。

其中的干扰补偿信号输入模块52的输入端与上述前置放大器2的辅助温度检测信号输出端23连接，接收经前置放大器2放大的组件1的辅助温度检测信号，提取叠加在其中的干扰信号，作为抗干扰装置100的干扰补偿信号并对其进行调整(滤波、放大、修正相位)。干扰补偿信号输入模块52由以下电路串联组成：对引自前置放大器2的干扰补偿信号进行预滤波的干扰补偿信号提取及预滤波电路521；对滤波的干扰补偿信号进行放大，使干扰补偿信号与传感器信号输入模块51中的叠加在传感器工作信号上的干扰信号幅值相同的第2放大调整电路522；修正干扰补偿信号在处理过程中的相位变化，使干扰补偿信号与叠加在工作信号传感器上的干扰信号的相位相同的第2相位0～180°调整电路523。

参见图5A所示的信号输入单元5的电路实施例。

上述传感器信号匹配电路511由匹配电阻R90和接插件J2组成，前置放大器2的传感器信号由接插件J2进入该电路，通过匹配电阻R90将传感器信号从电流信号转变成为电压信号。

上述预滤波电路512由电阻R4、R34、R35、R36、R37、R38和电容C1、C53、C54、C55、C58、C59、C60、C61组成，该电路对转换成电压信号的传感器信号进行预滤波，将离工作频率比较远的干扰信号预先过滤掉，特别是将幅值比较大的低频信号和高频冲击信号过滤掉。

上述第1放大调整电路513由仪表放大器U4、电阻R41和电位器P2组成。它可以将弱信号放大到接近10V，从而使信号在进行后续处理时保证良好的信噪比。

上述第1相位0～180°调整电路514由电位器P5，电阻R1、R2、R14，电容C40，运算放大器U10B组成。相位调整电路中的R1、R2和U10B对信号进行反相，电容C40和电位器P5进行相位选择。为了提高效果，该电路后面还有一个跟随放大器U10A。

上述干扰补偿信号提取及预滤波电路521由电阻R17、R18、R24、R26、R28、R30，电容C17、C19、C20、C21、C22、C26、C28、C48组成。R17、R18、C17、C19、C20、C21组成高通滤波器，R24、R26、R28、R30、C22、C26、C28、C48组成低通滤波器。它完成了干扰补偿信号的滤波功能。

上述第2放大调整电路522由仪表放大器U12、电阻R16和电位器P1组成。它与第1放大调整电路514的信号放大电路匹配，使干扰补偿信号与叠加在传感器信号上的干扰信号放大到同样的水平。

第2相位0～180°调整电路523由电位器P7，电阻R5、R6、R15，电容C41，运算放大器U11D组成，其中的R5、R6和U11D对信号进行反相，电容C41和电位器P7进行相位选择。为了提高效果，该电路后面还有一个跟随放大器U11A。

干扰消除及效果测试单元6：

干扰消除及效果测试单元6包括干扰消除模块61及效果测试模块62。

其中的干扰消除模块61的输入端分别连接所述传感器信号输入模块51的输出端(Sig)和干扰信号输入模块52的输出端(Noise)，用补偿干扰信号对叠加在传感器工作信号上的干扰信号进行差分消除。所述干扰消除模块61采用差分消干扰电路611。

其中的效果测试单元62的输入端连接干扰消除模块61的输出端，对抗干扰效果进行测试，通过人工观察干扰消除的效果，辅助调整参数，确保补偿信号与被消除的干扰信号在工作频率附近的各个频率点完全相同，从而保证能够将干扰信号消除干净。所述效果测试单元62由下列电路组成：频率合成电路(DDS)621产生一个检测频率，该频率在传感器信号的工作频率周围可调，进行扫频；频率合成电路621的输出端连接一乘法器下变频电路622的输入端，乘法器下变频电路622的另一输入端连接所述差分消干扰电路611的输出端，该乘法器下变频电路622利用频率合成电路621输出的频率对差分消干扰电路611差分抗干扰后的信号进行下变频处理；乘法器下变频电路622的输出端连接一低通滤波A电路623，对下变频处理的信号进行低通滤波，就可以得到检测频率处窄带的差分效果信号，并供用户测试。如果差分效果良好，该信号就是零电平信号，如果不好，该信号就会发生波动。在调整干扰补偿信号幅值与相位的同时，监视该信号，就可以达到最佳的补偿效果。

参见图5B所示的干扰消除及效果测试单元6的电路实施例。

上述差分消干扰电路611由电位器P4、电阻R8、R9、R10、R23、R69，运算放大器U6A组成。这是一个标准的差分电路，对2个信号(传感器信号输入模块51的输出Sig、输入模块52的输出Noise)进行相减，电位器P4用于调整零点。

上述频率合成电路621由电阻R11、R3、R7、电容C3、C4、C11、C13和DDS(数字直接合成器)芯片U3、运算放大器U11C、数字门U13组成。U13起到时钟驱动作用，U3和滤波电容C4、C11、C13构成直接数字频率合成电路，它可以在单片机控制下产生所需要的频率。电阻R3、R7、R11、电容C3和运算放大器U11C可以进行隔直放大，产生扫描频率(RefClk)。

上述乘法器下变频电路622由乘法器U19、电阻R25、电容C36、C51组成。乘法器U19将差分之后的信号与扫描频率(RefClk)相乘，实现下变频。电容R25和C36，对混频后的高频信号进行预滤波。

上述低通滤波A电路623由5阶可编程滤波器芯片U14、电阻R12、R13，电容C27、C31组成。来自控制单元的控制信号(FilterClock)对低通滤波A电路623的截止频率进行设定。电阻R12、R13和电容C27、C31为U14的附属电路。

输出单元8：

输出单元8的输入端连接所述干扰消除及效果测试单元6的干扰消除模块61的输出端，对干扰消除后的传感器工作信号进行滤波并将传感器工作信号从电压信号变化成为电流信号，向中央计算单元3提供工作信号，该中央计算单元3的输出信号送入生产现场的DCS控制系统4。

输出单元8由下列电路串联组成：对干扰消除模块61的输出信号进行滤波，把不必要的干扰信号过滤掉的输出滤波电路81；将滤波电路81输出的传感器工作信号从电压信号变化成为电流信号，并向中央计算单元3提供工作信号的输出驱动电路82。

参见图5D所示的输出单元8的电路实施例。

输出滤波电路81及输出驱动电路82由电阻R19、R21、R22、R47、R61、R63、R74、电容C6、C10、三极管T2、T4、瞬变抑制二极管TVS2和运算放大器U6B组成。它可以把传感器的电压信号转为大功率的电流信号，C6、C10起滤波作用，TVS2起到限压保护作用。

控制单元7：

控制单元7由单片机控制器电路71和存储器电路72串联组成。

单片机控制器电路71通过串行接口得到用户设定的指令，设定频率合成电路621的输出频率和低通滤波A电路623的截止频率，存储器电路72为Flash存储器，记录用户的设定数值，待装置上电启动时，记录该数据。

参见图5C所示的控制单元7的电路实施例。

上述存储器电路72由存储器芯片U8构成，一般为串行接口的Flash。用于存储用户设定的滤波器截止频率。

上述单片机控制电路71由电阻R20、R27、R29，电容C8、C9、C24、晶振X1、单片机U1、接口电路U2组成。单片机U1为核心芯片，R20和C7构成复位电路，电容C8、C9和晶振X1提供了时钟信号，接口芯片U2为RS485接口芯片，也可以为RS232接口芯片。单片机U1通过接口芯片U2获得用户设定的低通滤波A电路623的截止频率，并且存放在存储器电路72中。并且对频率合成电路621中的DDS滤波器芯片U14进行控制，使它们工作在设定的截止频率处。

除了上述电路外，本专利申请的装置中还包括相应的电源电路、旁路电容等必须的常规附属元件，在此不作描述。

如前所述，传统的差分抗干扰，只能将引入的干扰补偿信号与传感器工作信号简单相减，由于叠加在传感器工作信号上的干扰信号与补偿信号不一定完全匹配，所以，抗干扰效果不一定好。本方案利用同一源头的干扰信号在相近线路传输时的相似性，用幅值和相位调整电路对干扰补偿信号进行调整，使之与叠加在传感器工作信号上的干扰信号相同，再经差分抗干扰，干扰信号可以完全被消除。

使用时，首先调节传感器信号处理电路的放大与相位调整电路，使传感器信号的检测结果与实际数值完全一致，使系统基本参数正确。再调节DDS频率合成单元，使监视频率设定在工作频率比较近的位置上，使监视过程既能够反映干扰调整时的状态，同时也不被工作频率干扰。然后调节干扰补偿信号处理电路的放大与相位调整电路，使被监视频率的补偿后的信号为零，也就是该频率处干扰补偿信号与叠加在传感器工作信号上的干扰信号特性完全一致。最后通过扫频方式对全频段进行确认，使工作频率外全部被监视频率的补偿后的信号为零，也就可以保证干扰补偿信号与叠加在传感器工作信号上的干扰信号特性完全一致。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的目的，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims

1、一种涡流传感器的抗干扰装置，所述的涡流传感器由传感器探头组件(1)的信号输出端(11)与前置放大器(2)的传感器信号输入端(21)串联以及中央计算单元(3)的驱动信号输出端(32)与前置放大器(2)的驱动信号输入、出端(25、22)与传感器探头组件(1)的驱动信号输入端(12)串联组成，

其特征在于，

还包括一抗干扰装置(100)，抗干扰装置(100)串联于所述前置放大器(2)的传感器信号输出端(23、24)与中央计算单元(3)的传感器信号输入端(31)之间，

抗干扰装置(100)包括：

信号输入单元(5)，其输入端连接于前置放大器(2)输出端；

2、如权利要求1所述的涡流传感器的抗干扰装置，其特征在于，

所述的信号输入单元(5)进一步包括：

3、如权利要求1所述的涡流传感器的抗干扰装置，其特征在于，

所述的干扰消除及效果测试单元(6)进一步包括：

4、如权利要求2所述的涡流传感器的抗干扰装置，其特征在于，

所述传感器信号输入模块(51)还包括：

对经滤波的传感器信号进行放大的第1放大调整电路(513)；

5、如权利要求2所述的涡流传感器的抗干扰装置，其特征在于，

干扰补偿信号输入模块(52)还包括：

6、如权利要求3所述的涡流传感器的抗干扰装置，其特征在于，

7、如权利要求1所述的涡流传感器的抗干扰装置，其特征在于，