低频矩形波电磁流量计信号处理电路的设计

摘 要：针对电磁流量计测量过程中各种干扰对系统测量精确度和稳定性的影响，提出了一种新的信号处理方法。首先分析了几种干扰产生的机理和特征，然后设计了电磁流量计励磁电路，信号采集电路，电平提升电路和精密全波整流电路。并结合模拟开关技术给出了信号波形的处理方法。实验证明，这种方法能够有效地抑制干扰，提高系统稳定性和测量精确度。

关键字：电磁流量计 模拟开关 干扰 测量精确度

 

0 引言

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种仪表。由于其内部无可动部件、测量值具有与液体流速成线性、测量范围宽、精确度高等优点，一直以来就受到人们的重视。目前已在石油、化工、冶金、医药、环保等方面得到广泛应用。但是国内生产的电磁流量计测量精确度不高，与国际水平有很大差距，所以成为制约我国智能仪表发展的瓶颈。电磁流量计按照激励划分已经经历了直流电磁流量计，交流电磁流量计，低频矩形波电磁流量计和双频电磁流量计四个阶段。但是目前市场上以低频矩形波电磁流量计居多，本文设计的电磁流量计也是一种低频二值矩形波激励的电磁流量计。

1 电磁流量计测量原理和干扰源分析

1.1 电磁流量计的测量原理

电磁流量计的原理是基于法拉第电磁感应定律。图1为电磁流量计的测量原理图。

当导电流体在磁场中作切割磁感应线运动时，流体中的带电粒子受洛伦兹力的作用，在与流速和磁场两者相垂直的方向产生与流速成正比的感应电动势，该感应电动势由电磁流量计管壁上的一对电极检测到，其值为

E=B·D·V （1）

式中：E为感应电动势（V）；B为磁场强度（T）；D为测量管道的直径（m）；V为流体的速度（m/s）。

由式（1）可知，当磁场强度恒定时，感应电动势与流体的流速成线性关系，与流体的压力、温度、密度、粘度等物理参数无关。

 

图1 电磁流量计原理图

1.2 干扰源的分析

对于采用低频矩形波激励的电磁流量计，虽然它不会像直流励磁方式那样，产生很大的极化现象，也不会像交流励磁方式，产生很强的正交干扰，但是在实际测量过程中，电极上所得到的电压不仅仅是与流速成正比的感应电动势，也包括各种干扰成分在内。其中包括工频干扰、微分干扰、共模干扰、串模干扰和电化学干扰等。可以建立以下的信号模型来表示电磁流量计电极上实际得到的电压信号。

 （2）

式中：BVD称为流速信号，是电磁流量计需要得到的真实测量值。

是微分干扰，由于矩形波激励也存在上升沿和下降沿，在上升沿和下降沿必然会引入微分干扰，而且沿越陡微分干扰越大，但是这个微分干扰会随着磁场的稳定，很快消失。

同相干扰，同相干扰是微分干扰的再次微分得到的，微分干扰越大，同相干扰也就越大，尽量降低正交干扰，同相干扰也会降低，而且同相干扰也是零点漂移的根源之一。

e_c共模干扰，是由于电磁屏蔽缺陷，接地不良，杂散电容等，引起返回电流不平衡而产生的，它是造成电磁流量计零点漂移的重要原因之一。

e_d串模干扰，串模干扰的来源是电磁干扰和静电干扰。电磁干扰主要是因为在流量计附近有功率磁场设备存在，由于设备漏磁，周围产生较强的交变磁场，就会在回路中感应出电动势，形成串模干扰。

e_z电化学干扰，由于电极感应电动势在两极极性不同，而导致电解质在电极表面出现极化现象，虽然采用矩形波励磁能显著减弱极化电势，但是不能从根本上完全消除极化电势干扰。

工频干扰，首先是工作现场存在有大量的工频信号；另外还有励磁绕组和流体、电极、放大器输入回路的电磁耦合产生的工频干扰。

在以上各种干扰中，串模干扰可以通过使用双绞线、静电屏蔽和良好的接地，使其得到很好的抑制。电化学干扰是比较微弱的，可以忽略不计。微分干扰和同相干扰是电磁流量计的主要干扰，但是共模干扰和工频干扰也不可忽略。这些干扰往往会影响测量精确度，甚至使测量无法进行，所以有效的消除这几种干扰是提高测量精确度的关键。

2 系统硬件电路设计

本文设计的电磁流量计采用低频矩形波作为励磁信号，控制信号由单片机产生，其频率f=6.25Hz。硬件电路主要包括四部分：励磁电路、信号采集电路、电平提升电路和精密全波整流电路。

2.1 励磁电路

励磁电路主要功能是为电磁铁提供一定频率、一定压降的脉宽电压。本文励磁电路的频率为1/8工频，即f=6.25Hz，驱动电压幅值Vs=12V。励磁电路如图2所示。

励磁电路主要由L298N和HD74HC04P两款芯片组成，图2是两款芯片的内部简化原理图。L298N是SGS公司生产的一款内部具有两个H桥的高电压大电流的双全桥式驱动器。能够驱动46V，2A以下的感性负载，工作温度从－25℃～130℃。L298N的引脚4是电感器件电源正端，引脚1和引脚15是电感器件电源负端，因此引脚4与引脚1和引脚15可形成闭合回路；引脚9是逻辑控制电源的正端，引脚8是逻辑控制电源的负端；引脚6－EnA和引脚11－EnB分别是第一H桥和第二H桥使能引脚；引脚5－IN1和引脚7－IN2是第一个H桥电路的控制引脚，它们的不同状态值来决定H桥引脚2－OUT1和引脚3－OUT2的电压输出方向。第一H桥输入引脚状态与输出引脚状态真值关系如表1所示。

 

图2 励磁电路

表1 输入引脚状态与输出引脚状态真值表

 

注：H代表高电平，L代表低电平。

HD74HCO4P是一款逻辑非门芯片，具有6路非门。利用一款HD74HCO4P芯片就可以满足两个H桥的控制输入引脚的不同状态要求。当从Vi端口输入低频矩形波信号时，就会使两个电磁铁同时产生交替互补的低频交变磁场。

2.2 信号采集电路

由于传感器传回的信号非常微弱，一般在几十μV到1mV左右，且内阻较大，只有选用输入阻抗非常高的仪用放大器，才能有效的抑制干扰并将有用的信号放大。信号采集电路如图3所示。

 

图3 信号采集电路

该电路由前置放大电路、滤波电路和二级放大电路三部分组成，灰色部分代表模拟开关CD4052BE。滤波电路利用运放LM358N芯片实现。其中滤波电路的前半部分是一个二阶低通滤波器，它的截止频率是20Hz左右，后半部分是一个二阶高通滤波器，它的截止频率是1Hz左右，它们共同组成一个带通滤波器，对电路中混入的低频干扰和高频干扰（包括工频干扰在内）有很好的抑制作用。

前置放大电路和二级放大电路利用两个仪用放大器AD620AN芯片实现。AD620AN芯片是一款精确度高、低噪声、高输入阻抗、使用简单的仪用放大器，它的最大增益为1000。增益值计算公式如下：

 （3）

在式（3）中，R_G是AD620AN的增益电阻，可通过调节R_G来调节AD620AN放大增益。在一级放大电路和二级放大电路中，电阻R₁₁和R₂₁分别是AD620的增益电阻R_G。

为了消除微分干扰，在前置放大电路和滤波电路之间加入了模拟开关CD4052BE，模拟开关用单片机进行控制。当微分干扰产生的尖刺到来时，关闭模拟开关，避免尖刺进入后面的电路，由于后面滤波电路中的电容对之前的信号具有保持作用，就算切断信号，也不会对后面的电路造成影响。当尖刺过去后，再接通模拟开关，继续对后续的信号进行滤波和放大。

2.3 电平提升电路

电路中由于同相干扰和共模干扰的存在，使输出的波形向下或者向上漂移，相对于零线上下不对称。可以引入电平提升电路对其进行补偿，使其关于零线对称，电平提升电路如图4所示。

 

图4 电平提升电路

2.4 精密全波整流电路

由于电磁流量计采用的是低频矩形波励磁方式，所以流量传感器传回的也是低频正负交替电压信号，而单片机PIC16F877A模拟量接口的电压范围是0V～5V，因此负电压模拟信号不能被单片机模拟量接口识别，而导致对电磁流量计电压信号采集失真，极大的影响了单片机对流量计电压信号的A/D转换结果。精密全波整流电路的功能是将输入电压取绝对值并以正电压的形式输出，这样信号采集电路输出的电压经过精密全波整流电路后，就能满足PIC16F877A模拟量接口的电压范围，可以直接输入给PIC16F877A的A/D接口。

精密全波整流电路由两个运算放大器LM358N和七个精密电阻组成。当输入端电压Vi为正时，A1的1端输出电压为负，此时，D2截止，D1导通，A1回路为反相放大器，经D1输出－Vi给A2。此时A2为一加法电路，R5和R7组成的电路部分比例系数为－2，于是－Vi经过该部分后变成了2Vi；由R4和R7组成的电路部分比例系数为－1，于是Vi经过该部分后变成了－Vi，将两部分相加得到A2的输出为Vi。当输入端电压Vi为负时，此时，D1截止，D2导通，关闭了A1的反馈回路，A2的R4和R7组成的电路部分组成反相放大器，得到的输出信号为－Vi，即

 （4）

精密全波整流电路如图5所示。Vi是输入信号，Vx为A2的输出信号，为了使输出信号平滑稳定，后面加了一个由R8和C1组成的滤波电路，Vo为最终的输出信号。

 

图5 精密全波整流电路

3 系统软件设计

3.1 励磁控制信号的产生

本文的励磁控制信号由单片机发出，单片机使用定时器0进行计数延迟，每间隔80ms，单片机在中断程序中使普通I/O口的高低电平发生一次跳变，于是该端口便模拟出一个频率为f=6.25Hz，即周期T=160ms的矩形波信号。

3.2 微分干扰的消除

微分干扰，也就是常说的“毛刺”，它一般出现先在高电平向低电平跳变和低电平向高电平跳变两处，它是实际测量信号中的错误部分。由前置放大电路输出的波形可知，毛刺持续的时间为10ms左右，幅值为300mV，几乎是有用信号幅值的3倍。为了消除毛刺，除了硬件方面选用模拟开关外，软件方面也要在适当的时间对模拟开关的关闭和导通进行严格的控制，既要能有效避开毛刺，又不会使有用信号失真。由于励磁电路的控制信号是由单片机产生的，所以模拟开关的控制信号也可以由同一块单片机产生，并且实现与励磁信号的同步控制。在每次励磁信号跳变的时刻，启动定时器1，当定时器1延迟75ms时（也就是毛刺即将到来的时刻） 进入中断程序，用普通I/O口发出控制信号，使模拟开关断开，模拟开关断开的时间为10ms，避开毛刺后，单片机再发出控制信号让模拟开关闭合。

3.3 A/D转换

A/D转换使用PIC16F877A自带的A/D转换器。它采用逐次逼近法，可以将模拟量转换成10位数字量表示的值。对于5V的系统，10位A/D能够分辨的最小电压值为4.88mV，完全可以满足本系统的要求。

3.4 数字滤波技术

数字滤波技术是智能仪表中最常采用的技术。该方法是在单片机的RAM中建立一个缓冲区，依次存放N次采样的数据，（可以把这一组数看成一个队列，队列的长度为N），每次新采集到的数据存放在队尾，并将最早采集的数据剔除，然后取平均值。这样每采集一次数据就进行一次求平均值计算，既提高了计算精确度，又大大加快了单片机的数据处理能力。

4 实验结果

本文采用的是二值励磁方式，所以产生的感应电动势也是一个方波信号。由于传感器传回的感应电动势是非常微弱的，仅有几十μV左右，一般示波器很难直接检测到。经过前置放大电路AD620AN放大后的信号如图6所示。

 

6 经过一级放大后的信号波形

由图6可知，仅经过前置放大电路的波形，微分干扰非常大，几乎是有用信号的三倍多。经过本文设计的采集电路后的最终波形如图7所示。

 

7 经过信号采集电路的波形

从图7可以看出，经采集电路后，之前由于微分干扰产生的毛刺已经消除。能够消除毛刺的主要原因就是因为电路中采用了模拟开关CD4052BE。如果采集电路中不加模拟开关，则在同样的条件下得到的波形如图8所示。对比两幅图可以看出，加和不加模拟开关的差别是非常大的，所以模拟开关对于消除微分干扰，效果是非常明显的。

 

8 采集电路中不加模拟开关的波形图

为了消除同相干扰和共模干扰引起的零点漂移。硬件电路中，引入了电平提升电路，它可以有效的使波形关于零线上下对称，然后就可以应用精密全波整流电路，将其转换成直流信号，以便单片机采集。经过电平提升电路和精密全波整流电路后的波形图如图9所示。图9中曲线1的矩形波是感应电动势经过信号采集电路和电平提升电路后的波形；曲线2是曲线1经过精密全波整流电路后的波形。可以看出经过精密整流电路后的波形几乎是一条直线，这样有利于单片机对信号进行A/D采样。

 

9 经过电平提升电路和绝对值电路后的波形

5 结语

本文设计了电磁流量计的励磁电路和信号处理电路。重点对电磁流量计中的微分干扰、同相干扰、共模干扰和工频干扰进行了分析和处理。实验结果表明，本文设计的电路能够有效的抑制电磁流量计中的主要干扰，使电磁流量计抗干扰能力增强，其测量误差由原先的21.02%减小到3.13%，并且剔除了信号中错误的部分（即“毛刺”），测量精确度和可靠性显著提高，具有很大的实用价值。