針對(duì)采用低頻矩形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)感應(yīng)信號(hào)、干擾和噪聲信號(hào)的特性，提出了基于數(shù)?；旌?**優(yōu)濾波方法的信號(hào)調(diào)理方案。對(duì)數(shù)?；旌?**優(yōu)濾波方法的原理和消除、抑制干擾和噪聲的機(jī)制進(jìn)行了理論分析，分析了該方法的原理誤差及補(bǔ)償方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電磁流量計(jì)。理論分析和檢定實(shí)驗(yàn)表明數(shù)模混合***優(yōu)濾波法是一種有效消除微分噪聲的方法，它既能除去電磁流量計(jì)的微分噪聲，又能有效降低其他各類(lèi)噪聲干擾，從而獲得更高信噪比的流量信號(hào)。

0.引 言

電磁流量計(jì)是一種速度式流量測(cè)量?jī)x表，工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律。當(dāng)導(dǎo)電流體以一定速度沿著垂直于磁場(chǎng)的管道流動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，會(huì)在位于管道壁且與磁場(chǎng)方向垂直的兩個(gè)電極上產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與流體流速成正比。

電磁流量計(jì)沒(méi)有可動(dòng)的結(jié)構(gòu)部件和節(jié)流件，因而無(wú)壓力損耗，并且不受粘度、流體密度、溫度、壓力和電導(dǎo)率的影響，被廣泛地應(yīng)用于水、污水、易燃易爆和腐蝕性液體以及帶有漿液和摻雜固體顆粒等流體流量的測(cè)量。作為流量測(cè)量領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位之一的流量?jī)x表，市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速。

電磁流量計(jì)發(fā)展和應(yīng)用歷史就是其抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷史，特別是在低流速條件下流量信號(hào)的處理方法上，由于噪聲干擾較大，流量信號(hào)本身又很微弱，處理起來(lái)有一定困難; 隨著電磁流量計(jì)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種多樣的針對(duì)流量( 包括微流量) 信號(hào)特性的信號(hào)處理方法，這些信號(hào)處理方法各有利弊。

本文提出的數(shù)?；旌?**優(yōu)濾波方法，從理論上解決了在消除微分噪聲影響的同時(shí)又兼顧了降低其它各類(lèi)噪聲影響的問(wèn)題。它不僅對(duì)微流量電磁流量計(jì)的研究開(kāi)發(fā)具有一定的理論意義，而且是一個(gè)有發(fā)展前途的電磁流量計(jì)信號(hào)調(diào)理技術(shù)方案。

1.數(shù)模混合***優(yōu)濾波器

數(shù)字模擬混合***優(yōu)濾波法 利用***優(yōu)相關(guān)濾波理論，根據(jù)流量信號(hào)與噪聲信號(hào)的自相關(guān)和互相關(guān)特性對(duì)其進(jìn)行特定處理，實(shí)現(xiàn)在***大信噪比準(zhǔn)則下，***大限度地濾除高次諧波以及加性噪聲等的影響，從而較理想地克服干擾，***終獲得較高信噪比的流量信號(hào)。

數(shù)字模擬混合乘法是指以乘法型 D / A 轉(zhuǎn)換器為核心器件，實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的四象限乘法運(yùn)算，因此也稱(chēng)為數(shù)字模擬混合乘法器。

1. 1 自相關(guān)( 數(shù)模混合) ***優(yōu)濾波器原理

信號(hào) f( t) 的自相關(guān)函數(shù)為Ｒ( τ)= Tlim→∞ [ 1T ∫T－ /Tτ/ τ f( t) f* ( t － τ) dt]。 ( 1)

式中: τ 為信號(hào)的時(shí)間間隔; t 為時(shí)間。

在信號(hào)處理中，式( 1) 中積分求均值的運(yùn)算可以用等價(jià)的低通濾波器實(shí)現(xiàn)。自相關(guān)函數(shù)的***大值出現(xiàn)在 τ =0 時(shí)，即 max［Ｒ( τ) ］= Ｒ( 0) 。而兩個(gè)信號(hào) f1 ( t) 和 f2 ( t) 的互相關(guān)函數(shù)為

Ｒ12 ( τ) =Tlim→∞ [ 1T ∫T－ /Tτ/ τ f1 ( t) f2*  ( t － τ) dt]。( 2)

當(dāng) f1 ( t) 與 f2 ( t) 不相關(guān)或正交時(shí)，互相關(guān)函數(shù)Ｒ12 ( τ) →0。自相關(guān)數(shù)模混合***優(yōu)濾波，就是依據(jù)相關(guān)函數(shù)的定義，通過(guò)求相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算，得到***大信噪比信號(hào)的一種方法，圖 1 為自相關(guān)數(shù)?；旌?**優(yōu)濾波器的原理框圖。

濾波器的輸入信號(hào)為流量信號(hào) s ( t) 與輸入噪聲及干擾信號(hào) n( t) 的疊加，將它和參考信號(hào) s^( t) 相乘 這里的參考信號(hào) s  t是由內(nèi)部電路產(chǎn)生的幅值恒定并與流量信號(hào) s ( t) 同形、同頻而且同步的信號(hào)，通過(guò)低通濾波器后的輸出信號(hào)為

s0 ( t) + n0 ( t) =kv s2 ( t) + s^( t) n( t) 。 ( 3)

式中，kv 為僅與流體流速有關(guān)的系數(shù)。式( 3) 中項(xiàng)為流量信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的***大值，含有噪聲信號(hào)的第二項(xiàng)為參考信號(hào) s  t和輸入噪聲信號(hào) n  t的互相關(guān)函數(shù)，由于這兩個(gè)信號(hào)不相關(guān)，所以 n0 ( t) →0，即實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)的***大信噪比。

特別值得提出的是，微分噪聲是電磁流量計(jì)信號(hào)中***大的噪聲成分，現(xiàn)行的信號(hào)采樣方法多是避開(kāi)流量信號(hào)上升時(shí)段，即微分噪聲***大的時(shí)段，待信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定之后，即微分噪聲影響很小時(shí)進(jìn)行采樣，這是一種峰值測(cè)量方法。而自相關(guān)***優(yōu)濾波方法是利用了微分噪聲與流量信號(hào)正交，互相關(guān)函數(shù)為零的特性，消除了微分噪聲的影響，充分利用了全時(shí)段的信號(hào)能量，從而獲得***大信噪比的流量信號(hào)。

1. 2 數(shù)模混合***優(yōu)濾波器理論誤差及補(bǔ)償方法

這個(gè)過(guò)程由以下兩步完成，首先要借助沖激序列信號(hào)將連續(xù)的時(shí)間信號(hào)離散化成沖激信號(hào)，并把它作為零階采樣保持系統(tǒng)的輸入信號(hào)，其輸出則為階梯狀的零階采樣保持信號(hào)。零階采樣保持系統(tǒng)的

式中: u ( t ) 為單位階躍信號(hào); TS 為采樣周期; Sa ( ωTS /2) 為采樣函數(shù)。

設(shè)信號(hào) f( t) 的傅里葉變換為 F( ω) ，則其離散化的沖激信號(hào)的傅里葉變換

 2.電磁流量計(jì)信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路的作用是將傳感器輸出的含有多種噪聲和干擾的微弱感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列處理，消除或減弱噪聲和干擾的影響，***終得到較高信噪比的流量信號(hào)。本文所述的電磁流量計(jì)信號(hào)調(diào)理電路主要由以下幾部分組成: 流量傳感器、前置放大器、乘法型 D / A 轉(zhuǎn)換器、參考信號(hào)產(chǎn)生電路和低通濾波器等組成，圖 2 為信號(hào)調(diào)理電路原理框圖。

由于傳感器輸出的是非常微弱的低頻交流信號(hào)，通常只有毫伏級(jí)甚至低至幾十微伏，并且含有大量噪聲和干擾，其幅值甚至?xí)^(guò)流體流動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào); 另外感應(yīng)信號(hào)的信號(hào)內(nèi)阻也很大，可以達(dá)到兆歐級(jí)。這就要求前級(jí)放大電路的輸入阻抗很高，同時(shí)要有較高的共模抑制比和高放大倍數(shù)、低溫漂、高線性度等。圖 3 為信號(hào)調(diào)理電路 PCB。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用前述信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)了原理框圖如圖 4所示的電磁流量計(jì)，流量計(jì)的標(biāo)稱(chēng)口徑為 25 mm。

在流量計(jì)檢定裝置上對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行了檢定實(shí)驗(yàn)，圖 5 為檢定裝置結(jié)構(gòu)，該檢定裝置采用準(zhǔn)確度為 0. 01% 的電子秤作為標(biāo)準(zhǔn)量器，裝置中的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)用于指示瞬時(shí)流量，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制。

試驗(yàn)環(huán)境溫度: 室溫，試驗(yàn)介質(zhì): 普通水，水的密度由檢定裝置檢測(cè)并自動(dòng)修正數(shù)據(jù)。表 1 為檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在檢定試驗(yàn)的流量范圍內(nèi)，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度優(yōu)于 0. 5% ，且重復(fù)性較好，采用非線性修正后，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度還可以進(jìn)一步提高。

4.結(jié)論

電磁流量傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)微弱且伴隨著多種原因造成的干擾和噪聲，在流速較低時(shí)更為嚴(yán)重。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了數(shù)?；旌?**優(yōu)濾波的信號(hào)調(diào)理方法，從理論上分析了這一濾波方法的原理和消除、抑制干擾的機(jī)制，對(duì)該方法的原理誤差及其補(bǔ)償方法進(jìn)行了分析討論。在此基礎(chǔ)上研制了25 mm口徑的電磁流量計(jì)。理論分析表明這種***優(yōu)濾波方法可以有效地消除微分噪聲的影響，同時(shí)對(duì)其它各類(lèi)噪聲的影響也有很好的抑制作用。檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)模混合***優(yōu)濾波方法和信號(hào)調(diào)理電路的正確性和有效性。