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第20卷第2期J1UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyVol120No121998电磁流量计的信号处理方法探讨李斌包海燕(上海大学自动化学院)摘要基于低频矩形波励磁方式下电磁流量计的运行原理,探讨了在励磁周期下获得准确流量值信号的基本关系,并就实现此信号基本关系的方法和对应的信号精度与动态响应问题,对现行方法进行了讨论.作为改进,本文提出了一种基线控制的信号处理新方法.通过比较试验,证实了新方法有较高的精度和较快的动态响应.关键词电磁流量计动态响应信号处理方法中图法分类号TH814.93TB937体在传感器工作磁场B(由励磁电流I产生的)作用下,使两测量电极a和b产生正比于流体流速V的感应电势eab.电磁流量计的理想测量方程可表示为3电磁流量计信号处理问题在现行的电磁流量计中,低频矩形波励磁方1式(keyedd.c.field)成了主要的励磁形式.在理论上,它使工频干扰、励磁相位干扰、电极极化以及零点漂移等干扰有了可克服的途径1.所谓低频矩形波励磁,是一种励磁周期为工频周期的整数倍且励磁过程为正负恒值周期交替的矩形波励磁.但随信号处理方法的不同,将使对应电磁流量计的静动态流量测量性能有所差异.理想的信号处理方法应保持电磁流量计基本原理上的纯线性和快速响应特性2.eab=(1)CBDV其中,C为仪表常数,D为传感器的管道直径.方程(1)表示电磁流量计产生的感应电动势eab与流体流速V呈线性关系,并且具有对流体流速变化的响应无延时的优点.但在实际的电磁流量计中,电极a和b上叠加了一系列的干扰信号4.一般得到的信号d2BdB图1是电磁流量计的基本原理图.导电性流(2)e=eab+++e0+ec+eddt2dt式中,第二、第三项为磁场变化时产生的正交与同相干扰(若磁场不变时,此两项为零);e0为零点漂移干扰(实际电极两端内阻可达几兆欧量级,致使信号中积累起较大的零点漂移值);ec为共模干扰(若图1中的A是差分放大器,即可基本消除此项干扰);ed为电极间可能产生的极化电压干扰和工频进入的串模干扰(对于恒定磁场励磁时极化电压干扰将使信号完全饱和而无法反映eab的值).图2中,磁场B是一种常用的低频矩形波励磁图1电磁流量计基本原理Fig11TheprincipleofEMF1.励磁磁场2.励磁线圈3.信号转换器形式,电势信号e是对应励磁方式下的典型信号形式4,信号e中的尖峰主要是由励磁正负变化时引入的干扰,而e0即是信号中的零点漂移干扰.显4.传感器5.导电流体的流速V收稿日期:1998202227第一作者:男,副教授上海200072上海理工大学学报1998年第20卷148第二,实际的eab值一般(几十微伏级)小于信号中零点漂移e0最大值(达百毫伏级),约为e0×103,因此要保证高精度地实现基本算式(4),须通过信号处理手段使信号eab在数值上大于零点漂移e0.即存在既要基本消除零点漂移值e0,又要有效地放大感应电势信号eab的问题.对上述两个问题的不同解决途径将引出不同的信号处理方法.本文就如何有效地放大感应电势信号eab和提高信号动态响应速度两个方面对信号处理方法进行探讨,并提出一种较理想的基线控制法信号处理方法.图2基本信号关系Fig12Signalrelationships2对两种现行信号处理方法的分析与讨论然,在t1和t2时刻附近,矩形波励磁磁场恒定不变,则信号中就没有式(2)的磁场正交与同相干扰,这就是低频矩形波励磁方式给电磁流量计的信号处理带来的一个优点.同时,由于低频矩形波励磁方法基本减弱了电极极化干扰,即式(2)中的ed主要是工频引入的串模干扰.若假设图1中的A是一个差分放大器,则在图2的t1或t2附近的信号为电容隔离法[1,5,6]电容隔离法是将零点漂移e0近似作为直流处理的一种方法,即通过电容耦合来隔离零点漂移干扰,实现对感应电势信号eab的有效放大.图3是电容隔离法的一种典型信号处理框图5.2.1e=eab+e0+ed(3)从低频矩形波励磁方式下电磁流量计运行原理1,2,4可知,要实现对流体流速感应电势eab的准确测量,可利用以下基本关系.a.若低频矩形波励磁周期是工频周期的整数倍,则eab可由式(1)的流体流速感应电势信号决定.b.在一个励磁周期下,图2中的t1和t2点为工频串模干扰的等效干扰点,于是在一个低频矩形波励磁周期下有对流体流速感应电势eab信号的一次基本算式图3电容隔离法Fig13Isolatingcapacitormethod1.传感器2.采样保持器SH13.采样保持器SH24.信号放大器图3中,各级信号都通过电容来耦合.差分减法器D1用来消除信号的共模干扰,信号放大器使信号在消除直流分量后放大K倍.然后,两个采样保持器在图4的t1与t2时刻采样保持