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脈沖渦輪流量計自適應極化噪聲抵消系統研究
點擊次數：2358 發布時間：2021-01-13 17:37:41
摘要：脈沖渦輪流量計是一種應用廣泛的測量導電液體體積流量的儀表。測量時，金屬電極與電解質會發生電化學反應，產生極化噪聲。極化噪聲幅值遠高于流量信號幅值，使電極輸出信號信噪比較低;極化噪聲存在漂移的現象，會影響脈沖渦輪流量計變送器的信號調理工作，限制電路的放大倍數增加ADC采樣位數、電路成本、功耗等。對此，提出了一種基于前饋控制的自適應極化噪聲抵消方案，設計了相應的信號調理電路，通過硬件電路實時提取和抵消極化噪聲，極大地提高了電極輸出信號信噪比。通過試驗，驗證了該方案不但能有效濾除極化噪聲，而且能提高信號調理電路的放大倍數、減少ADC的采樣位數、減少電路的成本和功耗。
引言
脈沖渦輪流量計是一種根據法拉*電磁感應定律測量導電液體體積流量的儀表，廣泛應用于石油、化工、冶金、造紙等行業。信號測量時，傳感器電極拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般為幾十到數百微伏。而噪聲信號中的極化噪聲存在漂移的現象，幅值一般在幾毫伏到數百毫伏區問變化，也有可能達到數伏川。兩者幅值的巨大差異以及極化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵磁的方式消除，極大地影響了信噪比。
為了提高脈沖渦輪流量計傳感器輸出信號的信噪比，目前，國內外主要有四種解決方案。
①極化噪聲補償的方案。根據極化噪聲緩慢變化的特點，采用不勵磁時段極化噪聲來補償勵磁時段的極化噪聲。但是，由于極化噪聲的不規律性，會導致脈沖渦輪流量計的零點較差。
②低通濾波反饋的方案。根據極化噪聲所處的頻帶略低于流量信號的特點，采用一階低通濾波器提取極化噪聲，并進行反饋補償。但是，一階低通濾波器的過渡帶很寬，會使流量信號出現畸變的現象。因此，該方案被用在瞬態勵磁中，尚未應用于商用儀表。
③采用高精度的模數轉換器(analog to digitalconverter, ADC)的方案。利用32位高精度的模數轉換器直接采集信號，然后通過數字信號處理方法提取出流量信號。但該方案增加了程序的復雜性。同時，高精度的模數轉換器的分辨率與采樣率成反比。因此，為了保證較高的分辨率，只能使用很低的勵磁頻率。
④闌值控制的偏置調節方法。當信號超過設定的閉值時，數字信號處理器(digital signal processor,DSP)控制數模轉換器(digital to analog converter, DAC )模塊輸出偏置調節電壓，將傳感器輸出信號調整到0附近。但這種調節方法會使流量信號產生一個跳變，對后續的梳狀帶通濾波造成影響，導致輸出信號出現間斷性錯誤。
為此，本文分析極化噪聲產生的具體原因及分布特性，提出前饋控制的自適應極化噪聲抵消方案。基于該方案，研制了脈沖渦輪流量計變送器中的信號調理電路;并用研制的調理電路替換課題組研制的脈沖渦輪流量計變送器中的調理電路，形成一套完整的脈沖渦輪流量計變送器，進行驗證試驗。
極化噪聲主要源于電極與電解質的電化學反應。金屬電極帶電的正離子逐漸溶解于所測量的電解質流體，自身帶負電荷，致使電解質流體中的正負電荷中心發生相對位移，形成復雜的電解雙層結構。雙電層之間產生一個電場，從而在電解質流體和電極之間形成電位差。這個電位差就是極化電勢。若兩電極結構完全相同，則極化電勢會相互抵消。但由于兩電極表面的結構差異，極化電勢會由共模電壓轉為差模電壓，并藕合在信號上。該極化電勢被認為是直流分量〔1,4-6]O而且，電極表面上的灰塵或放電離子等沉積物會隨著時間的推移緩慢累積。當有流動的電解質流體出現或電解質流體流速發生變化時，這些累積的沉積物會被慢慢撕開。在這一過程中，極化電勢大小會發生隨機噪聲為主，主要分布于零頻附近的低頻區域，幾乎不與流量信號頻段重疊。當勵磁頻率為2.5一5 Hz l81，可以用一個過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提取極化噪聲。
2 極化噪聲抵消方案
2.1 抵消原理
根據極化噪聲的特性，同時考慮到硬件系統處理噪聲更具實時性與可靠性，提出一種基于前饋控制的自適應極化噪聲抵消方案，并用硬件實現。噪聲抵消方法原理如圖2所示。
電極輸出信號S(t)包含流量信號，(t)、極化噪聲n1(t)和高頻噪聲n2(t)，如式(1)所示:
S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
電極輸出信號S(t)經過前置差分放大器A，后，得到信號A1.S(t)。由于極化噪聲n, (1)頻段與流量信號，(t)頻段存在很好的區分度，那么信號A,-S(t)經過一個低頻濾波器H, ((0)，就可以將其中的極化噪聲N, (I)提取出來。
n,(，)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
以極化噪聲n, (1)作為前饋量，經過運算放大器A2，用信號A, S(t)減去n, (t)，就可以實現自適應極化噪聲抵消，得到不含有極化噪聲的信號S,(t)。
s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
再經過低通濾波器叢(。)濾除高頻噪聲n2(t)，就可以得到*終輸人ADC的信號S2(t)。
S2(t)=Si(t)·從(。)=A1A2·s(t)(4)
*后，在軟件中通過梳狀帶通濾波和幅值解調等信號處理方法，濾除工頻干擾和微分干擾，就可以得到流速值。
2.2 硬件電路研制
根據前饋控制的自適應極化噪聲抵消原理，設計了信號調理電路2，以實現極化噪聲的濾除。信號調理電路2主要包括前置差分放大電路、極化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放大電路三部分。調理電路如圖3所示。
①前置差分放大電路。
前置差分放大電路主要實現信號的放大和共模噪聲的抑制。電路采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失調漂移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分放大電路如圖4所示。
引言
脈沖渦輪流量計是一種根據法拉*電磁感應定律測量導電液體體積流量的儀表，廣泛應用于石油、化工、冶金、造紙等行業。信號測量時，傳感器電極拾取流量信號和噪聲信號。流量信號幅值一般為幾十到數百微伏。而噪聲信號中的極化噪聲存在漂移的現象，幅值一般在幾毫伏到數百毫伏區問變化，也有可能達到數伏川。兩者幅值的巨大差異以及極化噪聲無法通過良好的接地或者改變勵磁的方式消除，極大地影響了信噪比。
為了提高脈沖渦輪流量計傳感器輸出信號的信噪比，目前，國內外主要有四種解決方案。
①極化噪聲補償的方案。根據極化噪聲緩慢變化的特點，采用不勵磁時段極化噪聲來補償勵磁時段的極化噪聲。但是，由于極化噪聲的不規律性，會導致脈沖渦輪流量計的零點較差。
②低通濾波反饋的方案。根據極化噪聲所處的頻帶略低于流量信號的特點，采用一階低通濾波器提取極化噪聲，并進行反饋補償。但是，一階低通濾波器的過渡帶很寬，會使流量信號出現畸變的現象。因此，該方案被用在瞬態勵磁中，尚未應用于商用儀表。
③采用高精度的模數轉換器(analog to digitalconverter, ADC)的方案。利用32位高精度的模數轉換器直接采集信號，然后通過數字信號處理方法提取出流量信號。但該方案增加了程序的復雜性。同時，高精度的模數轉換器的分辨率與采樣率成反比。因此，為了保證較高的分辨率，只能使用很低的勵磁頻率。
④闌值控制的偏置調節方法。當信號超過設定的閉值時，數字信號處理器(digital signal processor,DSP)控制數模轉換器(digital to analog converter, DAC )模塊輸出偏置調節電壓，將傳感器輸出信號調整到0附近。但這種調節方法會使流量信號產生一個跳變，對后續的梳狀帶通濾波造成影響，導致輸出信號出現間斷性錯誤。
為此，本文分析極化噪聲產生的具體原因及分布特性，提出前饋控制的自適應極化噪聲抵消方案。基于該方案，研制了脈沖渦輪流量計變送器中的信號調理電路;并用研制的調理電路替換課題組研制的脈沖渦輪流量計變送器中的調理電路，形成一套完整的脈沖渦輪流量計變送器，進行驗證試驗。
極化噪聲主要源于電極與電解質的電化學反應。金屬電極帶電的正離子逐漸溶解于所測量的電解質流體，自身帶負電荷，致使電解質流體中的正負電荷中心發生相對位移，形成復雜的電解雙層結構。雙電層之間產生一個電場，從而在電解質流體和電極之間形成電位差。這個電位差就是極化電勢。若兩電極結構完全相同，則極化電勢會相互抵消。但由于兩電極表面的結構差異，極化電勢會由共模電壓轉為差模電壓，并藕合在信號上。該極化電勢被認為是直流分量〔1,4-6]O而且，電極表面上的灰塵或放電離子等沉積物會隨著時間的推移緩慢累積。當有流動的電解質流體出現或電解質流體流速發生變化時，這些累積的沉積物會被慢慢撕開。在這一過程中，極化電勢大小會發生隨機噪聲為主，主要分布于零頻附近的低頻區域，幾乎不與流量信號頻段重疊。當勵磁頻率為2.5一5 Hz l81，可以用一個過渡帶特性較陡的高階低通濾波器來提取極化噪聲。
2 極化噪聲抵消方案
2.1 抵消原理
根據極化噪聲的特性，同時考慮到硬件系統處理噪聲更具實時性與可靠性，提出一種基于前饋控制的自適應極化噪聲抵消方案，并用硬件實現。噪聲抵消方法原理如圖2所示。
電極輸出信號S(t)包含流量信號，(t)、極化噪聲n1(t)和高頻噪聲n2(t)，如式(1)所示:
S( t)=S(t)+n1(t)+n2(t)(1)
電極輸出信號S(t)經過前置差分放大器A，后，得到信號A1.S(t)。由于極化噪聲n, (1)頻段與流量信號，(t)頻段存在很好的區分度，那么信號A,-S(t)經過一個低頻濾波器H, ((0)，就可以將其中的極化噪聲N, (I)提取出來。
n,(，)=A,·S(t)·H,(。)=A,·n,(t)(2)
以極化噪聲n, (1)作為前饋量，經過運算放大器A2，用信號A, S(t)減去n, (t)，就可以實現自適應極化噪聲抵消，得到不含有極化噪聲的信號S,(t)。
s,(t)=A2·[A,K·S(t)n,(t)]=
【A1A2·S(t)+n2(t)](3)
再經過低通濾波器叢(。)濾除高頻噪聲n2(t)，就可以得到*終輸人ADC的信號S2(t)。
S2(t)=Si(t)·從(。)=A1A2·s(t)(4)
*后，在軟件中通過梳狀帶通濾波和幅值解調等信號處理方法，濾除工頻干擾和微分干擾，就可以得到流速值。
2.2 硬件電路研制
根據前饋控制的自適應極化噪聲抵消原理，設計了信號調理電路2，以實現極化噪聲的濾除。信號調理電路2主要包括前置差分放大電路、極化噪聲提取與抵消電路、低通濾波放大電路三部分。調理電路如圖3所示。
①前置差分放大電路。
前置差分放大電路主要實現信號的放大和共模噪聲的抑制。電路采用具有高共模抑制比、高增益精度、低失調漂移、低增益漂移的精密儀用放大器。前置差分放大電路如圖4所示。