帶阻濾波電磁流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)研究

胡飛飛　沈昱明　胡暉

摘要摘要：提出采用帶阻濾波的信號(hào)處理方法，處理低頻矩形波勵(lì)磁下由傳感器輸出的信號(hào)，有效抑制工頻干擾。用MATLAB對(duì)算法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證算法可行性。選取MSP430芯片，研制出信號(hào)處理系統(tǒng)，進(jìn)行水流量的標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量精度優(yōu)于0.4%，達(dá)到了工業(yè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：電磁流量計(jì)；帶阻濾波；MATLAB仿真；50Hz工頻干擾；MSP430

DOIDOI：10.11907/rjdk.162833

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）005006603

0引言

電磁流量計(jì)原理為法拉第電磁感應(yīng)定律，主要由流量常感器和變送器組成。電磁流量計(jì)有許多良好性能，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較強(qiáng)的耐腐蝕性、較高的穩(wěn)定性、較高的精度等，在給供水、鋼鐵、石油、煤炭、化工、醫(yī)療、航海、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]。流量傳感器的主要作用是當(dāng)流經(jīng)導(dǎo)管內(nèi)的導(dǎo)電液體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將導(dǎo)電液體的體積流量轉(zhuǎn)換成需要的電信號(hào)，再傳送給變送器作進(jìn)一步處理。變送器主要由勵(lì)磁電路、濾波電路、前置放大調(diào)整電路、采樣電路、電流信號(hào)輸出電路及脈沖信號(hào)輸出電路組成。

電磁流量技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在勵(lì)磁方案改進(jìn)和信號(hào)處理算法優(yōu)化方面。電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方案直接決定了其抗干擾性能和零點(diǎn)的穩(wěn)定性。信號(hào)處理的重點(diǎn)是干擾噪聲去除，其中主要的干擾是工頻干擾、同相干擾、正交干擾、極化現(xiàn)象、白噪聲干擾和零點(diǎn)偏移。采用直流勵(lì)磁方案，將不會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，并且有著較小的正交干擾和同相干擾；采用正弦波勵(lì)磁方案，可以很好地控制極化現(xiàn)象產(chǎn)生，并有著良好的抗噪能力；采用低頻矩形波勵(lì)磁方案，兼顧直流勵(lì)磁和正弦波勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。

本文采取低頻矩形波勵(lì)磁方案?？蓪?dǎo)電的流體切割磁感線，從而在電極上會(huì)有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，但是電壓十分弱，流量傳感器的輸出信號(hào)會(huì)受工頻干擾，帶來(lái)較低的信噪比，特別是在導(dǎo)電液體流速較低的情形下，有效的流量信號(hào)可能完全被噪聲信號(hào)覆蓋。本文在采取低頻矩形波勵(lì)磁條件下，在現(xiàn)有信號(hào)處理方法的基礎(chǔ)上，采取巴特沃斯帶阻濾波信號(hào)處理方法，可以有效消除50Hz的工頻干擾[2]，以此來(lái)提高流量傳感器輸出信號(hào)的信噪比，并在MSP430上實(shí)現(xiàn)，可有效處理水流量信號(hào)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，擁有較為理想的測(cè)量精度和重復(fù)性。

1帶阻濾波方法

1.1算法原理及推導(dǎo)

流量傳感器的輸出信號(hào)和被測(cè)導(dǎo)電液體的流速之間存在一定的線性關(guān)系。在理想條件下，采用低頻矩形波勵(lì)磁方式時(shí)，從流量傳感器輸出信號(hào)，頻率和勵(lì)磁電流相同，并且輸出信號(hào)的幅值和導(dǎo)電液體的流速之間成比例關(guān)系。但是，實(shí)際中，流量傳感器的輸出信號(hào)會(huì)受到多種噪聲的干擾，經(jīng)常會(huì)摻雜著如微分干擾、串共模干擾、同相干擾等干擾，使流量信號(hào)和噪聲不能很好分離，可用方程（1）表示[3]：

E=BDV+dBdt+d2Bdt2+ec+ed+ez（1）

式中，BDV是模擬流量信號(hào)。通過(guò)對(duì)流量傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)有著較寬的頻率范圍，所以采用常規(guī)的低通濾波很難將噪聲去除。針對(duì)流量傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，利用現(xiàn)有的模擬濾波器設(shè)計(jì)公式，實(shí)現(xiàn)巴特沃斯帶阻濾波器的設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表示為：

H（z）=b×1-z-N1-az-N（2）

因此，設(shè)計(jì)巴特沃斯帶阻濾波器的實(shí)質(zhì)就是要明確帶寬，并確定階數(shù)N，在MATLAB中完成濾波器的設(shè)計(jì)，并找出系數(shù)b、a，使其滿足預(yù)設(shè)的技術(shù)要求。

1.2濾波器實(shí)現(xiàn)

電磁流量計(jì)的頻率輸出范圍由實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景決定，本文假設(shè)其范圍0～100Hz。依據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為了無(wú)失真地恢復(fù)出采樣信號(hào)，取樣頻率為采樣頻率的2倍，即200Hz。為了去除50Hz工頻干擾，選取49Hz的下限截止頻率；選取51Hz的上限截止頻率；折疊頻率為采樣頻率的1/2，取M=100；對(duì)通帶頻率作歸一化處理，取Wp=[4060][]100；對(duì)阻帶頻率作歸一化處理，Ws=[4951][]100；通帶衰減取值3dB，即p=3；阻帶頻率取值20dB，即s=20；確定階數(shù)N和截止頻率Wc，[NWc]=buttord（Wp，Ws，p，s）；最后確定巴特沃斯帶阻濾波器，[H]=butter（N，Wc，'stopl'）；通過(guò)MATLAB，設(shè)計(jì)出巴特沃斯帶阻濾波器[6]，再繪制巴特沃斯帶阻濾波器的幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線，如圖1所示：

為了驗(yàn)證信號(hào)處理算法的可行性，需在MATLAB中模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)下的傳感器輸出信號(hào)。因?yàn)閺牧髁總鞲衅鳙@取的電壓信號(hào)十分弱，尤其在導(dǎo)電液體流速較小的情形下，有用信號(hào)可能會(huì)淹沒(méi)在各種噪聲中。所以在MATLAB仿真時(shí)，要參考實(shí)際環(huán)境下輸出信號(hào)，模擬的傳感器輸出信號(hào)，要摻雜著工頻干擾、同相干擾、白噪聲等干擾。在導(dǎo)電液體的流速小于1m/s情形下，流量傳感器能獲取到的電壓小于10mv。本文采用取低頻矩形波勵(lì)磁的勵(lì)磁方案，選取50Hz工頻的1/8[6]作勵(lì)磁頻率，即6.25Hz。因此，本文模擬輸出信號(hào)[3]：

y=2square（2π×6.25t）+sin（2π×50t）+5sin（2π×0.01t）+wgn（1，400，0）（3）

式（3）中，等號(hào)右邊的各項(xiàng)依次表示所需的流量信號(hào)、工頻干擾、零漂、白噪聲。產(chǎn)生的信號(hào)如圖2所示。

通過(guò)MATLAB，對(duì)模擬的傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行巴特沃斯帶阻濾波，從圖3中可以看出噪聲在一定程度上被消除，具體哪種噪聲被去除，可以通過(guò)對(duì)信號(hào)作傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜。使用巴特沃斯帶阻濾波器濾波前后的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

分別對(duì)上一步濾波前后的信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到頻譜圖，這一步是通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)的，濾波前后的頻譜對(duì)比如圖4所示。

通過(guò)MATLAB，對(duì)信號(hào)處理算法進(jìn)行仿真，分別對(duì)濾波前后的波形圖、頻譜圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此濾波方法可以有效濾除50HZ工頻干擾，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的濾波方法的可行性。

3基于MSP430的算法實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)硬件介紹

基于TI公司的MSP430芯片，研制了電磁流量計(jì)的變送器，此芯片是16位超低功耗混合型微處理器[7]，并且具有豐富的外設(shè)，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展。硬件原理如圖5所示，由前置放大調(diào)理電路、勵(lì)磁電路、電流信號(hào)輸出電路、脈沖信號(hào)輸出電路、LCD顯示、鍵盤(pán)、RS232模塊、開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成。前置放大調(diào)理電路主要完成對(duì)電極信號(hào)的放大、V/F轉(zhuǎn)換等功能，電流輸出模塊實(shí)現(xiàn)4～20mA電流輸出，脈沖輸出模塊實(shí)現(xiàn)脈沖量的輸出，LCD和按鍵用于配置和顯示流量相關(guān)參數(shù)，RS232 用于通訊，開(kāi)關(guān)電源用于給系統(tǒng)提供直流電壓。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊化的，都是由主監(jiān)控程序調(diào)用分配。軟件部分主要包括：初始化模塊、通信模塊、Watchdog模塊、信號(hào)處理模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等?？傮w框架如圖6所示。

通過(guò)MSP430控制驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生勵(lì)磁電流，以此激勵(lì)流量傳感器的勵(lì)磁線圈，從而將導(dǎo)電液體的流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電動(dòng)勢(shì)，再對(duì)其進(jìn)行放大調(diào)理、整流濾波和偏置調(diào)整，最后送到AD652進(jìn)行V/F采樣[8]。在本文設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)中，采用帶阻濾波的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到流量信號(hào)的幅值，再結(jié)合儀表的相應(yīng)參數(shù)，將幅值轉(zhuǎn)換成需要的流量信號(hào)，再通過(guò)Modbus將流量信息傳送至上位機(jī)。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證帶阻濾波算法的可行性。標(biāo)定方法有標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法和稱重標(biāo)定法，本文采取標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法，將被測(cè)表的測(cè)量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)表的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)在上海自動(dòng)化儀表有限公司進(jìn)行。將本文研制的轉(zhuǎn)換器與自儀公司150mm口徑的流量傳感器相連接，每一組的標(biāo)定時(shí)間為200s，結(jié)合相關(guān)的參數(shù)，計(jì)算出系統(tǒng)的測(cè)量精度和重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在頻率是6.25Hz的矩形波勵(lì)磁下，在流量范圍是20～200m3/h的條件下，得到電磁流量計(jì)的測(cè)量精度高于0.4%，達(dá)到了工業(yè)測(cè)量要求。

4結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)電磁流量計(jì)的50Hz工頻干擾，提出采用巴特沃斯帶阻濾波的信號(hào)處理方法，運(yùn)用MATLAB實(shí)現(xiàn)巴特沃斯帶阻濾波器的設(shè)計(jì)。通過(guò)MATLAB仿真，驗(yàn)證了本濾波方法的可行性，將50Hz工頻干擾有效地濾除，研制出基于MSP430的低頻矩形波勵(lì)磁的轉(zhuǎn)換器，并設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)處理信號(hào)。

為了驗(yàn)證濾波算法的可行性，并測(cè)試電磁流量計(jì)的測(cè)量精度，采用標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量精度高于0.4%，好于普通電磁流量計(jì)0.5%的測(cè)量精度，達(dá)到了工業(yè)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，表明本文的研究方法可行。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）