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        電磁流量計

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        分析和探討如何消除電磁流量計信號中的工頻干擾問題

        來源:www.info-nutrition.com作者:發表時間:2017-06-01 10:26:21

         摘要 :對消除電磁流量計信號中的工頻干擾問題進行了分析和探討。在理論上分析了不同的勵磁頻率、采樣點及寬度對測量精度的影響 。經實際證明 ,利用理論分析的結果可以提高測量精度與加寬測量范圍 。

         
                   隨著微電子技術的發展 ,電磁流量計的技術性能有了進一步的提高 ,應用也越來越廣泛 。由于其具有對液體適應性較強的特點 ,在現代工業生產中 ,成為測量流體流量的首選儀表。在現行的電磁流量計中 ,低頻矩形波勵磁方式已成為主要的勵磁方式 ,為了解決工頻干擾問題 ,實現對流體流速感應電勢 e ab 信號的準確測量 ,需利用以下基本關系:①勵磁周期為工頻周期的整數倍,即勵磁頻率為50 n Hz(n 為偶數);②正負勵磁下的同相位采樣。圖1 是對應低頻矩形波勵磁形式下的典型電勢信號形式,按上述關系在一個勵磁周期下 ,若假設 t 1 和 t 2 點為工頻干擾的等效干擾點 , 且采樣寬度 T =T 1 =T 2 ,則 e ab 的基本算式為
        QQ截圖20170601102746.jpg
        基本信號關系
         
                   上式說明電磁流量計的工頻干擾在理論上有了可克服的途徑 ,但其方法是以同相位(t 1 =t 2 ), 同寬度采樣(T 1 =T 2 =T)為前提的 。顯然在實際情況下, 是不可能完全滿足這兩個前提的 ,采樣的相位與寬度不可避免地存在著誤差, 如何減少采樣誤差正是本文所要討論的問題。
         
        1   工頻干擾對流量信號的影響
                   當流體流速較大時, 工頻干擾可以忽略, 并不是沒有,而是影響不敏感 ,這是相對感應電勢的值與工頻干擾的大小比較而言的 ;而當激勵電流減小(減小勵磁電功率)或流體流速較小時 ,發現工頻干擾值在與反映流速的信號值在同一個數量級上, 這時工頻干擾又顯得十分敏感。
         
                   圖2 即為小流量 、激勵電流 <70 mA 時, 利用反饋式信號放大處理方法放大了 104數量級倍的信號波形。從圖中可以看出工頻干擾在實際信號中占的比例相當大 ,如果不正確地消除工頻干擾 ,就無法得到令人滿意的測量結果。
        實際信號波形
         
        2   信號采樣方法的分析
                   長期以來, 在對電磁流量計進行信號處理時, 人們往往忽略了對信號采樣方法的分析 。實際上 ,采樣的區域、寬度、對稱度及采樣的起始點的選取 , 特別是在小流量情況下, 對電磁流量計的測量精度有較大的影響。為了說明問題, 下面對勵磁頻率為工頻的兩分頻和四分頻的情況進行分析 。
         
        2.1   采樣頻率為工頻的兩分頻
                   采樣頻率為工頻的兩分頻如圖 3 所示 。采樣頻率為工頻的兩分頻
         
                   設 α、β為信號采樣起始相位角 ;T 為采樣寬度;ξ為采樣寬度誤差 ,令 β =α+2π+Δ(Δ為采樣相位誤差), 則其采樣信號誤差為
        QQ截圖20170601102925.jpg
         
        2.2   采樣頻率為工頻的四分頻
                   圖4(a)~ (c)直觀地描述了不同采樣寬度及采樣起始點位置對流量信號的影響 。設 α, β 為信號采樣起始相位角,令 β =α+Δ, Δ為相位差 ;ξ為采樣寬度誤差 ;α、β、Δ都很小 ,可視為無窮小 。圖4(a)的采樣寬度為 π+ξ,誤差為
        QQ截圖20170601102951.jpg
                   
                   圖4(b)的采樣寬度也為π+ξ,但是采樣起始點向左平移了 π 2,誤差為
        QQ截圖20170601103012.jpg
         
                   圖4(c)的采樣寬度為 2π+ξ,誤差為
        QQ截圖20170601103018.jpg
        不同采樣寬度及起始點位置對流量信號的影響
         
          從以上算式可以看出 ,3 種采樣范圍都存在著誤差,就采樣誤差而言, 圖 4(a)近似于二階無窮小, 圖 4(b)似于一階無窮小 , 圖 4(c)近似于三階無窮小。因此采樣起始點及寬度如圖 4(c)時誤差 E **小 。對于六分頻、八分頻等情況,同樣有上述的結論。
         
        3   實際信號波形的分析
                   就圖 2的實際信號波形(采樣頻率為工頻的四分頻)而言, 信噪比大約達到了 50%, 當假設正勵磁時間段的采樣起始點比負勵磁時間段滯后 1 ms, 即相位差Δ為 0.1π, 按上述 3 種采樣范圍 , 得到的采樣誤差分別為 0.049、0.309、0.000;如果假設正勵磁時間段的采樣寬度比負勵磁時間段大 0.1π, 即 ξ為0.1π,同樣按 3種情況進行采樣 , 得到的采樣誤差分別為 0.024、0.155、0.155 ;如果同時考慮上述兩種情況(假設條件不變),得到的采樣誤差分別為 0.120、0.448、0.139。由此可以看出,在采樣寬度及采樣起始點位置存在誤差時,圖 4(c)所示的采樣方法無論在哪一種情況下都能更好地克服工頻干擾 ,同理論分析的結果相一致。
         
        4   結束語
                   由上面的分析不難發現 ,在對電磁流量計進行信號處理時 ,采樣寬度與采樣起始點對測量精度有著較大的影響 ,對采樣范圍的正確選取 ,將有利于電磁流量
        計的測量精度的提高 。
         
                   利用上述采樣方法進行信號處理時 , 可以更好地消除工頻干擾, 使測量時具有高精度和超寬量程, 現在的 LB02C 電磁流量計即為實現了**大動態量程范圍為0.001~ 10 m s 的正負雙向流量測量、精度達 0.5%RS(流速在 0.1~ 10 m s), 誤差 <0.000 5 m s(流速 <0.1 m s)的高性能電磁流量計。
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