電磁流量計信號處理技術的發展現狀

電磁流量計信號處理技術的發展現狀
    在現代高科技的滲透下，現代信號處理技術的應用是消除干擾、改善信噪比、提高流量測量的精度和穩定性的一個重要途徑。國外研究者曾提出不少方法信號處理水平來消除干擾，如提高采樣速率消除低頻干擾【8】、通過實時補償消除工頻干擾【91增加采樣次數消除泥漿干擾【10】等。但這些信號處理的方法只適用于消除特定干擾的影響，不能全面地提高電磁流量計綜合性能。基于微處理器技術和智能化技術，電磁流量計的發展要求信號處理技術從系統的角度出發，提高信號生成、信號獲取和信號放大等各個環節的綜合水平。
   1．反饋式信號處理技術
   在電磁流量計技術中，一般地，如果勵磁頻率高，則動態響應快、流動噪聲和泥漿干擾影響小，但零點不穩定；如果勵磁頻率低，則動態響應慢、流動噪聲和泥漿干擾影響大，但零點較穩赳11】。現代電磁流量計從改進信號放大處理方法出發，采用反饋式信號處理技術解決零點穩定性和動態響應的矛盾關系，減小各種干擾對檢測的影響，提高電磁流量計的整體性能。反饋式信號處理技術的設計思路是除前向通道外，在信號處理環節中加入信號反饋通道構成閉環系統，實現對流量信號的負反饋補償，以消除零點漂移、泥漿噪聲等各種干擾的影響。近十年來，人們不斷地設計出反饋信號處理方法的電磁流量計。
   早期的反饋式信號處理技術顯著的特點是反饋信號從信號放大輸出端直接取得、按勵磁頻率或在特定的條件下進行信號反饋。由于設計方法的缺陷，這些反饋式信號處理方法在放大信號、動態消除零點漂移及其它干擾等方面的效果并不明顯，不能從根本上提高電磁流量計整體性能。
    后來提出了零點漂移反饋法，其特點是通過兩個采樣保持器輸出端上兩個電阻的中點電壓來獲取零點漂移值，反饋回放大器輸入端對流量信號進行補償。在流量穩定的情況下，零點漂移反饋法可使用最小勵磁周期(工頻周期的1倍)， 并能在動態消除零點漂移的情況下有效地放大感應電勢信號。但當流速變化時， 零點漂移反饋經多個勵磁周期才能達到應有的響應值，其對信號的動態響應時間一般至少是對應勵磁周期的3倍。零點漂移反饋法另一個缺陷在于當外界干擾或零點漂移過大，使運放輸出電壓飽和，則會出現反饋信號為零無法消除零點漂移的情況。
    1999年，李斌結合了早期反饋式信號處理方法和零點漂移反饋法的各自優點，提出了一種基線控制的反饋式信號處理方法【12】【13】。基線控制信號處理法將矩形負(或正)恒定勵磁段下的某個信號值作為信號的相對基線值，經放大器放大后直接送入基線調節器與期望基線值進行比較，實現以基線為標準的平移控制。放大后的信號經過兩個采樣保持器的操作輸入到差分減法器實現高精度減法，最終獲得精確的流量信號。基線控制法能在消除零點漂移的基礎上，采用較高勵磁頻率實現電磁流量計高動態響應的特性，同時又有效地放大了信號，使低勵磁電流下的測量也具有較高的信噪比。
   2．反饋式勵磁控制技術
    基于電磁感應原理，在外加磁場的作用下反映流量值的電信號才能生成。以往，電磁流量計的設計往往采用在勵磁線圈中加大小恒定電流的方法來形成勵磁磁場。當勵磁電流大，磁場增大，感應電勢信號大，信噪比提高，但功耗大，反之則功耗減小，感應電勢信號減小，信噪比降低。然而電磁流量計的本質安全防爆問題又限定了勵磁電流增大的上限，因此在小流量測量時，電磁流量計的信號處理存在極大的困難。
   隨著微處理器技術的發展，在現代電磁流量計中人們采用基于微處理器的勵磁控制方式，即把檢測到的流量值或磁場場強值送入微處理器并由微處理器根據檢測值來控制勵磁電流，保持測量的信噪比為一個常數或在一定范圍內波動。國內在90年代初就有采用Pm反饋控制法和滑模變結構法實現反饋式勵磁控制的電磁流量計【ll】，但精度較低；國外提出過各種反饋式勵磁控制技術的設計方法【14】【15】【16】。
   為了消除零點漂移，國外給出了一種采用反饋式勵磁控制技術【171。勵磁磁場改變方向后，穿過測量電極、導線和導電流體構成的傳感回路的磁力線會使測量電極上有感應電勢產生，這是形成了零點漂移的根本原因。傳感回路通常不垂直于測量管道軸向而且經常變動。該在原來勵磁線圈的基礎上增加兩對小線圈，通過分析檢測到的流量信號，微處理器動態調節兩對小線圈生成磁場的大小，使這個磁場與勵磁線圈磁場的矢量和與傳感回路平行，避免有磁力線穿過傳感回路，從而達到消除零點漂移的目的。同時這兩對小線圈生成磁場矢量和與流動方向平行，對流量測量不會帶來干擾。綜上所述，采用反饋式勵磁控制技術對于改善信噪比、減小信號處理的難度、降低系統的平均功耗是非常有幫助的。測量精度的提高和反饋控制策略的選擇是反饋式勵磁控制電磁流量計推廣應用亟需解決的問題。
   3．多信息融合的信號處理技術
    除了從閉環系統的角度出發采用反饋式控制的方法，基于多信息融合信號處理技術的提出和應用提高了電磁流量計的信號處理能力，使電磁流量計的整體性能又上升了一個臺階。
    在現代智能型電磁流量計中，典型的多信息融合信號處理技術的應用就是雙頻矩形波勵磁技術。針對低頻矩形波勵磁零點穩定而高頻矩形波勵磁動態響應好抗力強，日本橫河電機株式會社于1988年提出了雙頻矩形波勵磁技術【18】。國內也開展了類似原理電磁流量計的研究工作【l 9】。其原理是使用高頻矩形波電壓(幾十赫茲)疊加到低頻矩形波電壓(幾赫茲)后形成雙頻調制的矩形波來驅動勵磁線圈。測量電極輸出高低頻兩種信息融合的感應電勢信號，分別使用高、低頻信號放大解調電路對信號進行解耦處理。當流量穩定時，以低頻分量為主的流量信號被高通濾波器阻擋，只能通過低通濾波輸出，因而具有較好的零點穩定性；當流量變化時，以高頻分量為主的流量信號被低通濾波器阻擋，只能通過高通濾波輸出，因而具有較好的動態響應性能。雙頻矩形波勵磁技術通過對高、低頻勵磁產生的兩類相互融合的感應電勢信號進行分解處理，解決了零點穩定性和動態響應速度的矛盾關系。但雙頻矩形波勵磁技術還存在以下值得探討的問題：
   1．信號解耦處理環節，當流量波動，低通濾波和高通濾波同時有信號輸出時，如何對兩種頻率的感應電勢信號進行融合處理，以保證測量的精度。
   2．高頻率的勵磁電流使矩形波勵磁磁場產生失真現象，尤其是在測量管道口徑增大的情況下【201。自雙頻矩形波勵磁技術提出以后，國外又出現了幾種不同形式的雙頻或多頻勵磁技術，例如，Wada提出在雙頻勵磁電磁流量計中用一個勵磁線圈進行低頻勵磁，用一個安裝高質量鐵芯的高頻勵磁線圈消除高頻勵磁磁場失真的情況【18】；T0m婦采用一個勵磁線圈高、低頻(或三個頻率)勵磁電流間隔勵磁生成高頻和低頻感應電勢信號，通過放大、采樣保持及CPu綜合處理得到精確的流量信號，能起到消除零點漂移和流動噪聲的作用【211。多電極電磁流量計也是一種多信息融合技術的應用。通過在測量管道中安裝多對測量電極，可以獲取管道中各處的流量信息，實現不受流速分布不均影響的流量測量。國外在這方面有較多的報道【22】【23】。但多電極電磁流量計的檢測器結構復雜，而且一般地可以加上直管端來減小流速分布不均對測量的影響，因此多電極電磁流量計在實際使用中并不多見。
    在提高電磁流量計性能的基礎上，多傳感器集成式智能電磁流量計的出現可以實現多參數、多信息的測量，拓展了電磁流量計的應用領域。參考文獻[24】給出了一種集成式漿體濃度流量傳感器，可以取代目前工程應用中配置多種測量儀表測量漿體濃度和流量的方法。通過在電磁流量計電極上集成超聲波濃度傳感器和溫度傳感器實現漿體流量、濃度和溫度三參數的測量，并在消除流量信號和濃度信號互耦合和互干擾的基礎上，對流速、濃度和溫度進行修正，提高漿體濃度流量的檢測水平。擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、V錐流量計、V型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入渦街流量計、智能渦街流量計，更多信息請訪問開封中儀網站：