本文摘要：摘要:电磁流量计是一种应用广泛的测量导电液体体积流量的仪表。测量时，金属电极与电解质会发生电化学反应，产生极化噪声。极化噪声幅值远高于流量信号幅值，使电极输出信号信噪比较低极化噪声存在漂移的现象，会影响电磁流量计变送器的信号调理工作，限制电
摘要:电磁流量计是一种应用广泛的测量导电液体体积流量的仪表。测量时，金属电极与电解质会发生电化学反应，产生极化噪声。极化噪声幅值远高于流量信号幅值，使电极输出信号信噪比较低ꎻ极化噪声存在漂移的现象，会影响电磁流量计变送器的信号调理工作，限制电路的放大倍数，增加ADC采样位数、电路成本、功耗等。对此，提出了一种基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方案，设计了相应的信号调理电路，通过硬件电路实时提取和抵消极化噪声，极大地提高了电极输出信号信噪比。通过试验，验证了该方案不但能有效滤除极化噪声，而且能提高信号调理电路的放大倍数、减少ADC的采样位数、减少电路的成本和功耗。
关键词:电磁流量计ꎻ极化噪声ꎻ信噪比ꎻ前馈控制ꎻ自适应抵消ꎻ信号调理电路ꎻ放大倍数ꎻADC采样
0引言
电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律测量导电液体体积流量的仪表，广泛应用于石油、化工、冶金、造纸等行业。信号测量时，传感器电极拾取流量信号和噪声信号。流量信号幅值一般为几十到数百微伏。而噪声信号中的极化噪声存在漂移的现象，幅值一般在几毫伏到数百毫伏区间变化，也有可能达到数伏[1]。两者幅值的巨大差异以及极化噪声无法通过良好的接地或者改变励磁的方式消除，极大地影响了信噪比。为了提高电磁流量计传感器输出信号的信噪比，目前，国内外主要有四种解决方案。①极化噪声补偿的方案。根据极化噪声缓慢变化的特点，采用不励磁时段极化噪声来补偿励磁时段的极化噪声。但是，由于极化噪声的不规律性，会导致电磁流量计的零点较差。②低通滤波反馈的方案[2]。
根据极化噪声所处的频带略低于流量信号的特点，采用一阶低通滤波器提取极化噪声，并进行反馈补偿。但是，一阶低通滤波器的过渡带很宽，会使流量信号出现畸变的现象。因此，该方案被用在瞬态励磁中，尚未应用于商用仪表。③采用高精度的模数转换器(analogtodigitalconverter，ADC)的方案。利用32位高精度的模数转换器直接采集信号，然后通过数字信号处理方法提取出流量信号。但该方案增加了程序的复杂性。同时，高精度的模数转换器的分辨率与采样率成反比。
因此，为了保证较高的分辨率，只能使用很低的励磁频率。④阈值控制的偏置调节方法[3]。当信号超过设定的阈值时，数字信号处理器(digitalsignalprocessor，DSP)控制数模转换器(digitaltoanalogconverter，DAC)模块输出偏置调节电压，将传感器输出信号调整到0附近。但这种调节方法会使流量信号产生一个跳变，对后续的梳状带通滤波造成影响，导致输出信号出现间断性错误。为此，本文分析极化噪声产生的具体原因及分布特性，提出前馈控制的自适应极化噪声抵消方案。基于该方案，研制了电磁流量计变送器中的信号调理电路ꎻ并用研制的调理电路替换课题组研制的电磁流量计变送器中的调理电路，形成一套完整的电磁流量计变送器，进行验证试验。
1噪声分析
极化噪声主要源于电极与电解质的电化学反应。金属电极带电的正离子逐渐溶解于所测量的电解质流体，自身带负电荷，致使电解质流体中的正负电荷中心发生相对位移，形成复杂的电解双层结构。双电层之间产生一个电场，从而在电解质流体和电极之间形成电位差。这个电位差就是极化电势。若两电极结构完全相同，则极化电势会相互抵消。但由于两电极表面的结构差异，极化电势会由共模电压转为差模电压，并耦合在信号上。该极化电势被认为是直流分量[1，4￣6]。而且，电极表面上的灰尘或放电离子等沉积物会随着时间的推移缓慢累积。当有流动的电解质流体出现或电解质流体流速发生变化时，这些累积的沉积物会被慢慢撕开。
在这一过程中，极化电势大小会发生随机变化，形成漂移的极化电压[7]。极化电压的大小在一定程度上取决于电极的制作材料和所测量的电解质流体的性质同时，也受温度的影响。为了研究极化噪声的特性，研制了对电极输出信号进行放大和高频滤波的信号调理电路1。配合本课题组原有的变送器，针对重庆川仪自动化股份有限公司口径为40mm的电磁流量传感器，采集滤除高频且放大的电极输出信号，并进行频谱分析。其中，励磁频率为12.5Hz，水流量为20m3/h，采样频率为1500Hz，采样时间为200s。
观察信号调理电路的输出信号可以发现:电极输出信号经过信号调理电路放大后存在严重的漂移现象，信号累积的漂移量达到了1.2V，远大于70mV左右的流量信号(流速为1m/s信号幅值约为100μV，流量为20m3/h时流速为4.44m/s，信号幅值约为444μV，放大170倍后约为75.5mVꎻ70mV为观测结果)。而该结果仅仅是将电极输出信号放大了170倍。当放大倍数更大时，如果任由电极输出信号发生漂移，那么放大器输出信号很可能达到饱和，ADC的供电电压会达到5V，导致ADC无法正常工作。
为了观察流量信号与极化噪声的频段分布，将290000点信号去均值后，从4096点开始，等距取60段，每段4096点，分别作4096点的快速傅里叶变换(fastFouriertransform，FFT)，并求出其平均幅值谱，如图1(b)所示。由图1(b)可以看出:极化噪声以直流噪声为主，主要分布于零频附近的低频区域，几乎不与流量信号频段重叠。当励磁频率为2.5~5Hz[8]，可以用一个过渡带特性较陡的高阶低通滤波器来提取极化噪声。
2极化噪声抵消方案
2.1抵消原理
根据极化噪声的特性，同时考虑到硬件系统处理噪声更具实时性与可靠性，提出一种基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方案，并用硬件实现。
3验证试验
为了验证基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方法的效果，设计了信号调理电路2，并替换本课题组研制的电磁流量变送器中的信号调理电路ꎻ再匹配电磁流量传感器，组成了一个完整的基于数字信号处理器(digitalsignalprocessor，DSP)的电磁流量计[8￣10]。在容积法水流量标定装置上进行了信号调理电路滤波试验、电磁流量计水流量标定试验和降ADC位数试验。
4结论
极化噪声幅值远高于流量信号幅值，会造成电极输出信号信噪比较低ꎻ同时，极化噪声的漂移会限制电路的放大倍数，增加了ADC采样位数、电路成本、功耗等。针对这些问题，通过对电极输出信号采集与频谱分析，研究了极化噪声的分布特性，发现漂移的极化噪声主要分布于零频附近的低频区域，基本不与信号频段重叠。根据极化噪声的分布特性，提出了一种基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方案，并用硬件系统实现。
前置差分放大后的电极输出信号经过一个八阶低通滤波器，提取出其中的极化噪声ꎻ然后以极化噪声作为前馈量，经过下级放大器，用差分放大后的电极输出信号减去极化噪声，以此实现极化噪声的自适应抵消。为验证该方案的实际效果，设计了信号调理电路2，配合课题组原有的变送器及川仪DN40传感器，在容积法水流量标定装置上进行了试验。信号调理电路滤波试验结果表明，该系统能够有效消除电极输出信号中的极化噪声。电磁流量计水流量标定试验结果表明，当信号调理电路放大340倍、ADC为24位时，在流速为0.5~5m/s的范围内，流量计的准确度为0.3级。这说明采用自适应极化噪声抵消方法的信号调理电路2能够满足实际测量要求，且提高信号放大倍数可以实现更低流量的测量。
降ADC位数试验结果表明，将信号调理电路放大倍数提高至3500倍，同时用24位ADC的高14位来模拟16位ADC，在流速为0.5~5m/s的范围内，流量计的准确度可达0.3级。这说明基于前馈控制的自适应极化噪声抵消方法可以将信号放大较高的倍数，从而有效降低ADC的采样位数、芯片供电电压，以及电路成本和功耗。
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