電磁流量計(jì)信號處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
電磁流量計(jì)信號處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
在現(xiàn)代高科技的滲透下，現(xiàn)代信號處理技術(shù)的應(yīng)用是消除干擾、改善信噪比、提高流量測量的精度和穩(wěn)定性的一個(gè)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(shí)時(shí)補(bǔ)償消除工頻干擾【91增加采樣次數(shù)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(jì)綜合性能?；谖⑻幚砥骷夹g(shù)和智能化技術(shù)，電磁流量計(jì)的發(fā)展要求信號處理技術(shù)從系統(tǒng)的角度出發(fā)，提高信號生成、信號獲取和信號放大等各個(gè)環(huán)節(jié)的綜合水平。
1．反饋式信號處理技術(shù)
在電磁流量計(jì)技術(shù)中，一般地，如果勵(lì)磁頻率高，則動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、流動(dòng)噪聲和泥漿干擾影響小，但零點(diǎn)不穩(wěn)定；如果勵(lì)磁頻率低，則動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、流動(dòng)噪聲和泥漿干擾影響大，但零點(diǎn)較穩(wěn)赳11】?，F(xiàn)代電磁流量計(jì)從改進(jìn)信號放大處理方法出發(fā)，采用反饋式信號處理技術(shù)解決零點(diǎn)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的矛盾關(guān)系，減小各種干擾對檢測的影響，提高電磁流量計(jì)的整體性能。反饋式信號處理技術(shù)的設(shè)計(jì)思路是除前向通道外，在信號處理環(huán)節(jié)中加入信號反饋通道構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對流量信號的負(fù)反饋補(bǔ)償，以消除零點(diǎn)漂移、泥漿噪聲等各種干擾的影響。近十年來，人們不斷地設(shè)計(jì)出反饋信號處理方法的電磁流量計(jì)。
早期的反饋式信號處理技術(shù)顯著的特點(diǎn)是反饋信號從信號放大輸出端直接取得、按勵(lì)磁頻率或在特定的條件下進(jìn)行信號反饋。由于設(shè)計(jì)方法的缺陷，這些反饋式信號處理方法在放大信號、動(dòng)態(tài)消除零點(diǎn)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(jì)整體性能。
后來提出了零點(diǎn)漂移反饋法，其特點(diǎn)是通過兩個(gè)采樣保持器輸出端上兩個(gè)電阻的中點(diǎn)電壓來獲取零點(diǎn)漂移值，反饋回放大器輸入端對流量信號進(jìn)行補(bǔ)償。在流量穩(wěn)定的情況下，零點(diǎn)漂移反饋法可使用最小勵(lì)磁周期(工頻周期的1倍)， 并能在動(dòng)態(tài)消除零點(diǎn)漂移的情況下有效地放大感應(yīng)電勢信號。但當(dāng)流速變化時(shí)， 零點(diǎn)漂移反饋經(jīng)多個(gè)勵(lì)磁周期才能達(dá)到應(yīng)有的響應(yīng)值，其對信號的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般至少是對應(yīng)勵(lì)磁周期的3倍。零點(diǎn)漂移反饋法另一個(gè)缺陷在于當(dāng)外界干擾或零點(diǎn)漂移過大，使運(yùn)放輸出電壓飽和，則會(huì)出現(xiàn)反饋信號為零無法消除零點(diǎn)漂移的情況。
1999年，李斌結(jié)合了早期反饋式信號處理方法和零點(diǎn)漂移反饋法的各自優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基線控制的反饋式信號處理方法【12】【13】?；€控制信號處理法將矩形負(fù)(或正)恒定勵(lì)磁段下的某個(gè)信號值作為信號的相對基線值，經(jīng)放大器放大后直接送入基線調(diào)節(jié)器與期望基線值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)以基線為標(biāo)準(zhǔn)的平移控制。放大后的信號經(jīng)過兩個(gè)采樣保持器的操作輸入到差分減法器實(shí)現(xiàn)高精度減法，最終獲得精確的流量信號?；€控制法能在消除零點(diǎn)漂移的基礎(chǔ)上，采用較高勵(lì)磁頻率實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特性，同時(shí)又有效地放大了信號，使低勵(lì)磁電流下的測量也具有較高的信噪比。
2．反饋式勵(lì)磁控制技術(shù)
基于電磁感應(yīng)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(jì)的設(shè)計(jì)往往采用在勵(lì)磁線圈中加大小恒定電流的方法來形成勵(lì)磁磁場。當(dāng)勵(lì)磁電流大，磁場增大，感應(yīng)電勢信號大，信噪比提高，但功耗大，反之則功耗減小，感應(yīng)電勢信號減小，信噪比降低。然而電磁流量計(jì)的本質(zhì)安全防爆問題又限定了勵(lì)磁電流增大的上限，因此在小流量測量時(shí)，電磁流量計(jì)的信號處理存在極大的困難。
隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代電磁流量計(jì)中人們采用基于微處理器的勵(lì)磁控制方式，即把檢測到的流量值或磁場場強(qiáng)值送入微處理器并由微處理器根據(jù)檢測值來控制勵(lì)磁電流，保持測量的信噪比為一個(gè)常數(shù)或在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。國內(nèi)在90年代初就有采用Pm反饋控制法和滑模變結(jié)構(gòu)法實(shí)現(xiàn)反饋式勵(lì)磁控制的電磁流量計(jì)【ll】，但精度較低；國外提出過各種反饋式勵(lì)磁控制技術(shù)的設(shè)計(jì)方法【14】【15】【16】。
為了消除零點(diǎn)漂移，國外給出了一種采用反饋式勵(lì)磁控制技術(shù)【171。勵(lì)磁磁場改變方向后，穿過測量電極、導(dǎo)線和導(dǎo)電流體構(gòu)成的傳感回路的磁力線會(huì)使測量電極上有感應(yīng)電勢產(chǎn)生，這是形成了零點(diǎn)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(jīng)常變動(dòng)。該在原來勵(lì)磁線圈的基礎(chǔ)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)兩對小線圈生成磁場的大小，使這個(gè)磁場與勵(lì)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(dá)到消除零點(diǎn)漂移的目的。同時(shí)這兩對小線圈生成磁場矢量和與流動(dòng)方向平行，對流量測量不會(huì)帶來干擾。綜上所述，采用反饋式勵(lì)磁控制技術(shù)對于改善信噪比、減小信號處理的難度、降低系統(tǒng)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(lì)磁控制電磁流量計(jì)推廣應(yīng)用亟需解決的問題。
3．多信息融合的信號處理技術(shù)
除了從閉環(huán)系統(tǒng)的角度出發(fā)采用反饋式控制的方法，基于多信息融合信號處理技術(shù)的提出和應(yīng)用提高了電磁流量計(jì)的信號處理能力，使電磁流量計(jì)的整體性能又上升了一個(gè)臺(tái)階。
在現(xiàn)代智能型電磁流量計(jì)中，典型的多信息融合信號處理技術(shù)的應(yīng)用就是雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)。針對低頻矩形波勵(lì)磁零點(diǎn)穩(wěn)定而高頻矩形波勵(lì)磁動(dòng)態(tài)響應(yīng)好抗力強(qiáng)，日本橫河電機(jī)株式會(huì)社于1988年提出了雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)【18】。國內(nèi)也開展了類似原理電磁流量計(jì)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(diào)制的矩形波來驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁線圈。測量電極輸出高低頻兩種信息融合的感應(yīng)電勢信號，分別使用高、低頻信號放大解調(diào)電路對信號進(jìn)行解耦處理。當(dāng)流量穩(wěn)定時(shí)，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(diǎn)穩(wěn)定性；當(dāng)流量變化時(shí)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)通過對高、低頻勵(lì)磁產(chǎn)生的兩類相互融合的感應(yīng)電勢信號進(jìn)行分解處理，解決了零點(diǎn)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的矛盾關(guān)系。但雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)還存在以下值得探討的問題：
1．信號解耦處理環(huán)節(jié)，當(dāng)流量波動(dòng)，低通濾波和高通濾波同時(shí)有信號輸出時(shí)，如何對兩種頻率的感應(yīng)電勢信號進(jìn)行融合處理，以保證測量的精度。
2．高頻率的勵(lì)磁電流使矩形波勵(lì)磁磁場產(chǎn)生失真現(xiàn)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(lì)磁技術(shù)提出以后，國外又出現(xiàn)了幾種不同形式的雙頻或多頻勵(lì)磁技術(shù)，例如，Wada提出在雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)中用一個(gè)勵(lì)磁線圈進(jìn)行低頻勵(lì)磁，用一個(gè)安裝高質(zhì)量鐵芯的高頻勵(lì)磁線圈消除高頻勵(lì)磁磁場失真的情況【18】；T0m婦采用一個(gè)勵(lì)磁線圈高、低頻(或三個(gè)頻率)勵(lì)磁電流間隔勵(lì)磁生成高頻和低頻感應(yīng)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(diǎn)漂移和流動(dòng)噪聲的作用【211。多電極電磁流量計(jì)也是一種多信息融合技術(shù)的應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(bào)道【22】【23】。但多電極電磁流量計(jì)的檢測器結(jié)構(gòu)復(fù)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(jì)在實(shí)際使用中并不多見。
在提高電磁流量計(jì)性能的基礎(chǔ)上，多傳感器集成式智能電磁流量計(jì)的出現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多信息的測量，拓展了電磁流量計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)[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(yīng)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(jì)電極上集成超聲波濃度傳感器和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)漿體流量、濃度和溫度三參數(shù)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(chǔ)上，對流速、濃度和溫度進(jìn)行修正，提高漿體濃度流量的檢測水平。擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、V錐流量計(jì)、V型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)，更多信息請?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：
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