交流电磁流量计中的模拟信号处理
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
交流电磁流量计中的模拟信号处理
摘要——交流电磁流量计会产生一种低频信号，它的幅度与平均流速成比例。通常情况下，信号的幅度能够低于1 mV并且能够抵抗由线圈所引起的励磁磁场的强烈干扰。本文提供了一种新颖的电路设计方法来放大和解调由电极所提取的wk.baidu.com压，并且使得干扰最小化。该放大器包括完全差动的前端。解调部分是由同步整流电路和带有零阶保持器的采样电路组成，采保后面跟有低通滤波器。其结果是0.25mV/(m/s)/mT电压，对直流漂移不敏感。
图6渠道中是静水时放大器的输出电压。
图7表示了当平均流速为0.6m/s时电压的波形。可注意到其幅度是图6中的10倍。跟随在磁场跃迁瞬间之后的平直段，能够被明显的区分出来，但是由于信号幅度较大，干扰是可以忽略的。图8表示了对于不同的平均流速直流电压的输出情况。他们符合一条直线，直线的方程为：
……………………...(4)
对于那个电极对和被安置在水道底部上方5cm处的相似电极对来说，相关系数比0.999还要好。
图7平均流速为0.6m/s时放大器的输出电压。
图8不同平均流速所对应的输出电压。
四、结论
由于用来生成磁场的励磁线圈的存在，交流电磁流量计会产生与强烈的干扰信号相混合的小的交流电压。利用梯形磁场可以把干扰限制在场值之间跃迁段，因而，在磁场的平直段内我们可以进行测量。为了恢复与平均流速成比例的电压信号，我们需要放大和解调电极检测出的电压信号。为了去除来自电极的接触电电动势，放大器是采用交流耦合式的。先采用差分滤波器，之后再接一个完全差分放大器和一个商用仪表放大器，当工作频率为6.25Hz时，就会产生9500大小的增益和107 的共模抑制比。
关键词——电磁流量计，模拟信号处理，同步采样，连续解调
一、绪论
水资源管理需要对灌溉渠道进行控制。电磁流量计检测的是水的平均流速。与超声波流量计相比，他们是非侵入性的，不需要定期维护来作为水力方法例如测流堰和水道，并且显示了许多优势。因此，他们适合在开渠中进行测量。
电磁流量计依据的是法拉弟电磁感应定律：横跨一个磁场的导电性流体的流动将产生垂直于流体流动方向和磁感应方向（图1）的电势差。依据文献[2]有
水道的横剖面是一个25cm×25cm的长方形。电极是不锈钢的，面积为25mm2,放置在水道底部正上方10cm处。电极的导线被弯曲放置在与磁场平行的近似竖直平面上。平均流速同时由不确定度约为读数5％的涡轮流量计（A.OTT Kempten, model C2）测量。图6表示了静水时已解调电压的波形。我们获得峰值大小为500mV的电压而不是零位电压，之后是一个小的波动。波峰与磁场的跃迁相符，并且对导线的取向非常的敏感。波动归因于残留的干扰。然而，正如我们所料，这里有两个平直段（在这里近似为0V）。
图3电压波形和产生的线圈电流（与磁场成比例）。
B．电压的提取和解调
因为电极不能够共地，所以所检测的电压是差动的。为了获得9500大小的增益，在商用仪表放大器（INA110）之前放置一个全微分电压放大器。这与仪表放大器之后的单端放大器相比提高了共模抑制比。输入放大器（如图4所示）的增益为： ,与仪表放大器连接后产生100的增益。利用差动的高通滤波器能够滤除电极的接触电动势，它的转折频率为： 。选择 Hz保证当磁场频率在6.25Hz时幅值误差小于0.1％。微调电阻 提高了整体的共模抑制比。
因为磁场与线圈中的电流成比例关系，所以为了获得梯形磁场我们需要有梯形电流。梯形电流可以由图3所示的波形电压获得。选择磁场的频率为6.25Hz。磁场的频率是受有效电压源的转换速率所限制的，我们所使用的电压源的转换速率是10V/us。所使用的0.22H系列线圈的阻抗为5.1 。它生成一个635A（500次翻转为1.27A）的电流翻转产品。由（3）式可估算出磁场为2mT(毫特斯拉)。
本文描述了一种新颖的电路来放大和解调开渠道电磁式流量计产生的信号。开渠道电磁式流量计采用全微分滤波器和前置放大器来产生高增益、低干扰以及直流电压漂移，并且提供基于同步整流、采样的解调检波。
图1电磁流量计是基于法拉弟感应定律的，适用于导电流体流动情况。
二、系统设计
A.磁场的产生
将一对赫尔姆霍茨线圈安置在渠道的上侧和下侧（如图2所示），可以在实验渠道中方便的产生均匀的磁场。线圈之间的距离等于他们的半径。每卷线圈的磁感应强度为：
图5由同步整流和采样执行的连续解调。
梯形电流的频率组分有： ， ， 等。对于恒定流速，由电极提取出的电压具有相同的频率组分（加上干扰）。具有 ， ， 等频率组分的方波能够模拟同步整流。因此，整流信号具有两信号范围的频率和以及频率差组分。那就是说有直流、 、 等组分。具有直流组分和 、 、 等频率组分的脉冲序列能够模拟每半个周期对整流信号进行的采样。所以，被采样的信号也具有直流、 、 等频率组分。因为在 （ 可为任意整数）频率组分时，保持时间为 的零阶保持器会产生零幅值响应。在 处使电压保持 时的半个周期将会去除 、 等频率组分。因此，输出谱中将会有直流组分，与之相应的是流体的流速加上寄生频率组分。寄生频率组分产生于差拍变频输入干扰以及用作整流和采样控制的基准信号。输出低滤波器能够滤除这些寄生频率组分。此外，在频率为6.25Hz及其谐频时，由于零阶保持器频率响应的零幅度，选择 Hz（ Hz/8）有益于减少来自电源线路的50Hz的干扰。
………………..(3)
式中： ， ， 为线圈的半径， 为线圈中的电流， 为真空介电常数， 和 为勒让德曲线椭圆积分式。
图2一对赫尔姆霍茨线圈生成垂直于流动渠道的磁场。
磁场的信号波形严重地影响着检测电极及其导线上的作为结果输出的扰动信号。由于变压器效应，一个正弦场会在任意单环线圈中连续地产生电压，而这些单环线圈是由磁通量联系在一起的。理论上，如果连接电极的导线分布在与磁通量相平行的平面内，那么他们形成的回路（横跨水流并闭合）中将不会产生电动力。然而，连接导线很少与磁场是平行的。因此，正弦磁场会在电极回路中产生电压阻碍测量。依据变压器效应，一个矩形波磁场当它的幅值大小恒定（处于波形平直段）时不会产生任何电压。然而，快速跃迁边缘将会产生足够强的干扰使得连接电极的放大器处于饱和状态。梯形信号波形比方形信号波形简便，因为它也提供恒定的幅度间隔，但是它跃迁的转换速率更加缓慢，因而产生的干扰被削弱了。
通过对放大信号进行同步整流和采样来完成信号解调，之后由低通滤波器进行滤波。相对于采样来说，整流是为了消除直流漂移。同步采样过程仅在信号幅度为恒定值是才进行。零阶保持器可去除由整流和采样引入的频率组分。输出低通滤波器可去除由附加在流动信号上的干扰产生的寄生频率组分。这种模拟信号处理方法应用于实验渠道会产生与平均流速成比例的输出电压，平均流速的范围从0.1m/s到0.95m/s。
………………(1)
式中 是测量点的电势， 是该点处流体的流速， 是磁感应强度， 是起点到被测点之间的距离， 是起点到体积元 之间的距离， 是流动体积， 就是所谓的重力矢量。对于正交于竖直磁场 和管道宽度 的均衡流速 ，横跨管道两边的电压为
………………………………………………(2)
流体流动中产生的电动势可由流体冲刷的金属电极来检测。从（1）中可知，电动势的幅值与磁场的强度以及流体的平均流速成比例。所以，当测量缓慢的流速时，电动势的幅值是非常小的，除非应用一个非常强的磁场，而这种强磁场又是难以产生的。因此，电极所检测的电压可能会低于1mV。此外，为了减小电极的电化学效应，磁场通常是交流的。因此，由（2）式可知，我们可以获得一个电动势，它的频率就是 的频率并且它的幅值可由 来调节。交流的磁场会通过电极导线间的耦合电容和耦合电感引入漂移电压。这些干扰电压与被测电压大小相当。
三、实验结果及详述
我们构造了图4中的放大器和图5中的解调器，以及在解调器之前的转折频率为0.25Hz的高通滤波器和0.1Hz的输出低通滤波器。集成运算放大器的型号为OP-97，它的最大失调电压为 (一般为 )。在6.25Hz时其标准增益和共模抑制比分别为9500±200和107dB。对于0.65V的梯形信号，带有从-2V到2V（来模拟可能的直流电平漂移）可调直流电平的解调器，当失调电压低于1V时其幅度误差小于0.1％，当失调电压高达2V时其幅度误差为1％。
图4输入滤波器和高增益差动放大器。
在解调之前放大信号的失调电压被一阶高通滤波器所滤除。解调器在两个阶段（如图5所示）内执行。首先，信号由增益为±1的放大器进行同步调整，在线圈驱动电流的基频 处进行同步转换。其次，在已解调电压（如图6所示）的每个平直段对信号的幅值进行采样： 快速地充电到相应的电压水平，然后保持它直到接下来半个周期被更新。当 转去采样下一平直段的已解调电压时， 保持与前一平直段相对应的电压水平。由此得出结论，S2的转换频率是S1的两倍。直流电平漂移会导致每段电压的幅值不同；在每一平直段采样前调整信号可以克服直流电平漂移的影响。
摘要——交流电磁流量计会产生一种低频信号，它的幅度与平均流速成比例。通常情况下，信号的幅度能够低于1 mV并且能够抵抗由线圈所引起的励磁磁场的强烈干扰。本文提供了一种新颖的电路设计方法来放大和解调由电极所提取的wk.baidu.com压，并且使得干扰最小化。该放大器包括完全差动的前端。解调部分是由同步整流电路和带有零阶保持器的采样电路组成，采保后面跟有低通滤波器。其结果是0.25mV/(m/s)/mT电压，对直流漂移不敏感。
图6渠道中是静水时放大器的输出电压。
图7表示了当平均流速为0.6m/s时电压的波形。可注意到其幅度是图6中的10倍。跟随在磁场跃迁瞬间之后的平直段，能够被明显的区分出来，但是由于信号幅度较大，干扰是可以忽略的。图8表示了对于不同的平均流速直流电压的输出情况。他们符合一条直线，直线的方程为：
……………………...(4)
对于那个电极对和被安置在水道底部上方5cm处的相似电极对来说，相关系数比0.999还要好。
图7平均流速为0.6m/s时放大器的输出电压。
图8不同平均流速所对应的输出电压。
四、结论
由于用来生成磁场的励磁线圈的存在，交流电磁流量计会产生与强烈的干扰信号相混合的小的交流电压。利用梯形磁场可以把干扰限制在场值之间跃迁段，因而，在磁场的平直段内我们可以进行测量。为了恢复与平均流速成比例的电压信号，我们需要放大和解调电极检测出的电压信号。为了去除来自电极的接触电电动势，放大器是采用交流耦合式的。先采用差分滤波器，之后再接一个完全差分放大器和一个商用仪表放大器，当工作频率为6.25Hz时，就会产生9500大小的增益和107 的共模抑制比。
关键词——电磁流量计，模拟信号处理，同步采样，连续解调
一、绪论
水资源管理需要对灌溉渠道进行控制。电磁流量计检测的是水的平均流速。与超声波流量计相比，他们是非侵入性的，不需要定期维护来作为水力方法例如测流堰和水道，并且显示了许多优势。因此，他们适合在开渠中进行测量。
电磁流量计依据的是法拉弟电磁感应定律：横跨一个磁场的导电性流体的流动将产生垂直于流体流动方向和磁感应方向（图1）的电势差。依据文献[2]有
水道的横剖面是一个25cm×25cm的长方形。电极是不锈钢的，面积为25mm2,放置在水道底部正上方10cm处。电极的导线被弯曲放置在与磁场平行的近似竖直平面上。平均流速同时由不确定度约为读数5％的涡轮流量计（A.OTT Kempten, model C2）测量。图6表示了静水时已解调电压的波形。我们获得峰值大小为500mV的电压而不是零位电压，之后是一个小的波动。波峰与磁场的跃迁相符，并且对导线的取向非常的敏感。波动归因于残留的干扰。然而，正如我们所料，这里有两个平直段（在这里近似为0V）。
图3电压波形和产生的线圈电流（与磁场成比例）。
B．电压的提取和解调
因为电极不能够共地，所以所检测的电压是差动的。为了获得9500大小的增益，在商用仪表放大器（INA110）之前放置一个全微分电压放大器。这与仪表放大器之后的单端放大器相比提高了共模抑制比。输入放大器（如图4所示）的增益为： ,与仪表放大器连接后产生100的增益。利用差动的高通滤波器能够滤除电极的接触电动势，它的转折频率为： 。选择 Hz保证当磁场频率在6.25Hz时幅值误差小于0.1％。微调电阻 提高了整体的共模抑制比。
因为磁场与线圈中的电流成比例关系，所以为了获得梯形磁场我们需要有梯形电流。梯形电流可以由图3所示的波形电压获得。选择磁场的频率为6.25Hz。磁场的频率是受有效电压源的转换速率所限制的，我们所使用的电压源的转换速率是10V/us。所使用的0.22H系列线圈的阻抗为5.1 。它生成一个635A（500次翻转为1.27A）的电流翻转产品。由（3）式可估算出磁场为2mT(毫特斯拉)。
本文描述了一种新颖的电路来放大和解调开渠道电磁式流量计产生的信号。开渠道电磁式流量计采用全微分滤波器和前置放大器来产生高增益、低干扰以及直流电压漂移，并且提供基于同步整流、采样的解调检波。
图1电磁流量计是基于法拉弟感应定律的，适用于导电流体流动情况。
二、系统设计
A.磁场的产生
将一对赫尔姆霍茨线圈安置在渠道的上侧和下侧（如图2所示），可以在实验渠道中方便的产生均匀的磁场。线圈之间的距离等于他们的半径。每卷线圈的磁感应强度为：
图5由同步整流和采样执行的连续解调。
梯形电流的频率组分有： ， ， 等。对于恒定流速，由电极提取出的电压具有相同的频率组分（加上干扰）。具有 ， ， 等频率组分的方波能够模拟同步整流。因此，整流信号具有两信号范围的频率和以及频率差组分。那就是说有直流、 、 等组分。具有直流组分和 、 、 等频率组分的脉冲序列能够模拟每半个周期对整流信号进行的采样。所以，被采样的信号也具有直流、 、 等频率组分。因为在 （ 可为任意整数）频率组分时，保持时间为 的零阶保持器会产生零幅值响应。在 处使电压保持 时的半个周期将会去除 、 等频率组分。因此，输出谱中将会有直流组分，与之相应的是流体的流速加上寄生频率组分。寄生频率组分产生于差拍变频输入干扰以及用作整流和采样控制的基准信号。输出低滤波器能够滤除这些寄生频率组分。此外，在频率为6.25Hz及其谐频时，由于零阶保持器频率响应的零幅度，选择 Hz（ Hz/8）有益于减少来自电源线路的50Hz的干扰。
………………..(3)
式中： ， ， 为线圈的半径， 为线圈中的电流， 为真空介电常数， 和 为勒让德曲线椭圆积分式。
图2一对赫尔姆霍茨线圈生成垂直于流动渠道的磁场。
磁场的信号波形严重地影响着检测电极及其导线上的作为结果输出的扰动信号。由于变压器效应，一个正弦场会在任意单环线圈中连续地产生电压，而这些单环线圈是由磁通量联系在一起的。理论上，如果连接电极的导线分布在与磁通量相平行的平面内，那么他们形成的回路（横跨水流并闭合）中将不会产生电动力。然而，连接导线很少与磁场是平行的。因此，正弦磁场会在电极回路中产生电压阻碍测量。依据变压器效应，一个矩形波磁场当它的幅值大小恒定（处于波形平直段）时不会产生任何电压。然而，快速跃迁边缘将会产生足够强的干扰使得连接电极的放大器处于饱和状态。梯形信号波形比方形信号波形简便，因为它也提供恒定的幅度间隔，但是它跃迁的转换速率更加缓慢，因而产生的干扰被削弱了。
通过对放大信号进行同步整流和采样来完成信号解调，之后由低通滤波器进行滤波。相对于采样来说，整流是为了消除直流漂移。同步采样过程仅在信号幅度为恒定值是才进行。零阶保持器可去除由整流和采样引入的频率组分。输出低通滤波器可去除由附加在流动信号上的干扰产生的寄生频率组分。这种模拟信号处理方法应用于实验渠道会产生与平均流速成比例的输出电压，平均流速的范围从0.1m/s到0.95m/s。
………………(1)
式中 是测量点的电势， 是该点处流体的流速， 是磁感应强度， 是起点到被测点之间的距离， 是起点到体积元 之间的距离， 是流动体积， 就是所谓的重力矢量。对于正交于竖直磁场 和管道宽度 的均衡流速 ，横跨管道两边的电压为
………………………………………………(2)
流体流动中产生的电动势可由流体冲刷的金属电极来检测。从（1）中可知，电动势的幅值与磁场的强度以及流体的平均流速成比例。所以，当测量缓慢的流速时，电动势的幅值是非常小的，除非应用一个非常强的磁场，而这种强磁场又是难以产生的。因此，电极所检测的电压可能会低于1mV。此外，为了减小电极的电化学效应，磁场通常是交流的。因此，由（2）式可知，我们可以获得一个电动势，它的频率就是 的频率并且它的幅值可由 来调节。交流的磁场会通过电极导线间的耦合电容和耦合电感引入漂移电压。这些干扰电压与被测电压大小相当。
三、实验结果及详述
我们构造了图4中的放大器和图5中的解调器，以及在解调器之前的转折频率为0.25Hz的高通滤波器和0.1Hz的输出低通滤波器。集成运算放大器的型号为OP-97，它的最大失调电压为 (一般为 )。在6.25Hz时其标准增益和共模抑制比分别为9500±200和107dB。对于0.65V的梯形信号，带有从-2V到2V（来模拟可能的直流电平漂移）可调直流电平的解调器，当失调电压低于1V时其幅度误差小于0.1％，当失调电压高达2V时其幅度误差为1％。
图4输入滤波器和高增益差动放大器。
在解调之前放大信号的失调电压被一阶高通滤波器所滤除。解调器在两个阶段（如图5所示）内执行。首先，信号由增益为±1的放大器进行同步调整，在线圈驱动电流的基频 处进行同步转换。其次，在已解调电压（如图6所示）的每个平直段对信号的幅值进行采样： 快速地充电到相应的电压水平，然后保持它直到接下来半个周期被更新。当 转去采样下一平直段的已解调电压时， 保持与前一平直段相对应的电压水平。由此得出结论，S2的转换频率是S1的两倍。直流电平漂移会导致每段电压的幅值不同；在每一平直段采样前调整信号可以克服直流电平漂移的影响。