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专家讲解:如何解决电容式电磁流量计噪声问题?

电磁流量计在实际研发中会遇到许多噪声问题,这些噪声以不同的形式和方式进入测量系统,成为提高信噪比和测量精度的障碍。本文主要探讨了在研发过程中遇到的各种噪声情况及处理方法,运放的量化误差、采样时的量化误差对测量精度都有影响,还需要对采样后的数据进行线性化等处理并通过控制器对流量结果进行控制、显示。

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制作的流量计,在实际研发中会遇到许多噪声问题。图1列出其每个组成部分可能引入的噪声,这些噪声以不同的形式和方式进入测量系统,成为提高信噪比和测量精度的障碍。本文通过分析传感器前端遇到的噪声的产生机制得出对应的解决方案。

噪声形式及分布图

图1噪声形式及分布图

噪声原理及解决方案

传感器(电极+转换器)

该部分中流动的信号是未经放大处理的微弱流量信号,也就最容易受到外部因素的干扰,由图1可知它引入的噪声种类最多,在此对这些噪声进行分析并提出相应的解决方案。

在提出噪声及其解决方案之前先对流量信号本身进行讨论,在信号处理中尽可能地提高信噪比是处理的主要目标,但由于励磁功率等因素的限制,在电极处获得的流量信号幅值有限并且十分微弱,而在研制电磁流量计中我们使用了电容式电极(其原 因在后面将有论述),此电极的输出阻抗RC1很高,为106Ω数量级,如管内被测流体为导电率极低的酒精等,则内阻R0可能达到108Ω数量级,进入转换器的电压值为2,为使流量信号能够基本不失真地进入信号处理板中,这就要求转换器应具有极高的输入阻抗Zi。我们采用了输入阻抗数量级为1010Ω的自举电路作为转换器,其等效原理图如图2所示。

等效原理图

图2中,C1是电极的等效电容;RC1为其阻抗;Vi为流量信号电动势;R0为管内流体内阻。显然,信号失真小于1%,很大程度上保证了流量信号的完整性。

杂散噪声

以往的电磁流量计的电极部分是以金属导体的形式与被测液体产生接触的,被测流体流动时与电极部分产生碰撞形成不规则的杂散噪声。使用电容式电磁流量计,电极部分不与被测流体直接接触而是透过管壁与流体的感应电动势产生感应。

如图3中所示,使用导电片为电极附着在测量管道外形成电容式电极,进而管道内表面无任何其他物质,被测流体在管体内畅通无阻,没有杂散噪声产生。

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图3流量计电极及布线图

正交/同相干扰

又称为微分干扰,是变化的励磁磁场通过被测流体、传感器、转换器和信号放大器组成的回路产生感应电动势,此现象被称为“变压器效应”,其电动势可表示为:

式中:E为次级电动势;B为磁场强度。

为减小正交干扰的幅值需要在制作工艺上下功夫,使图3中D-A-B-C形成的回路平面尽量同励磁磁场平行,进而最大程度的消除正交干扰。因为正交干扰与同相干扰是不随流量而变化的,也可用初值相减的方法去除。

励磁电场干扰

由于流量信号很微弱且敏感,易受外部影响,所以离它很近的励磁线圈所产生的励磁电场就成为影响流量信号精度的致命因素,其产生的与励磁电流同形式的电场辐射对传感器部分形成很大的干扰信号,能将流量信号完全湮没。

解决方法是对传感器部分及输出线部分进行整体的接地屏蔽,屏蔽层需完全包裹传感器部分,使屏蔽层内成为一个等势体。因为电极部分获得的流量信号很微弱,其获得的电压容易经分布电容泄漏,所以需在此传输线上加反馈屏蔽,如图4所示。

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工频干扰

此干扰来源之一是外部电场,主要是工频电场以串模耦合形式通过被测流体等外部媒介进入系统内部,其次是系统供电电源和励磁信号引入的工频形式的干扰,此工频干扰的特点是幅值远大于流量信号且无处不在并随工作现场的不同其形式如频率、幅值也有所变化。

消除其串模干扰的方法是将被测流体良好接地,使此工频信号成为整个系统的基准电压,整个系统的零电位随串模信号的变化而变化,但其内部的电压是不随其变化的。再就是窄带滤波,去除信号处理板引入的工频噪声。

共模/差模干扰

外部干扰电场耦合进入传输线部分,具有混合有共模和差模形式的干扰,此干扰具有不确定性,随时间地点的不同而变化。去除方法是将传感器与放大电路的长连接线以双绞线的方式缠绕,从而减小回路面积以降低差模形式的感应电压。由于传输线间很接近,使得每缠绕两圈分别获得的容性耦合干扰大小相等而极性相反,进而消除了整根双绞线引入的差模干扰,在后期的放大电路中使用运算放大器进行差动放大消除共模干扰。

串模干扰

通过地线等途径提高或降低基准电势,使系统的工作电压不稳定。如图5所示为传感器与接收放大器的连接电路。连接传感器和放大器的导线模型化为与电阻Rw1和Rw2串联的理想导体。

图5串模干扰原理图

图5串模干扰原理图

传感器模型转化为电压源Vs和与它相关的电阻Rs。节点Vg1是传感器这边的局部地,节点Vg2是接收端所在地的局部地。假设放大器的输入端到局部地的电阻等于Ri。两个局部地被电阻为Rg的分布式接地系统的导线连接在一起,因为有电流流进接地节点,所以两个局部地就不可能处在同一电位上,而有Vgd的电势差,则: 

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说明只要Ri>>(Rs+Rw1),则只将Vgd作为加入到Vs中的误差或干扰信号。

解决办法有两个:1)使用单点接地,断开Vg1处节点与Vs的连线,这样参考地只有一个,Vgd也就无法在系统中形成通路;2)第二个就是像去除共模干扰的方法一样将传感器与放大电路的长连接线以双绞线的方式缠绕并在接收放大器端增加一个差分放大器,通过求差值的方法消除地线引入的干扰。

高低频耦合干扰

除上面提到的频率确定或形式确定的干扰外,还有其他的现场干扰进入,譬如现场拥有15Hz以下的低频及1kHz以上的高频,其干扰进入整个测量系统的传输线、导线等部分受到空间电场辐射,导致信号电压扰动,低频部分与处理放大后流量信号处于同一量级,它使工作信号做低频的扰动,容易造成信号溢出,而高频信号幅值较后期流量信号小,但仍会影响采样值的精度。

为此,我们对信号进行较高Q值的窄带滤波,使用二阶压控型有源带通滤波器作为滤波单元,其原理图及频率特性如图6、7所示。

图6二阶带通滤波原理图

图6二阶带通滤波原理图

其传递函数:

其传递函数

再将图6所示的电路进行四次级联形成八阶带通滤波器,其频率响应如图8所示。

图8 八阶带通滤波器幅频图

结束语

本文主要探讨了在研发过程中遇到的各种噪声情况及处理方法,当然电容式电磁流量计所涉及的噪声方面不仅如此,运放的量化误差、采样时的量化误差对测量精度都有影响,还需要对采样后的数据进行线性化等处理并通过控制器对流量结果进行控制、显示。传感器部分的形状、结构和工艺及管体部分材料也需要引起足够的重视。

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