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E+H電容式電磁流量計(jì)的去噪問題
點(diǎn)擊次數(shù)：1127 發(fā)布時(shí)間：2011-4-28
E+H電容式電磁流量計(jì)的去噪問題
E+H電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制作的流量計(jì)，在實(shí)際研發(fā)中會(huì)遇到許多噪聲問題。圖1列出其每個(gè)組成部分可能引入的噪聲，這些噪聲以不同的形式和方式進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)，成為提高信噪比和測(cè)量精度的障礙。本文通過分析傳感器前端遇到的噪聲的產(chǎn)生機(jī)制得出對(duì)應(yīng)的解決方案。
E+H電容式電磁流量計(jì)的去噪問題-雜散噪聲
以往的E+H電磁流量計(jì)的電極部分是以金屬導(dǎo)體的形式與被測(cè)液體產(chǎn)生接觸的，被測(cè)流體流動(dòng)時(shí)與電極部分產(chǎn)生碰撞形成不規(guī)則的雜散噪聲。使用電容式E+H電磁流量計(jì)，電極部分不與被測(cè)流體直接接觸而是透過管壁與流體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)。
如圖3中所示，使用導(dǎo)電片為電極附著在測(cè)量管道外形成電容式電極，進(jìn)而管道內(nèi)表面無任何其他物質(zhì)，被測(cè)流體在管體內(nèi)暢通無阻，沒有雜散噪聲產(chǎn)生。
E+H電容式電磁流量計(jì)的去噪問題-正交/同相干擾
又稱為微分干擾，是變化的勵(lì)磁磁場(chǎng)通過被測(cè)流體、傳感器、轉(zhuǎn)換器和信號(hào)放大器組成的回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此現(xiàn)象被稱為“變壓器效應(yīng)”，其電動(dòng)勢(shì)可表示為：
式中：E為次級(jí)電動(dòng)勢(shì)；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。
為減小正交干擾的幅值需要在制作工藝上下功夫，使圖3中D-A-B-C形成的回路平面盡量同勵(lì)磁磁場(chǎng)平行，進(jìn)而zui大程度的消除正交干擾。因?yàn)檎桓蓴_與同相干擾是不隨流量而變化的，也可用初值相減的方法去除。
-勵(lì)磁電場(chǎng)干擾
由于流量信號(hào)很微弱且敏感，易受外部影響，所以離它很近的勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的勵(lì)磁電場(chǎng)就成為影響流量信號(hào)精度的致命因素，其產(chǎn)生的與勵(lì)磁電流同形式的電場(chǎng)輻射對(duì)傳感器部分形成很大的干擾信號(hào)，能將流量信號(hào)*湮沒。
解決方法是對(duì)傳感器部分及輸出線部分進(jìn)行整體的接地屏蔽，屏蔽層需*包裹傳感器部分，使屏蔽層內(nèi)成為一個(gè)等勢(shì)體。因?yàn)殡姌O部分獲得的流量信號(hào)很微弱，其獲得的電壓容易經(jīng)分布電容泄漏，所以需在此傳輸線上加反饋屏蔽，如圖4所示。
-工頻干擾
此干擾來源之一是外部電場(chǎng)，主要是工頻電場(chǎng)以串模耦合形式通過被測(cè)流體等外部媒介進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，其次是系統(tǒng)供電電源和勵(lì)磁信號(hào)引入的工頻形式的干擾，此工頻干擾的特點(diǎn)是幅值遠(yuǎn)大于流量信號(hào)且無處不在并隨工作現(xiàn)場(chǎng)的不同其形式如頻率、幅值也有所變化。
消除其串模干擾的方法是將被測(cè)流體良好接地，使此工頻信號(hào)成為整個(gè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓，整個(gè)系統(tǒng)的零電位隨串模信號(hào)的變化而變化，但其內(nèi)部的電壓是不隨其變化的。再就是窄帶濾波，去除信號(hào)處理板引入的工頻噪聲。
共模/差模干擾
外部干擾電場(chǎng)耦合進(jìn)入傳輸線部分，具有混合有共模和差模形式的干擾，此干擾具有不確定性，隨時(shí)間地點(diǎn)的不同而變化。去除方法是將傳感器與放大電路的長(zhǎng)連接線以雙絞線的方式纏繞，從而減小回路面積以降低差模形式的感應(yīng)電壓。由于傳輸線間很接近，使得每纏繞兩圈分別獲得的容性耦合干擾大小相等而極性相反，進(jìn)而消除了整根雙絞線引入的差模干擾，在后期的放大電路中使用運(yùn)算放大器進(jìn)行差動(dòng)放大消除共模干擾。
-串模干擾
通過地線等途徑提高或降低基準(zhǔn)電勢(shì)，使系統(tǒng)的工作電壓不穩(wěn)定。如圖5所示為傳感器與接收放大器的連接電路。連接傳感器和放大器的導(dǎo)線模型化為與電阻Rw1和Rw2串聯(lián)的理想導(dǎo)體。傳感器模型轉(zhuǎn)化為電壓源Vs和與它相關(guān)的電阻Rs。節(jié)點(diǎn)Vg1是傳感器這邊的局部地，節(jié)點(diǎn)Vg2是接收端所在地的局部地。假設(shè)放大器的輸入端到局部地的電阻等于Ri。兩個(gè)局部地被電阻為Rg的分布式接地系統(tǒng)的導(dǎo)線連接在一起，因?yàn)橛须娏髁鬟M(jìn)接地節(jié)點(diǎn)，所以兩個(gè)局部地就不可能處在同一電位上，而有Vgd的電勢(shì)差，則：
說明只要Ri>>（Rs+Rw1），則只將Vgd作為加入到Vs中的誤差或干擾信號(hào)。
解決辦法有兩個(gè)：1）使用單點(diǎn)接地，斷開Vg1處節(jié)點(diǎn)與Vs的連線，這樣參考地只有一個(gè)，Vgd也就無法在系統(tǒng)中形成通路；2）第二個(gè)就是像去除共模干擾的方法一樣將傳感器與放大電路的長(zhǎng)連接線以雙絞線的方式纏繞并在接收放大器端增加一個(gè)差分放大器，通過求差值的方法消除地線引入的干擾。
高低頻耦合干擾
除上面提到的頻率確定或形式確定的干擾外，還有其他的現(xiàn)場(chǎng)干擾進(jìn)入，譬如現(xiàn)場(chǎng)擁有15Hz以下的低頻及1kHz以上的高頻，其干擾進(jìn)入整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的傳輸線、導(dǎo)線等部分受到空間電場(chǎng)輻射，導(dǎo)致信號(hào)電壓擾動(dòng)，低頻部分與處理放大后流量信號(hào)處于同一量級(jí)，它使工作信號(hào)做低頻的擾動(dòng)，容易造成信號(hào)溢出，而高頻信號(hào)幅值較后期流量信號(hào)小，但仍會(huì)影響采樣值的精度。