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E+H電容式電磁流量計的去噪問題
點(diǎn)擊次數(shù)：1125 發(fā)布時間：2011-4-28
E+H電容式電磁流量計的去噪問題
E+H電磁流量計是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制作的流量計，在實(shí)際研發(fā)中會遇到許多噪聲問題。圖1列出其每個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)入測量系統(tǒng)，成為提高信噪比和測量精度的障礙。本文通過分析傳感器前端遇到的噪聲的產(chǎn)生機(jī)制得出對應(yīng)的解決方案。
E+H電容式電磁流量計的去噪問題-雜散噪聲
以往的E+H電磁流量計的電極部分是以金屬導(dǎo)體的形式與被測液體產(chǎn)生接觸的，被測流體流動時與電極部分產(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，電極部分不與被測流體直接接觸而是透過管壁與流體的感應(yīng)電動勢產(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電容式電磁流量計的去噪問題-正交/同相干擾
又稱為微分干擾，是變化的勵磁磁場通過被測流體、傳感器、轉(zhuǎn)換器和信號放大器組成的回路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此現(xiàn)象被稱為“變壓器效應(yīng)”，其電動勢可表示為：
式中：E為次級電動勢；B為磁場強(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磁磁場平行，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。
-勵磁電場干擾
由于流量信號很微弱且敏感，易受外部影響，所以離它很近的勵磁線圈所產(chǎn)生的勵磁電場就成為影響流量信號精度的致命因素，其產(chǎn)生的與勵磁電流同形式的電場輻射對傳感器部分形成很大的干擾信號，能將流量信號*湮沒。
解決方法是對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)成為一個等勢體。因?yàn)殡姌O部分獲得的流量信號很微弱，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，主要是工頻電場以串模耦合形式通過被測流體等外部媒介進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，其次是系統(tǒng)供電電源和勵磁信號引入的工頻形式的干擾，此工頻干擾的特點(diǎn)是幅值遠(yuǎn)大于流量信號且無處不在并隨工作現(xiàn)場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流體良好接地，使此工頻信號成為整個系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓，整個系統(tǒng)的零電位隨串模信號的變化而變化，但其內(nèi)部的電壓是不隨其變化的。再就是窄帶濾波，去除信號處理板引入的工頻噪聲。
共模/差模干擾
外部干擾電場耦合進(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，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)，所以兩個局部地就不可能處在同一電位上，而有Vgd的電勢差，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。
解決辦法有兩個：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，Vgd也就無法在系統(tǒng)中形成通路；2）第二個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連接線以雙絞線的方式纏繞并在接收放大器端增加一個差分放大器，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)場干擾進(jìn)入，譬如現(xiàn)場擁有15Hz以下的低頻及1kHz以上的高頻，其干擾進(jìn)入整個測量系統(tǒng)的傳輸線、導(dǎo)線等部分受到空間電場輻射，導(dǎo)致信號電壓擾動，低頻部分與處理放大后流量信號處于同一量級，它使工作信號做低頻的擾動，容易造成信號溢出，而高頻信號幅值較后期流量信號小，但仍會影響采樣值的精度。