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如何消除自来水流量计信号中的工频干扰问题
点击次数：1564 发布时间：2020-08-03 06:24:19
随着微电子技术的发展 ,自来水流量计的技术性能有了进一步的提高 ,应用也越来越广泛 。由于其具有对液体适应性较强的特点 ,在现代工业生产中 ,成为测量流体流量的首选仪表。在现行的自来水流量计中 ,低频矩形波励磁方式已成为主要的励磁方式 ,为了解决工频干扰问题 ,实现对流体流速感应电势 e ab 信号的准确测量 ,需利用以下基本关系:
①励磁周期为工频周期的整数倍,即励磁频率为50 n Hz(n 为偶数);
②正负励磁下的同相位采样。图1 是对应低频矩形波励磁形式下的典型电势信号形式,按上述关系在一个励磁周期下 ,若假设 t 1 和 t 2 点为工频干扰的等效干扰点 , 且采样宽度 T =T 1 =T 2 ,则 e ab 的基本算式为
上式说明自来水流量计的工频干扰在理论上有了可克服的途径 ,但其方法是以同相位(t 1 =t 2 ), 同宽度采样(T 1 =T 2 =T)为前提的 。显然在实际情况下, 是不可能完全满足这两个前提的 ,采样的相位与宽度不可避免地存在着误差, 如何减少采样误差正是本文所要讨论的问题。
1 工频干扰对流量信号的影响
当流体流速较大时, 工频干扰可以忽略, 并不是没有,而是影响不敏感 ,这是相对感应电势的值与工频干扰的大小比较而言的 ;而当激励电流减小(减小励磁电功率)或流体流速较小时 ,发现工频干扰值在与反映流速的信号值在同一个数量级上, 这时工频干扰又显得十分敏感。
图2 即为小流量 、激励电流 <70 mA 时, 利用反馈式信号放大处理方法放大了 104数量级倍的信号波形。从图中可以看出工频干扰在实际信号中占的比例相当大 ,如果不正确地消除工频干扰 ,就无法得到令人满意的测量结果。
2 信号采样方法的分析
长期以来, 在对自来水流量计进行信号处理时, 人们往往忽略了对信号采样方法的分析 。实际上 ,采样的区域、宽度、对称度及采样的起始点的选取 , 特别是在小流量情况下, 对自来水流量计的测量精度有较大的影响。为了说明问题, 下面对励磁频率为工频的两分频和四分频的情况进行分析 。
2.1 采样频率为工频的两分频
采样频率为工频的两分频如图 3 所示 。
设为信号采样起始相位角 ;T 为采样宽度;ξ为采样宽度误差 ,令(为采样相位误差), 则其采样信号误差为
2.2 采样频率为工频的四分频
图4(a)～ (c)直观地描述了不同采样宽度及采样起始点位置对流量信号的影响 。设为信号采样起始相位角,令为相位差 ;为采样宽度误差 都很小 ,可视为无穷小 。图4(a)的采样宽度为误差为
图4(b)的采样宽度也为但是采样起始点向左平移了2,误差为
图4(c)的采样宽度为 2误差为
从以上算式可以看出 ,3 种采样范围都存在着误差,就采样误差而言, 图 4(a)近似于二阶无穷小, 图 4(b)似于一阶无穷小 , 图 4(c)近似于三阶无穷小。因此采样起始点及宽度如图 4(c)时误差 E 最小 。对于六分频、八分频等情况,同样有上述的结论。
3 实际信号波形的分析
就图 2的实际信号波形(采样频率为工频的四分频)而言, 信噪比大约达到了 50%, 当假设正励磁时间段的采样起始点比负励磁时间段滞后 1 ms, 即相位差Δ为 0.1π, 按上述 3 种采样范围 , 得到的采样误差分别为 0.049、0.309、0.000;如果假设正励磁时间段的采样宽度比负励磁时间段大 0.1π, 即 ξ为0.1π,同样按 3种情况进行采样 , 得到的采样误差分别为 0.024、0.155、0.155 ;如果同时考虑上述两种情况(假设条件不变),得到的采样误差分别为 0.120、0.448、0.139。由此可以看出,在采样宽度及采样起始点位置存在误差时,图 4(c)所示的采样方法无论在哪一种情况下都能更好地克服工频干扰 ,同理论分析的结果相一致。
4 结束语
由上面的分析不难发现 ,在对自来水流量计进行信号处理时 ,采样宽度与采样起始点对测量精度有着较大的影响 ,对采样范围的正确选取 ,将有利于电磁流量
计的测量精度的提高 。
利用上述采样方法进行信号处理时 , 可以更好地消除工频干扰, 使测量时具有高精度和超宽量程, 现在的 自来水流量计即为实现了最大动态量程范围为0.001～ 10 m s 的正负双向流量测量、精度达 0.5%RS(流速在 0.1～ 10 m s), 误差 <0.000 5 m s(流速 <0.1 m s)的高性能自来水流量计。
①励磁周期为工频周期的整数倍,即励磁频率为50 n Hz(n 为偶数);
②正负励磁下的同相位采样。图1 是对应低频矩形波励磁形式下的典型电势信号形式,按上述关系在一个励磁周期下 ,若假设 t 1 和 t 2 点为工频干扰的等效干扰点 , 且采样宽度 T =T 1 =T 2 ,则 e ab 的基本算式为
上式说明自来水流量计的工频干扰在理论上有了可克服的途径 ,但其方法是以同相位(t 1 =t 2 ), 同宽度采样(T 1 =T 2 =T)为前提的 。显然在实际情况下, 是不可能完全满足这两个前提的 ,采样的相位与宽度不可避免地存在着误差, 如何减少采样误差正是本文所要讨论的问题。
1 工频干扰对流量信号的影响
当流体流速较大时, 工频干扰可以忽略, 并不是没有,而是影响不敏感 ,这是相对感应电势的值与工频干扰的大小比较而言的 ;而当激励电流减小(减小励磁电功率)或流体流速较小时 ,发现工频干扰值在与反映流速的信号值在同一个数量级上, 这时工频干扰又显得十分敏感。
图2 即为小流量 、激励电流 <70 mA 时, 利用反馈式信号放大处理方法放大了 104数量级倍的信号波形。从图中可以看出工频干扰在实际信号中占的比例相当大 ,如果不正确地消除工频干扰 ,就无法得到令人满意的测量结果。
2 信号采样方法的分析
长期以来, 在对自来水流量计进行信号处理时, 人们往往忽略了对信号采样方法的分析 。实际上 ,采样的区域、宽度、对称度及采样的起始点的选取 , 特别是在小流量情况下, 对自来水流量计的测量精度有较大的影响。为了说明问题, 下面对励磁频率为工频的两分频和四分频的情况进行分析 。
2.1 采样频率为工频的两分频
采样频率为工频的两分频如图 3 所示 。
设为信号采样起始相位角 ;T 为采样宽度;ξ为采样宽度误差 ,令(为采样相位误差), 则其采样信号误差为
2.2 采样频率为工频的四分频
图4(a)～ (c)直观地描述了不同采样宽度及采样起始点位置对流量信号的影响 。设为信号采样起始相位角,令为相位差 ;为采样宽度误差 都很小 ,可视为无穷小 。图4(a)的采样宽度为误差为
图4(b)的采样宽度也为但是采样起始点向左平移了2,误差为
图4(c)的采样宽度为 2误差为
从以上算式可以看出 ,3 种采样范围都存在着误差,就采样误差而言, 图 4(a)近似于二阶无穷小, 图 4(b)似于一阶无穷小 , 图 4(c)近似于三阶无穷小。因此采样起始点及宽度如图 4(c)时误差 E 最小 。对于六分频、八分频等情况,同样有上述的结论。
3 实际信号波形的分析
就图 2的实际信号波形(采样频率为工频的四分频)而言, 信噪比大约达到了 50%, 当假设正励磁时间段的采样起始点比负励磁时间段滞后 1 ms, 即相位差Δ为 0.1π, 按上述 3 种采样范围 , 得到的采样误差分别为 0.049、0.309、0.000;如果假设正励磁时间段的采样宽度比负励磁时间段大 0.1π, 即 ξ为0.1π,同样按 3种情况进行采样 , 得到的采样误差分别为 0.024、0.155、0.155 ;如果同时考虑上述两种情况(假设条件不变),得到的采样误差分别为 0.120、0.448、0.139。由此可以看出,在采样宽度及采样起始点位置存在误差时,图 4(c)所示的采样方法无论在哪一种情况下都能更好地克服工频干扰 ,同理论分析的结果相一致。
4 结束语
由上面的分析不难发现 ,在对自来水流量计进行信号处理时 ,采样宽度与采样起始点对测量精度有着较大的影响 ,对采样范围的正确选取 ,将有利于电磁流量
计的测量精度的提高 。
利用上述采样方法进行信号处理时 , 可以更好地消除工频干扰, 使测量时具有高精度和超宽量程, 现在的 自来水流量计即为实现了最大动态量程范围为0.001～ 10 m s 的正负双向流量测量、精度达 0.5%RS(流速在 0.1～ 10 m s), 误差 <0.000 5 m s(流速 <0.1 m s)的高性能自来水流量计。