摘　要：采(cai)用帶阻濾(lü)波的信号(hao)處理方法(fa)，處理低頻(pin)矩形波💚勵(li)🔱磁下由傳(chuan)感器輸出(chu)的信号，有(you)效抑制工(gong)頻幹擾。結(jie)果表明，系(xi)統測量精(jing)度優于0.4％，達(da)到了工業(ye)測量标準(zhun)。
0　引言
　　電磁(ci)流量計 原(yuan)理爲法拉(la)第電磁感(gan)應定律，主(zhu)要由流量(liang)常感器和(he)變送器組(zu)成。電磁流(liu)量計有許(xu)多良好性(xing)能，如結構(gou)簡單、較🏃‍♂️強(qiang)的耐腐蝕(shi)性、較高的(de)穩定性、較(jiao)高的精度(du)等，在給供(gong)水、鋼鐵、石(shi)油、煤炭♍、化(hua)工、醫療、航(hang)海、農業灌(guan)溉等領域(yu)有着廣❄️泛(fan)應用［1］。流🌈量(liang)傳感器的(de)主要作用(yong)是當流經(jing)導管内的(de)導電液體(ti)做切割磁(ci)感線運🛀動(dong)時，會産生(sheng)電動勢，将(jiang)導電液體(ti)的體積流(liu)量轉換成(cheng)需要的電(dian)信号，再傳(chuan)送給變送(song)器作進一(yi)步處理。變(bian)送器主要(yao)由勵磁電(dian)路、濾波電(dian)路、前置放(fang)大調整電(dian)路、采樣📧電(dian)路、電流信(xin)号輸出電(dian)路及脈沖(chong)信号輸出(chu)電路組成(cheng)。
　　電磁流量(liang)技術的發(fa)展主要體(ti)現在勵磁(ci)方案改進(jin)和信号處(chu)理算法優(you)化方面。電(dian)磁流量計(ji)的勵磁方(fang)案直接決(jue)定了其抗(kang)👌幹擾性能(neng)和零點的(de)穩定性。信(xin)号處理的(de)重點是幹(gan)擾噪聲去(qu)除，其中主(zhu)要的幹擾(rao)是工頻幹(gan)⁉️擾、同相幹(gan)擾、正交幹(gan)擾、極化現(xian)象、白噪聲(sheng)幹擾和零(ling)點偏移。采(cai)用直流勵(li)磁方案，将(jiang)不會産生(sheng)☔渦流效應(ying)，并且有着(zhe)較小的正(zheng)交幹擾和(he)同相幹擾(rao)；采用正弦(xian)波勵磁方(fang)案，可以很(hen)好地控制(zhi)極化現象(xiang)産生，并有(you)着良好的(de)🐇抗噪能力(li)；采用低💋頻(pin)矩形波勵(li)磁方案，兼(jian)顧直流勵(li)磁和正弦(xian)波勵磁的(de)優點，因此(ci)應用廣泛(fan)。
　　本文采取(qu)低頻矩形(xing)波勵磁方(fang)案。可導電(dian)的流體切(qie)割磁感線(xian)，從而在電(dian)極上會有(you)電動勢産(chan)生，但是電(dian)壓十分弱(ruo)🙇🏻，流量傳感(gan)🤟器的㊙️輸出(chu)信号會受(shou)工頻幹擾(rao)，帶來較低(di)的信噪比(bi)，特别是在(zai)導電液體(ti)流速較低(di)的情形下(xia)，有效的流(liu)量信号可(ke)能完全被(bei)噪聲信号(hao)🚶‍♀️覆蓋。本文(wen)在采取低(di)頻矩形波(bo)勵磁條件(jian)下，在現有(you)信号處理(li)方法的基(ji)礎上，采取(qu)巴特沃斯(si)帶阻濾波(bo)信号處理(li)方法，可以(yi)有效💔消除(chu)50HZ的工頻幹(gan)擾［2］，以此來(lai)提高流量(liang)傳感器輸(shu)出信号的(de)信噪比，并(bing)💯在MSP430上實現(xian)🛀，可有效處(chu)理水流量(liang)信号。通過(guo)标準表标(biao)定實驗，擁(yong)有較爲理(li)想的測量(liang)精度和重(zhong)複性。
1　帶阻(zu)濾波方法(fa)
1.1　算法原理(li)及推導
　　流(liu)量傳感器(qi)的輸出信(xin)号和被測(ce)導電液體(ti)的流速之(zhi)間💁存在一(yi)定的線性(xing)關系。在理(li)想條件下(xia)，采用低頻(pin)矩形波📞勵(li)磁方式時(shi)，從流量傳(chuan)感器輸出(chu)信号，頻率(lü)和勵磁電(dian)流相同，并(bing)且輸出信(xin)号的幅值(zhi)和導電🤞液(ye)體的流⛹🏻‍♀️速(su)之間成比(bi)例關系。但(dan)是，實際中(zhong)，流量傳感(gan)器的輸出(chu)信号會受(shou)到🚶多種噪(zao)聲的幹擾(rao)，經常會✏️摻(chan)雜着如微(wei)🌈分幹擾、串(chuan)共模幹擾(rao)、同相幹擾(rao)等🐪幹擾，使(shi)流量信🏃🏻号(hao)和噪聲不(bu)能很好分(fen)離🔞，可用方(fang)程（1）表示［3］：

　　式(shi)中，BDV是模拟(ni)流量信号(hao)。通過對流(liu)量傳感器(qi)輸出信号(hao)進行分析(xi)，可以發現(xian)輸出信号(hao)有着較寬(kuan)的頻率😄範(fan)圍，所以采(cai)用常規的(de)低🌈通濾波(bo)很難将噪(zao)聲去除。針(zhen)對流❌量傳(chuan)感器輸出(chu)信号的特(te)點，利用現(xian)有的模拟(ni)濾波器設(she)計公式🔆，實(shi)現巴特沃(wo)斯帶阻濾(lü)波器的🚩設(she)計，其系統(tong)傳遞函數(shu)可以表示(shi)爲：

　　因此，設(she)計巴特沃(wo)斯帶阻濾(lü)波器的實(shi)質就是要(yao)明确帶寬(kuan)，并确定階(jie)數N，在MATLAB中完(wan)成濾波器(qi)的設計，并(bing)找出系數(shu)B、a，使其滿足(zu)預設的技(ji)術要求。
1.2　濾(lü)波器實現(xian)
　　電磁流量(liang)計的頻率(lü)輸出範圍(wei)由實際應(ying)用場景決(jue)定❗，本文假(jia)設其範圍(wei)0～100HZ。依據奈奎(kui)斯特抽樣(yang)定理，爲了(le)無失真地(di)恢複出采(cai)樣信号，取(qu)樣頻率爲(wei)采樣頻率(lü)⚽的2倍，即🔞200HZ。爲(wei)了去除50HZ工(gong)頻❓幹擾，選(xuan)取49HZ的下限(xian)截止頻率(lü)；選取51HZ的上(shang)限截止頻(pin)👨‍❤️‍👨率；折疊頻(pin)率爲采樣(yang)頻率的1/2，取(qu)Ｍ＝100；對通帶頻(pin)率作歸一(yi)化處理，取(qu)Ｗｐ

　　衰減取值(zhi)3dB，即ｐ＝3；阻帶頻(pin)率取值20dB，即(ji)s=20；确定階數(shu)N和截止頻(pin)率WC，［NWC］＝buttord（WP,WS,P,ｓ）；最後确(que)㊙️定巴特沃(wo)斯帶阻濾(lü)波器，［Ｈ］＝butter（N，WC，＇stopl＇）；通過(guo)MATLAB，設計出巴(ba)特沃斯帶(dai)阻濾波器(qi)［6］，再繪🚩制巴(ba)特沃斯帶(dai)阻濾波器(qi)的幅頻響(xiang)應曲線和(he)相頻響應(ying)曲線，如❌圖(tu)1所示：

2　MATLAB仿真(zhen)
　　爲了驗證(zheng)信号處理(li)算法的可(ke)行性，需在(zai)MATLAB中模拟工(gong)業現場下(xia)的傳感器(qi)輸出信号(hao)。因爲從流(liu)量傳感器(qi)獲取的電(dian)壓信号十(shi)分弱，尤其(qi)在導電液(ye)體流速較(jiao)小的情形(xing)下，有用信(xin)号可能會(hui)淹沒在各(ge)種噪聲中(zhong)。所以在MAT-LAB仿(pang)💋真時，要參(can)考實際環(huan)境下輸出(chu)信号，模拟(ni)🤞的傳感器(qi)輸出信号(hao)，要摻雜着(zhe)工頻幹擾(rao)、同相幹擾(rao)🔞、白噪聲等(deng)幹擾。在導(dao)電液體的(de)流速小于(yu)1ｍ/ｓ情形下，流(liu)量傳感器(qi)🏃‍♀️能獲取到(dao)的電壓小(xiao)于10ｍV。本文采(cai)用取低頻(pin)矩形波勵(li)磁的勵磁(ci)🍓方案，選取(qu)50HZ工頻的1/8作(zuo)勵磁頻率(lü)，即6.25HZ。因此，本(ben)文模拟輸(shu)出信号：

　　式(shi)（3）中，等号右(you)邊的各項(xiang)依次表示(shi)所需的流(liu)量信号、工(gong)頻幹🌏擾、零(ling)漂、白噪聲(sheng)。産生的信(xin)号如圖2所(suo)示。
通過MATLAB，對(dui)模拟的傳(chuan)感器輸出(chu)信号進行(hang)巴特沃斯(si)帶阻濾波(bo)，從圖3中可(ke)以看出噪(zao)聲在一定(ding)程度上被(bei)消除，具體(ti)哪種噪💔聲(sheng)被去除，可(ke)以通過對(dui)信号作傅(fu)裏葉變換(huan)，得到相應(ying)的頻譜。使(shi)用巴特沃(wo)📧斯帶阻濾(lü)波器濾波(bo)前⁉️後的對(dui)比結果如(ru)圖3所示。


　　分别對(dui)上一步濾(lü)波前後的(de)信号進行(hang)ＦＦＴ變換，得到(dao)頻譜✉️圖，這(zhe)一步♊是通(tong)過MATLAB實現的(de)，濾波前後(hou)的頻譜對(dui)比如圖❓4所(suo)示☀️。
　　通過MATLAB，對(dui)信号處理(li)算法進行(hang)仿真，分别(bie)對濾波前(qian)後的波形(xing)圖、頻譜圖(tu)進行對比(bi)，發現此濾(lü)波方法可(ke)以㊙️有效濾(lü)除50HZ工頻幹(gan)擾，驗證了(le)所設計的(de)濾波方法(fa)的可行性(xing)。
3　基于MSP430的算(suan)法實現
3.1　系(xi)統硬件介(jie)紹
　　基于ＴＩ公(gong)司的MSP430芯片(pian)，研制了電(dian)磁流量計(ji)的變送器(qi)，此芯片是(shi)16位超低功(gong)耗混合型(xing)微處理器(qi)［７］，并且具有(you)豐富的外(wai)設🌈，方便系(xi)統功能⚽擴(kuo)展。硬件原(yuan)理如圖5所(suo)示，由前置(zhi)㊙️放大調理(li)電路、勵磁(ci)電👌路、電流(liu)信号輸出(chu)電路、脈沖(chong)信号輸出(chu)電路、LCD顯示(shi)、鍵盤、RS232模塊(kuai)、開關電源(yuan)構成。前置(zhi)放大調理(li)電路主🔆要(yao)完成對電(dian)🚩極信号的(de)放大、V/F轉換(huan)等功能💋，電(dian)流輸出模(mo)塊實現4～20ｍA電(dian)流輸出，脈(mo)沖輸出模(mo)塊實現脈(mo)沖量的輸(shu)出，LCD和按🤩鍵(jian)用于配置(zhi)和顯🈚示流(liu)量相關參(can)數，RS232用于通(tong)訊，開關電(dian)源用于給(gei)系統提供(gong)直流電壓(ya)。


3.2　系統軟(ruan)件設計
　　本(ben)系統軟件(jian)設計模塊(kuai)化的，都是(shi)由主監控(kong)程序調用(yong)分👨‍❤️‍👨配‼️。軟🏃‍♂️件(jian)部分主要(yao)包括：初始(shi)化模塊、通(tong)信模塊、Watchdog模(mo)塊、信号處(chu)理模塊🔞、驅(qu)動模塊等(deng)。總體框架(jia)如圖6所示(shi)。

　　通過(guo)MSP430控制驅動(dong)模塊産生(sheng)勵磁電流(liu)，以此激勵(li)流量傳感(gan)器的勵㊙️磁(ci)線圈，從而(er)将導電液(ye)體的流量(liang)信号轉換(huan)爲微弱的(de)電動勢，再(zai)對其進行(hang)放大調理(li)、整流濾波(bo)和偏置調(diao)整，最後送(song)到AD652進行V/F采(cai)樣［8］。在本文(wen)設計👅的電(dian)磁流量計(ji)中，采用帶(dai)阻濾波的(de)方法對信(xin)号進💜行實(shi)時處理，得(de)到流量信(xin)号的幅值(zhi)，再結合儀(yi)表的🌍相應(ying)參數，将幅(fu)🙇🏻值轉換成(cheng)需要的流(liu)量信号，再(zai)通過Modbus将流(liu)量信息傳(chuan)送至上位(wei)機。
3.3　實驗結(jie)果
　　通過水(shui)流量标定(ding)實驗驗證(zheng)帶阻濾波(bo)算法的可(ke)行性。标定(ding)方法⛱️有标(biao)準表标定(ding)法和稱重(zhong)标定法，采(cai)取标準表(biao)标🏃🏻定法，将(jiang)被👉測表😍的(de)測量結果(guo)和标準表(biao)的測量結(jie)🈲果進行比(bi)較。結合相(xiang)關❤️的參數(shu)，計算出系(xi)統的測量(liang)精🤞度和重(zhong)複性，實驗(yan)結♊果如表(biao)1所示。

　　從上(shang)述實驗結(jie)果可知，在(zai)頻率是6.25HZ的(de)矩形波勵(li)磁下✔️，在流(liu)量範圍是(shi)20～200ｍ3/ｈ的條件下(xia)，得到電磁(ci)流量計的(de)測量精度(du)高于♊0.4％，達到(dao)了工業測(ce)🌍量要求。
4　結(jie)語
　　本文主(zhu)要針對電(dian)磁流量計(ji)的50HZ工頻幹(gan)擾，提出采(cai)用巴特💛沃(wo)斯帶💋阻濾(lü)波的信号(hao)處理方法(fa)。爲了驗證(zheng)濾波算法(fa)的可行性(xing)，并測試電(dian)磁流量計(ji)的測量精(jing)度，采用标(biao)準表标定(ding)法進行了(le)水流量标(biao)💁定。

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