常興智

（寧夏隆基寧光儀表股份有限公司，寧夏 銀川 750000）

電磁水表基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通過采集流體流過磁場(chǎng)時(shí)的感應(yīng)電壓來測(cè)量流速[1，2]，因其精度高、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等特點(diǎn)具有較大優(yōu)勢(shì)。本文提出了一種低功耗電磁水表的信號(hào)處理方法。主要結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)電容濾波器是基于相敏檢測(cè)技術(shù)，可以用通用運(yùn)放、模擬開關(guān)及一般RC元件等器件組成，有中心頻率穩(wěn)定、電路簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。

1 電磁水表計(jì)量原理

電磁計(jì)量基于法拉第感應(yīng)定律，即當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在電極上感應(yīng)出與導(dǎo)體速度成比例的電壓。根據(jù)感應(yīng)定律，感應(yīng)出的電壓U，與被測(cè)液體的流速v、磁通密度B和內(nèi)管直徑D成比例，如下所示：

式中，B為磁通密度（Wb/m2）；v為導(dǎo)電液體流動(dòng)的平均速度（m/s）；D為管道直徑（m）；dl為導(dǎo)電液體直徑（m）；A為橫截面積（m2）；U為信號(hào)電動(dòng)勢(shì)（V）。

當(dāng)式（1）應(yīng)用于電磁流量計(jì)時(shí)，需要加入校準(zhǔn)因子K，信號(hào)電動(dòng)勢(shì)U表示如下[4]：

式中，K是一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)。信號(hào)電動(dòng)勢(shì)U與液體導(dǎo)電接觸并由管壁上絕緣的電極拾取[6]。流量：

由式（2）、（3），可將流量由信號(hào)電動(dòng)勢(shì)表示：

式中，QV是體積流量（m3/s）。從式（4）中可以看出，當(dāng)磁通密度變化時(shí)，流量與信號(hào)電動(dòng)勢(shì)U成正比。

2 旋轉(zhuǎn)電容濾波器

電極采集的電壓非常弱且?guī)в袕?qiáng)噪聲，從強(qiáng)干擾中提取出有用信號(hào)是一個(gè)重要問題。根據(jù)感應(yīng)信號(hào)與勵(lì)磁源頻率相同的特點(diǎn)，利用鎖相放大器對(duì)淹沒在背景噪聲中的流量信號(hào)進(jìn)行提取。

2.1 旋轉(zhuǎn)電容濾波器原理

鎖相放大器的實(shí)現(xiàn)有模擬和數(shù)字兩種方式。數(shù)字鎖相放大器使用微處理器作為核心部件，模擬輸入信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送到處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。參考信號(hào)也由處理器產(chǎn)生，可以靈活調(diào)整，以適應(yīng)輸入信號(hào)的變化，效果優(yōu)良[5，8]。

圖1 旋轉(zhuǎn)電容濾波器電路圖

然而數(shù)字鎖相放大需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算，不適用于計(jì)算能力較低的嵌入式處理器。模擬鎖相放大電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、濾波性能優(yōu)良，更加適用于電磁水表。

旋轉(zhuǎn)電容濾波器作為鎖相放大器的一種特殊形式，可以實(shí)現(xiàn)濾波和相敏檢測(cè)的功能，由于具有抑制噪聲的能力，對(duì)特定頻率的信號(hào)進(jìn)行放大，在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1為旋轉(zhuǎn)電容濾波器的結(jié)構(gòu)。SW1和SW2是雙刀雙擲（DPDT）電子開關(guān)，其控制信號(hào)是頻率為f0的方波。當(dāng)P（t）為高電平時(shí)，DPDT同時(shí)切換到A端；當(dāng)P（t）為低時(shí)，DPDT同時(shí)切到B端。因此，電流源周期性地由電子開關(guān)改變方向?qū)C電路充電，相當(dāng)于將P（t）乘以+1和-1。

2.2 旋轉(zhuǎn)電容濾波器性能分析

由電子開關(guān)調(diào)制的電流源可以表示為：

當(dāng)P（t）的周期為T0，角頻率為P（t）的傅里葉展開式為：

設(shè)信號(hào)的角頻率為ω，RC并聯(lián)電路的阻抗為：

由于P（t）的調(diào)制，通過Z的電流由不同的頻率組成。對(duì)于每個(gè)元件，RC并聯(lián)電路的阻抗是不同的。對(duì)于元件RC并聯(lián)電路的阻抗可表示為：

因此，輸出電壓V0（t）可以看作與Zn的乘積，表示為：

圖2 旋轉(zhuǎn)電容濾波器電路幅頻響應(yīng)

由式（11）可以看出，旋轉(zhuǎn)電容濾波器等效為中心頻率為（2n-1）f0的梳狀濾波器，其中n=1、2、3，如圖2所示。它對(duì)頻率為f0的分量及其奇次諧波進(jìn)行窄帶濾波，同時(shí)抑制其他頻率的噪聲。輸出是一個(gè)頻率為f0的近似方波，振幅與輸入信號(hào)成比例。RC越大，頻帶越窄，抑制噪聲的能力越強(qiáng)。通過整流和低通濾波，產(chǎn)生與流量線性相關(guān)的直流信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 仿真軟件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用labview和matlab軟件進(jìn)行仿真。信號(hào)采集與處理如圖3所示。自舉放大器充當(dāng)前置放大器，之后信號(hào)被差分放大以消除共模干擾，并發(fā)送到一個(gè)旋轉(zhuǎn)電容濾波器消除剩余的噪聲，最后輸出直流電壓，該直流電壓與流速線性相關(guān)。旋轉(zhuǎn)電容器濾波器從激勵(lì)信號(hào)獲得開關(guān)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)同步。

圖3 信號(hào)采集與處理電路的組成

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

放大電路輸出得到的信號(hào)含有大量的噪聲，無(wú)法對(duì)時(shí)域波形直觀有效地分析，如圖4所示。為了測(cè)試旋轉(zhuǎn)濾波器的信號(hào)處理效果，在頻域內(nèi)對(duì)濾波器的輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行了比較和分析。頻譜分布如圖5、6所示。

圖4 放大器輸入信號(hào)

圖5 濾波器輸入信號(hào)頻譜

圖6 濾波器輸出信號(hào)頻譜

從圖4可以看出，輸入信號(hào)混合了較多的噪聲成分，其頻譜從低頻延伸到高頻區(qū)域，并且幅值都較高。而且在某些頻率點(diǎn)上，噪聲的振幅要比所需信號(hào)的振幅大得多。因此，放大電路輸出的原始信號(hào)必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚聿拍艿玫秸鎸?shí)的流量信息。從圖6中可以看出，旋轉(zhuǎn)電容濾波器處理后的信號(hào)頻譜與圖2中旋轉(zhuǎn)電容濾波器的頻譜基本相同。濾波后的信號(hào)僅在激勵(lì)信號(hào)的基頻及其奇諧波頻率處有較大的峰值。最大值出現(xiàn)在基頻，與流量相關(guān)。這表明旋轉(zhuǎn)電容濾波器可以有效地過濾掉噪聲信號(hào)，其性能符合預(yù)期，可以顯著提高信噪比。

旋轉(zhuǎn)電容濾波器雖然能從強(qiáng)干擾噪聲中提取出微弱信號(hào)，但在某些情況下也有局限性。例如當(dāng)噪聲的頻率與有用信號(hào)相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)電容濾波器無(wú)法將這些噪聲濾除。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是由于電路中存在交變磁場(chǎng)引起的同相噪聲和正交噪聲。由于頻率與勵(lì)磁頻率相同，所以旋轉(zhuǎn)電容濾波器不能將其有效濾除。其次噪聲頻譜較寬，濾波器通帶不夠窄也可能導(dǎo)致濾波器的效果較差。在這種情況下，一些噪聲落入濾波器的邊帶。旋轉(zhuǎn)電容濾波器不能區(qū)分它與實(shí)際的流量信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤的響應(yīng)，最終導(dǎo)致計(jì)量漂移。

對(duì)于第一種情況，應(yīng)對(duì)檢測(cè)電極、傳輸線、信號(hào)采集電路進(jìn)行屏蔽，使信號(hào)線與磁場(chǎng)線完全平行，使通過電路回路的磁通量盡可能低。由于同相噪聲和正交噪聲只與勵(lì)磁頻率和回路中磁通量的變化率有關(guān)，可以被視為系統(tǒng)誤差，并通過校準(zhǔn)加以消除。對(duì)于第二種情況，應(yīng)該盡量最小化通帶寬度。相關(guān)研究表明旋轉(zhuǎn)電容濾波器的總等效噪聲帶寬為：

式中，Be為總等效噪聲帶寬；Ben為奇頻通帶寬度。如式（12）所示，噪聲的通帶寬度可以通過增加RC值來降低，從而使水表計(jì)量的零點(diǎn)穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

如何從強(qiáng)干擾噪聲中提取出弱磁感應(yīng)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)電磁水表計(jì)量的難點(diǎn)之一。采用自舉電路作為前置放大器，可以有效克服源極高阻抗的不利影響，保證采集信號(hào)的質(zhì)量。由于電動(dòng)勢(shì)信號(hào)檢測(cè)電路工作在具有復(fù)雜強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，盡管采用了屏蔽方法，但采集到的信號(hào)不可避免地會(huì)混入各種噪聲。根據(jù)噪聲頻率分布較寬的特點(diǎn)，利用旋轉(zhuǎn)電容濾波器的選頻濾波特性，提取與勵(lì)磁信號(hào)頻率相同的感應(yīng)信號(hào)，得到較為理想的流量信號(hào)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析也證明了上述方法的有效性。