隨著微電子技術(shù)的發(fā)展, 電磁流量計(jì)的技術(shù)性能有了進(jìn)一步的提高,應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。由于其具有對(duì)液體適應(yīng)性較強(qiáng)的特點(diǎn),在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,成為測(cè)量流體流量的儀表。

在現(xiàn)行的電磁流量計(jì)中,低頻矩形波勵(lì)磁方式已成為主要的勵(lì)磁方式,為了解決工頻干擾問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流速感應(yīng)電勢(shì)eab信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量,需利用以下基本關(guān)系: ①勵(lì)磁周期為工頻周期的整數(shù)倍,即勵(lì)磁頻率為50Pn Hz ( n 為偶數(shù)) ; ②正負(fù)勵(lì)磁下的同相位采樣。圖1 是對(duì)應(yīng)低頻矩形波勵(lì)磁形式下的典型電勢(shì)信號(hào)形式,按上述關(guān)系在一個(gè)勵(lì)磁周期下,若假設(shè)t1 和t2 點(diǎn)為工頻干擾的等效干擾點(diǎn),且采樣寬度T = T1 = T2 ,則eab的基本算式[1 ,2 ] 為
μ0 ( t2 ) =1/2 T [ t1∫+ T1t 1 e ( t1 ) d t- t2∫+ T2t 2 e ( t2 ) d t ]= eab1
 
圖1 基本信號(hào)關(guān)系
上式說(shuō)明電磁流量計(jì)的工頻干擾在理論上有了可克服的途徑,但其方法是以同相位( t1 = t2 ) ,同寬度采樣( T1 = T2 = T) 為前提的。顯然在實(shí)際情況下,是不可能*這兩個(gè)前提的,采樣的相位與寬度不可避免地存在著誤差,如何減少采樣誤差正是本文所要
討論的問(wèn)題。
1 工頻干擾對(duì)流量信號(hào)的影響
當(dāng)流體流速較大時(shí),工頻干擾可以忽略,并不是沒(méi)有,而是影響不敏感,這是相對(duì)感應(yīng)電勢(shì)的值與工頻干擾的大小比較而言的;而當(dāng)激勵(lì)電流減小(減小勵(lì)磁電功率) 或流體流速較小時(shí),發(fā)現(xiàn)工頻干擾值在與反映流速的信號(hào)值在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上,這時(shí)工頻干擾又顯得
十分敏感[3 ] 。圖2 即為小流量、激勵(lì)電流< 70 mA 時(shí),利用反饋式信號(hào)放大處理方法放大了104 數(shù)量級(jí)倍的信號(hào)波形[4 ] 。從圖中可以看出工頻干擾在實(shí)際信號(hào)中占的比例相當(dāng)大,如果不正確地消除工頻干擾,就無(wú)法得到令人滿意的測(cè)量結(jié)果。
2 信號(hào)采樣方法的分析
*以來(lái),在對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行信號(hào)處理時(shí),人們 電磁流量計(jì)中的抗工頻干擾問(wèn)題往往忽略了對(duì)信號(hào)采樣方法的分析。實(shí)際上,采樣的區(qū)域、寬度、對(duì)稱(chēng)度及采樣的起始點(diǎn)的選取,特別是在小流量情況下,對(duì) 電磁流量計(jì)的測(cè)量精度有較大的影響。為了說(shuō)明問(wèn)題,下面對(duì)勵(lì)磁頻率為工頻的兩分頻和四分頻的情況進(jìn)行分析。
2. 1 采樣頻率為工頻的兩分頻
采樣頻率為工頻的兩分頻如圖3 所示。
設(shè)α、β為信號(hào)采樣起始相位角; T 為采樣寬度;ξ為采樣寬度誤差,令β=α+ 2π+ Δ(Δ 為采樣相位誤差) ,則其采樣信號(hào)誤差為
E =α∫α+ T+ξsin td t -  β∫β+ T+ξsin td t
= cosα- cos (α+ T + ξ) + cos (β+ T + ξ) - cosβ
= cosα- cos (α+ T + ξ) + cos (α+ 2π + Δ + T + ξ)- cos (α+ 2π + Δ)
= cosα- cos (α+ T + ξ) + cos (α+ Δ + Τ + ξ) - cos (α+ Δ)
= - 4sinΔ/2sinT + ξ/2cos (α+Δ/2+T + ξ/2)
當(dāng)采樣寬度相對(duì)于t =π/2 時(shí),即α+ T/2 =π/2 ,此時(shí)
E = 4sinΔ/2sinT + ξ/2sin( Δ/2+ξ/2) | Δ,ξ →0
= (Δ2 + Δξ) sinT/2+ (Δ2ξ/2+Δξ2/2) costT/2
當(dāng)T =π/2 , E =√2/2(Δ2 + Δξ+Δ2ξ/2+Δξ2/2) , T 無(wú)論為何
值,總是存在近似于二階無(wú)窮小的采樣誤差,所以干擾不可能*消除掉。
2. 2 采樣頻率為工頻的四分頻
圖4 (a) ～ (c) 直觀地描述了不同采樣寬度及采樣起始點(diǎn)位置對(duì)流量信號(hào)的影響。設(shè)α,β為信號(hào)采樣起始相位角,令β=α+ Δ,Δ為相位差;ξ為采樣寬度誤差;α、β、Δ都很小,可視為無(wú)窮小。
圖4 (a) 的采樣寬度為π+ξ,誤差為
E =∫π+α+ξαsin td t -∫5π+β+ξ4π+βsin td t
= cos (π + β+ ξ) - cos (π + α+ ξ) + cosα- cosβ
= cos (π + α+ Δ + ξ) - cos (π + α+ ξ) + cosα- cos (α+ Δ)
= 4sinΔ2sin(α+Δ2+ξ2) cosξ2
≌ (2αΔ + Δ2 + Δξ) cosξ2| ξ →0
≌ 2αΔ + Δ2 + Δξ
圖4 (b) 的采樣寬度也為π+ξ,但是采樣起始點(diǎn)向
左平移了πP2 ,誤差為
E =∫ 3π2+α+ξπ2αsin td t -∫11π2 +β+ξ9π2+βsin td t
= sin(β+ ξ) - sin(α+ ξ) + sinβ- sinα
= sin(α+ Δ + ξ) - sin(α+ ξ) + sin(α+ Δ) - sinα
= 4sinΔ2cos (α+Δ2+ξ2) cosξ2µ 2Δ
圖4 (c) 的采樣寬度為2π+ξ,誤差為
E =∫ 7π2+α+ξ3π2αsin td t -∫15π2 +β+ξ11π2 +βsin td t
= sin(β+ ξ) - sin(α+ ξ) + sinβ- sinα
= sin(α+ Δ + ξ) - sin(α+ ξ) + sinα - sin(α+ Δ)
= 4sinΔ2sin(α+Δ2+ξ2) sinξ2
≌ Δαξ+12Δ2ξ+12Δξ2
圖4 不同采樣寬度及起始點(diǎn)位置對(duì)流量信號(hào)的影響
從以上算式可以看出,3 種采樣范圍都存在著誤差,就采樣誤差而言,圖4 (a) 近似于二階無(wú)窮小,圖4(b) 似于一階無(wú)窮小,圖4 (c) 近似于三階無(wú)窮小。因此采樣起始點(diǎn)及寬度如圖4 (c) 時(shí)誤差E zui小。對(duì)于六分頻、八分頻等情況,同樣有上述的結(jié)論。
3 實(shí)際信號(hào)波形的分析
就圖2 的實(shí)際信號(hào)波形(采樣頻率為工頻的四分頻) 而言,信噪比大約達(dá)到了50 % ,當(dāng)假設(shè)正勵(lì)磁時(shí)間段的采樣起始點(diǎn)比負(fù)勵(lì)磁時(shí)間段滯后1 ms ,即相位差Δ為0. 1π,按上述3 種采樣范圍,得到的采樣誤差分別為0. 049、0. 309、0. 000 ;如果假設(shè)正勵(lì)磁時(shí)間段的采
樣寬度比負(fù)勵(lì)磁時(shí)間段大0. 1π,即ξ為0. 1π,同樣按3種情況進(jìn)行采樣,得到的采樣誤差分別為0. 024、0.155、0. 155 ;如果同時(shí)考慮上述兩種情況(假設(shè)條件不變) ,得到的采樣誤差分別為0. 120、0. 448、0. 139。由此可以看出,在采樣寬度及采樣起始點(diǎn)位置存在誤差
時(shí),圖4 (c) 所示的采樣方法無(wú)論在哪一種情況下都能更好地克服工頻干擾,同理論分析的結(jié)果相一致。
4 結(jié)束語(yǔ)
由上面的分析不難發(fā)現(xiàn),在對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行信號(hào)處理時(shí),采樣寬度與采樣起始點(diǎn)對(duì)測(cè)量精度有著較大的影響,對(duì)采樣范圍的正確選取,將有利于電磁流量計(jì)的測(cè)量精度的提高。
利用上述采樣方法進(jìn)行信號(hào)處理時(shí),可以更好地消除工頻干擾,使測(cè)量時(shí)具有高精度和超寬量程,現(xiàn)在的LB02C 電磁流量計(jì)即為實(shí)現(xiàn)了zui大動(dòng)態(tài)量程范圍為0. 001～10 mPs 的正負(fù)雙向流量測(cè)量、精度達(dá)0. 5 %RS(流速在0. 1～10 mPs) ,誤差< 0. 000 5 mPs (流速<0. 1 mPs) 的高性能 電磁流量計(jì)。