电磁流量计信号处理技术的发展现状
电磁流量计信号处理技术的发展现状
在现代高科技的渗透下，现代信号处理技术的应用是消除干扰、改善信噪比、提高流量测量的精度和稳定性的一个重要途径。国外研究者曾提出不少方法信号处理水平来消除干扰，如提高采样速率消除低频干扰【8】、通过实时补偿消除工频干扰【91增加采样次数消除泥浆干扰【10】等。但这些信号处理的方法只适用于消除特定干扰的影响，不能全面地提高电磁流量计综合性能。基于微处理器技术和智能化技术，电磁流量计的发展要求信号处理技术从系统的角度出发，提高信号生成、信号获取和信号放大等各个环节的综合水平。
1．反馈式信号处理技术
在电磁流量计技术中，一般地，如果励磁频率高，则动态响应快、流动噪声和泥浆干扰影响小，但零点不稳定；如果励磁频率低，则动态响应慢、流动噪声和泥浆干扰影响大，但零点较稳赳11】。现代电磁流量计从改进信号放大处理方法出发，采用反馈式信号处理技术解决零点稳定性和动态响应的矛盾关系，减小各种干扰对检测的影响，提高电磁流量计的整体性能。反馈式信号处理技术的设计思路是除前向通道外，在信号处理环节中加入信号反馈通道构成闭环系统，实现对流量信号的负反馈补偿，以消除零点漂移、泥浆噪声等各种干扰的影响。近十年来，人们不断地设计出反馈信号处理方法的电磁流量计。
早期的反馈式信号处理技术显著的特点是反馈信号从信号放大输出端直接取得、按励磁频率或在特定的条件下进行信号反馈。由于设计方法的缺陷，这些反馈式信号处理方法在放大信号、动态消除零点漂移及其它干扰等方面的效果并不明显，不能从根本上提高电磁流量计整体性能。
后来提出了零点漂移反馈法，其特点是通过两个采样保持器输出端上两个电阻的中点电压来获取零点漂移值，反馈回放大器输入端对流量信号进行补偿。在流量稳定的情况下，零点漂移反馈法可使用最小励磁周期(工频周期的1倍)， 并能在动态消除零点漂移的情况下有效地放大感应电势信号。但当流速变化时， 零点漂移反馈经多个励磁周期才能达到应有的响应值，其对信号的动态响应时间一般至少是对应励磁周期的3倍。零点漂移反馈法另一个缺陷在于当外界干扰或零点漂移过大，使运放输出电压饱和，则会出现反馈信号为零无法消除零点漂移的情况。
1999年，李斌结合了早期反馈式信号处理方法和零点漂移反馈法的各自优点，提出了一种基线控制的反馈式信号处理方法【12】【13】。基线控制信号处理法将矩形负(或正)恒定励磁段下的某个信号值作为信号的相对基线值，经放大器放大后直接送入基线调节器与期望基线值进行比较，实现以基线为标准的平移控制。放大后的信号经过两个采样保持器的操作输入到差分减法器实现高精度减法，最终获得精确的流量信号。基线控制法能在消除零点漂移的基础上，采用较高励磁频率实现电磁流量计高动态响应的特性，同时又有效地放大了信号，使低励磁电流下的测量也具有较高的信噪比。
2．反馈式励磁控制技术
基于电磁感应原理，在外加磁场的作用下反映流量值的电信号才能生成。以往，电磁流量计的设计往往采用在励磁线圈中加大小恒定电流的方法来形成励磁磁场。当励磁电流大，磁场增大，感应电势信号大，信噪比提高，但功耗大，反之则功耗减小，感应电势信号减小，信噪比降低。然而电磁流量计的本质安全防爆问题又限定了励磁电流增大的上限，因此在小流量测量时，电磁流量计的信号处理存在极大的困难。
随着微处理器技术的发展，在现代电磁流量计中人们采用基于微处理器的励磁控制方式，即把检测到的流量值或磁场场强值送入微处理器并由微处理器根据检测值来控制励磁电流，保持测量的信噪比为一个常数或在一定范围内波动。国内在90年代初就有采用Pm反馈控制法和滑模变结构法实现反馈式励磁控制的电磁流量计【ll】，但精度较低；国外提出过各种反馈式励磁控制技术的设计方法【14】【15】【16】。
为了消除零点漂移，国外给出了一种采用反馈式励磁控制技术【171。励磁磁场改变方向后，穿过测量电极、导线和导电流体构成的传感回路的磁力线会使测量电极上有感应电势产生，这是形成了零点漂移的根本原因。传感回路通常不垂直于测量管道轴向而且经常变动。该在原来励磁线圈的基础上增加两对小线圈，通过分析检测到的流量信号，微处理器动态调节两对小线圈生成磁场的大小，使这个磁场与励磁线圈磁场的矢量和与传感回路平行，避免有磁力线穿过传感回路，从而达到消除零点漂移的目的。同时这两对小线圈生成磁场矢量和与流动方向平行，对流量测量不会带来干扰。综上所述，采用反馈式励磁控制技术对于改善信噪比、减小信号处理的难度、降低系统的平均功耗是非常有帮助的。测量精度的提高和反馈控制策略的选择是反馈式励磁控制电磁流量计推广应用亟需解决的问题。
3．多信息融合的信号处理技术
除了从闭环系统的角度出发采用反馈式控制的方法，基于多信息融合信号处理技术的提出和应用提高了电磁流量计的信号处理能力，使电磁流量计的整体性能又上升了一个台阶。
在现代智能型电磁流量计中，典型的多信息融合信号处理技术的应用就是双频矩形波励磁技术。针对低频矩形波励磁零点稳定而高频矩形波励磁动态响应好抗力强，日本横河电机株式会社于1988年提出了双频矩形波励磁技术【18】。国内也开展了类似原理电磁流量计的研究工作【l 9】。其原理是使用高频矩形波电压(几十赫兹)叠加到低频矩形波电压(几赫兹)后形成双频调制的矩形波来驱动励磁线圈。测量电极输出高低频两种信息融合的感应电势信号，分别使用高、低频信号放大解调电路对信号进行解耦处理。当流量稳定时，以低频分量为主的流量信号被高通滤波器阻挡，只能通过低通滤波输出，因而具有较好的零点稳定性；当流量变化时，以高频分量为主的流量信号被低通滤波器阻挡，只能通过高通滤波输出，因而具有较好的动态响应性能。双频矩形波励磁技术通过对高、低频励磁产生的两类相互融合的感应电势信号进行分解处理，解决了零点稳定性和动态响应速度的矛盾关系。但双频矩形波励磁技术还存在以下值得探讨的问题：
1．信号解耦处理环节，当流量波动，低通滤波和高通滤波同时有信号输出时，如何对两种频率的感应电势信号进行融合处理，以保证测量的精度。
2．高频率的励磁电流使矩形波励磁磁场产生失真现象，尤其是在测量管道口径增大的情况下【201。自双频矩形波励磁技术提出以后，国外又出现了几种不同形式的双频或多频励磁技术，例如，Wada提出在双频励磁电磁流量计中用一个励磁线圈进行低频励磁，用一个安装高质量铁芯的高频励磁线圈消除高频励磁磁场失真的情况【18】；T0m妇采用一个励磁线圈高、低频(或三个频率)励磁电流间隔励磁生成高频和低频感应电势信号，通过放大、采样保持及CPu综合处理得到精确的流量信号，能起到消除零点漂移和流动噪声的作用【211。多电极电磁流量计也是一种多信息融合技术的应用。通过在测量管道中安装多对测量电极，可以获取管道中各处的流量信息，实现不受流速分布不均影响的流量测量。国外在这方面有较多的报道【22】【23】。但多电极电磁流量计的检测器结构复杂，而且一般地可以加上直管端来减小流速分布不均对测量的影响，因此多电极电磁流量计在实际使用中并不多见。
在提高电磁流量计性能的基础上，多传感器集成式智能电磁流量计的出现可以实现多参数、多信息的测量，拓展了电磁流量计的应用领域。参考文献[24】给出了一种集成式浆体浓度流量传感器，可以取代目前工程应用中配置多种测量仪表测量浆体浓度和流量的方法。通过在电磁流量计电极上集成超声波浓度传感器和温度传感器实现浆体流量、浓度和温度三参数的测量，并在消除流量信号和浓度信号互耦合和互干扰的基础上，对流速、浓度和温度进行修正，提高浆体浓度流量的检测水平。扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、V锥流量计、V型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入涡街流量计、智能涡街流量计，更多信息请访问开封中仪网站：
