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电磁流量计

基于DSP的电磁流量计信号处理系统阈值偏置调整方法

        电磁流量传感器输出信号存在低频漂移的偏置干扰,若不处理就直接放大,会使运放饱和,导致电磁流量计无法正常工作。一种基于阈值控制的偏置调节方法。在系统初始化阶段,计算偏置调节系数K;在流量测量过程中,根据阈值判断信号是否需要调整偏置;若需要调整,则在下一个励磁周期的开始时刻更新DAC输出,一次性将信号偏置调整回零伏附近。该方法避免了频繁调节偏置,保留了信号的原始特性,便于后续处理。针对调整过程所产生的阶跃干扰,改进了数字信号处理算法,确保测量精度。仿真实验和实际水流量标定实验证明,该偏置调整方法是可行的和有效的。

        电磁流量计由于其结构简单、内部无阻流部件的特性,广泛应用于水、水煤浆、纸浆的体积流量测量。电磁流量传感器输出信号中往往含有大量的噪声:微分干扰、同相干扰,极化干扰、流动噪声、浆液噪声,串模干扰、共模干扰。其中,极化噪声和流动噪声具有低频随机漂移特性,造成传感器输出信号偏置的变化,被称为偏置干扰。通常情况下,在传感器输出信号中,流量信号的幅值远小于偏置干扰的幅值。若直接对含有偏置的流量信号进行放大,就会使运放饱和,无法进行后续的处理,电磁流量计就不能正常工作。传统的解决方法是,在信号放大前进行高通滤波,去除偏置量。但是,这会导致传感器动态特性变差,低频励磁信号基波衰减,影响测量精度。针对这一问题,国外提出一种漂移信号周期反馈的方法,将正负励磁下的信号均值作为反馈量输出,调节偏置。国内也相应研究了3种偏置调整方法:1)零点动态互补相关的方法,将3值方波励磁的流量信号通过采样保持器分解为两路带有互补零点的信号,进行零点互补动态校正。2)反馈式信号放大处理方法,在矩形波的正向或负向励磁时对信号进行反馈调节,将流量信号调整到基准。这种方法能够动态消除零漂,对微弱流量信号进行高增益的线性放大,优于方法1)。3)基线控制的反馈式信号处理方法,在零励磁过程对信号进行基线反馈调节,将零励磁时的信号调整到设定基准。方法3)在零励磁时进行调整,给正向或负向励磁信号的处理提供了更多的时间,有利于进一步提高信号测量精度,优于方法2)。然而,方法2)和3)都要在每个周期内进行一次偏置调整,调整非常频繁,当信号偏置电压波动较快时,则在调偏置处可能会产生明显的阶跃跳变,这种干扰有可能影响测量精度;当励磁频率较低时,在同一周期内的信号偏置量也会发生变化,若仅采用当前周期的信号幅值进行解调,则将引入误差。

提出了一种基于阈值控制的偏置调节方法,并在基于DSP的电磁流量计信号处理系统上实时实现。该方法适用于方波励磁和三值波励磁的场合,配合相应的信号处理方法,不需要周期性地调整偏置。当信号在阈值电压范围内时,不进行偏置调节,这样保证了传感器输出信号的连续性,有利于后续的滤波等处理;当信号超过阈值时,通过DAC输出偏置调节电压,将传感器输出信号调整到0附近,并对后续的信号处理方法进行改进,以消除偏置调整时所产生的阶跃干扰的影响。

2 基于阈值控制的偏置调节方法

传感器输出信号的偏置电压较大,信号放大后容易达到ADC输入幅值的极限,若不进行偏置调整就会导致ADC饱和,如图1所示。

图1 传感器输出信号导致ADC饱和

为了避免ADC饱和以至于无法采集流量信号需要对传感器输出信号进行实时监测,所得波形,如图2所示。上电初始化阶段先不输出励磁,计算DAC输出值与传感器输出信号偏置变化量的对应关系,得到偏置调节系数K;系统开启励磁测量流量时,实时判断传感器输出信号是否超过设定阈值。如果超过阈值,则根据偏置调节系数K和输出偏置量,将信号偏置调整到零伏附近;在信号处理上,由于偏置调整造成信号产生阶跃跳变,需要对阶跃信号做特殊处理,降低其对计算结果的影响。

图2 偏置调节原理

2.1 计算偏置调节系数

根据偏置调整电路,DAC输出变化量与传感器输出信号偏置变化量存在线性关系K,根据K可以计算出需要的DAC码值,一次性地将信号偏置调整到目标位置。系统采用一款10位DAC-TLC5615进行偏置调节,输出电压范围0~5V,蕞小变化量为5/210≈0.005V。

考虑到不同硬件电路参数存在差异,系统在上电初始化阶段先不使能励磁模块,在无励磁状态下将传感器输出调整到±0.5V之内,计算平稳段偏置量amp1。之后给DAC输出增加0.005V,以调节偏置,等信号稳定后计算此时的偏置量amp2。于是,偏置调整系数K=(amp1-amp2)/0.005。

2.2 偏置调整步骤

上电初始化结束,系统使能励磁模块,传感器输出信号。为减少微分干扰的影响,仅使用每半周期信号的后1/4平稳段的数据参与计算,记为sig。考虑到ADC输入电压范围是±2.5V,设置偏置调整阈值Vlimit=±2V。

当信号sig≥2V或sig≤-2V,将偏置调节标志置为 1,计算偏置变化量ΔDVDAC:

 (1)

并在下一个周期的开始时刻更新DAC输出压电VDAC,一次性地将输入信号偏置调整回0V附近。

 (2)

2.3 信号处理过程

偏置调整时,流量信号产生了向上或向下的阶跃跳变,给后续处理引入了阶跃干扰。基于梳状带通滤波的水流量处理算法能够较好地滤除电极输出的工频干扰、白噪声和低频偏置噪声,仅保留方波励磁信号的基频和奇次倍谐波。但是,这种方法无法克服阶跃干扰。为此,本文结合跳变信号的特点,提出了适用于偏置调整过程的信号处理方法:根据信号是否进行了调整偏置产生阶跃跳变,分别选择不同的信号处理算法进行处理。

2.3.1 无偏置调整的信号处理方法

图3(a)中原始信号的偏置为-2V,若不进行调整,则信号偏置保持不变,如虚线x(n)'所示。采用梳状带通滤波算法进行滤波,滤波器的传递函数如式(3)所示。当fn=12.5Hz、fs=7500Hz时,滤波器阶数N=300,幅频响应,如图4所示。图中x(n)'的滤波结果记为y(n)',如式(4)所示。

 (3)

 (4)

图3 偏置调整信号示意

图4 梳状带通滤波器幅频特性

2.3.2 偏置调整时的信号处理方法

若采用基于阈值控制的偏置调整方法,则对于图3(a)中的原始信号,根据前一励磁周期信号x(n-N)判断幅值超过Vlimit,将偏置调节标志位置1,计算调整电压VDAC。在下一周期开始时刻t1,通过DAC更新输出偏置量,将信号拉回0V附近。同时,t1时刻的偏置调整使信号产生向上的阶跃跳变,如实线x(n)所示。使用梳状带通滤波算法对x(n)进行滤波,结果记为y(n):

 (5)

偏置调整使x(n)产生阶跃跳变,导致x(n)-x(n-N)差值增大,滤波结果y(n)产生突变,需要经过长时间才能够收敛。为了降低阶跃干扰的影响,本文基于原算法和跳变信号特点,改进了偏置调整时的信号处理方法:使用前一周期同相位信号x(n-2N),代替产生偏置阶跃的信号x(n)参与计算,滤波结果记为y(n)'':

 (6)

由于间隔时间较短,可以假设无偏置调整的信号x(n)'和前一周期同相位信号x(n-2N)近似相同,此时y(n)'»y(n)'。所以新算法保证了滤波结果的可靠性,有效降低了阶跃干扰的影响。

2.4 软件仿真验证

为了验证上述信号处理方法的可靠性,通过MATLAB仿真电磁流量计的12.5Hz方波励磁水流量信号,如图5(a)所示。仿真信号的采样率fs=1500Hz,峰-峰值为2V,初始偏置量为0V。在信号的第97、121半周期起始处插入幅值为+3V、-5V的阶跃信号,以模拟偏置调整时产生的阶跃干扰。

图5 偏置信号的处理结果

采用梳状带通滤波算法和本文的信号处理方法,分别对图5(a)的仿真信号进行处理。图中实线所示为梳状带通滤波算法的滤波结果,可见,阶跃干扰使得滤波后的结果产生了跳变,需要1s左右的时间才能恢复正常。而本文信号处理方法的滤波结果如虚线所示:对于没有调整偏置的流量信号,按照式(4)进行信号处理;对于进行偏置调整产生阶跃的信号,按照式(6)进行处理。仿真结果表明,本文提出的信号处理方法能有效地减小偏置阶跃的影响。

3 基于DSP的电磁流量计偏置调整系统

3.1 系统硬件组成

我们基于TI公司的TMS320F28335DSP芯片研制了电磁流量信号处理系统,系统硬件框图如图6所示。系统主要组成部分为:励磁控制模块、信号调理采集模块、偏置调整模块、信号处理模块、输出模块、通信和人机接口模块。

图6 系统硬件

图7 偏置调整电路

根据传感器原理,系统通过PWM模块产生励磁切换信号,控制H桥路生成12.5Hz的方波励磁电流,激励传感器线圈产生磁场。流体切割磁力线产生流量信号,通过电极输出进入信号调理电路,送入24位ADC芯片ADS1255进行采样,采样频率7500Hz。采样结果通过McBSP模块进入DSP芯片参与计算,判断信号是否需要调整偏置。偏置调整电路具体如图7所示,系统外扩了一块10位DAC芯片TLC5615,当DAC输出电压和电极输入信号相减,就可以对信号偏置进行调节。

3.2 系统软件设计

3.2.1 软件整体流程

软件采取模块化设计方案,将完成特定功能的函数组合成功能模块,由主监控程序统一调用。软件总体框图如图8所示,主要包括初始化模块、励磁控制模块、信号采集模块、系统算法模块、中断模块、输出模块、人机接口模块、通信模块和看门狗模块等。

图8 系统软件

3.2.2 偏置调整模块

偏置调整模块的主要工作为:上电初始化零励磁阶段的信号偏置调整、计算偏置调节系数K、监测流量信号幅值、更新DAC输出电压、偏置调整后阶跃干扰的处理。

系统上电DSP完成各部分初始化,同步两路ADC采集励磁和传感器信号。由于刚上电信号的偏置量有可能较大,所以先不输出PWM励磁控制信号,在无励磁的状态将信号偏置调整至±0.5V以内。再计算偏置调节系数K,将计算结果存放在参数单元中。

设置偏置调节阈值,使能PWM模块输出控制信号,监测流量信号每半周期后1/4数据幅值,判断是否需要调整偏置。一旦信号超过阈值,就将偏置调节标识置1,并在下一个励磁中断中更新偏置量,由DAC输出;同时将信号处理标识位flag置1。

程序通过信号处理标识flag,判断当前半周期信号是否进行了偏置调整。若没有调整偏置,则使用式(4)对信号进行处理。若进行了偏置调整,流量信号产生阶跃突变,此时使用式(6)进行处理。

1)上电偏置调整、计算K值

如图9所示,在上电初始化阶段,先不输出励磁电流,对于AD采集的初始数据每3点判断一次大小,若超过±0.5V则通过DAC输出偏置调整,调节步长设为0.005。通常150点之后,信号偏置已经满足要求,为保证可靠性,将偏置调整点数延长至500点。当信号达到第501点时,偏置已经稳定在±0.5V之内,求出第501~510点的信号均值amp1。在第511点更新DAC电压VDAC=VDAC+0.005,等待10个采样点待信号稳定,再计算第521~530点的信号均值amp2,计算偏置调整系数K。

图9 上电偏置调整流程

2)监测流量信号、调整偏置

系统根据信号幅值判断是否要进行偏置调整,是否要将偏置调节标志置为1。在每个励磁周期开始时刻进入励磁中断服务程序,根据偏置调节标志进行相应动作,具体流程,如图10所示。

图10 偏置量实时调整处理流程

3)信号处理流程

偏置调整后,将信号处理标志flag=1。根据该标志位,信号处理程序自动识别产生偏置阶跃的信号半周期,并采用相应的信号处理方法,流程如图11所示。

图11 信号处理流程

4 水流量测试及标定试验

4.1 上电初始化偏置调整

将基于DSP的电磁流量计信号处理系统与50mm口径的电磁流量传感器相连,采用进行水流量实验,其上电偏置调整过程,如图12所示。可见,上电后10ms之内,输出偏置量已经调节到了±0.5V之内。图12(b)显示了偏置调节系数K的计算过程,约为6.76ms。

图12 上电偏置调节过程

4.2 水流量测量偏置调整

&bbsp; 将基于DSP的电磁流量计信号处理系统与100mm口径电磁流量传感器相连,进行水流量测量,通过MATLAB编写的上位机界面采集流量信号。图13(a)显示了一组长度为1000s的水流量信号的整体图和局部细节图,信号流量为200m3/h。可见,传感器输出信号的偏置是随机变化的,在156.3s左右超出阈值,经过偏置调整并产生一个阶跃跳变。对于这组数据,分别用梳状带通滤波算法和本文提出的信号处理方法进行处理,结果如图13(b)所示。虚线表示本系统算法的滤波结果和解调后的信号幅值,可见本文的方法优于的方法,能较好地满足现场试验要求。

图13 水流量信号的偏置调整和信号处理

4.3 水流量标定结果

为考察系统整体精度,将基于DSP的电磁流量计信号处理系统与40mm口径电磁流量传感器相匹配,进行水流量标定,标定装置精度为0.2%。实验结果如表1所示,在流量范围为2.5~22.5m3/h,即流速为0.55~4.97m/s时,测量误差小于±0.3%。

表1 水流量标定实验结果

提出一种基于阈值控制的电磁流量计的偏置调整方法。在系统初始化中零励磁阶段,根据DAC输出值与传感器偏置变化量,计算出偏置调节系数K。在测量阶段,根据信号幅值和偏置调整阈值来判断是否需要调整。若需要调整,则在下一个励磁周期的开始时刻,更新DAC输出电压,实现偏置调整。

改进已有的数字信号处理方法,以适应于偏置调整过程,保证测量精度。对没进行偏置调整的信号,采用梳状带通滤波,有效地去除工频干扰、白噪声和偏置噪声的影响;对偏置调整后的半周期信号,采用前一个周期同相位的信号代替本半周信号,再进行梳状带通滤波,避免调整所产生的阶跃干扰。仿真实验结果表明该方法可行有效。

研究的偏置调整方法在基于DSP的电磁流量计信号处理系统上实时实现。经过容积法水流量标定实验验证,在流速为0.55~4.97m/s时,系统的整体测量误差小于±0.3%,满足工业测量的要求。

点击次数:  更新时间:2016-03-23  【打印此页】  【关闭

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