電磁流量計(jì)由于其可靠性高、耐腐蝕性強(qiáng)、測量精度高、容易變更測量范圍等特點(diǎn),目前在石油、化工、治金、造紙等行業(yè)得到**應(yīng)用;特別在能源短缺的今天,電磁流量計(jì)的發(fā)展為資源的科學(xué)管理提供了重要基礎(chǔ)技術(shù)支持。然而,科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展向電磁流量計(jì)提出了更高更新的要求,尤其是流量測量的精確度和穩(wěn)定性方面。電磁流量計(jì)中干擾信號(hào)與流量信號(hào)混在一起,不僅成分復(fù)雜而且有的干擾信號(hào)數(shù)量級(jí)與流量信號(hào)相當(dāng),此外噪聲進(jìn)入微處理器可能造成系統(tǒng)運(yùn)行異常,在這種情況下,如何抑制干擾成為研制和使用電磁流量計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
 
1.電磁流量計(jì)中噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策
電磁流量計(jì)工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律,通過測量導(dǎo)電流體在磁場中的感應(yīng)電動(dòng)勢來推算流體流量。勵(lì)磁磁場,感應(yīng)電動(dòng)勢采集電極,信號(hào)運(yùn)算放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器都容易受到工作現(xiàn)場的電場和磁場輻射耦合,因此電磁耦合是流量測量中的*主要的干擾方式。其次被測液體的電化學(xué)反應(yīng)和泥漿干擾是流量測量的另一噪聲來源。
1.1微分干擾機(jī)理及對(duì)策
在現(xiàn)行的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)中,低頻矩形波勵(lì)磁結(jié)合了直流勵(lì)磁和交流勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn),成為主要?jiǎng)?lì)磁方式之一。在低頻勵(lì)磁方式下其干擾主要表現(xiàn)為:由勵(lì)磁電流突變產(chǎn)生的微分干擾信號(hào)。理想勵(lì)磁磁場信號(hào)如圖1-1所示,為低頻矩形波,實(shí)際上隨著勵(lì)磁電流變化(dI/dt)磁場上產(chǎn)生微分干擾信號(hào),如圖1-2,可以看到隨著電流的穩(wěn)定,干擾信號(hào)隨之消失,因此同步采樣技術(shù)可以有效抑止微分干擾信號(hào)。實(shí)際設(shè)計(jì)中模數(shù)轉(zhuǎn)化器使用AD公司的24位sigma delta模數(shù)轉(zhuǎn)化器AD7714。AD7714可以分別采用硬件和軟件方式進(jìn)行采樣開始時(shí)間控制從而實(shí)現(xiàn)同步采樣。采用軟件方式時(shí),當(dāng)控制寄存器中FSYNC位為邏輯1時(shí),模數(shù)轉(zhuǎn)換器處于復(fù)位狀態(tài);向該位寫邏輯0時(shí),器件開始采樣輸入信號(hào)。在應(yīng)用中,低頻勵(lì)磁信號(hào)由MSP430單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生,同時(shí)產(chǎn)生采樣信號(hào)。如圖1所示,采樣開始時(shí)間滯后勵(lì)磁信號(hào)1/4個(gè)周期。
1.2工頻耦合干擾機(jī)理及對(duì)策
在電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場存在大量工頻信號(hào),耦合在勵(lì)磁回路、電極、前端放大器的工頻干擾噪聲對(duì)流量的準(zhǔn)確測量造成極大影響。其中輻射耦合到勵(lì)磁回路的工頻輻射磁場(包括其諧波)造成勵(lì)磁磁場波動(dòng),影響流量測量,當(dāng)流體流速較小時(shí),工頻干擾信號(hào)與有效流量信號(hào)在同一數(shù)量級(jí),嚴(yán)重影響測量結(jié)果。
 
已知工頻耦合噪聲基波頻率為50Hz,因此可以采用模擬或數(shù)字濾波器使濾波器帶寬限制在50Hz以內(nèi)以抑制噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中使用 sigma delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD74內(nèi)部包含的數(shù)字濾波模塊,數(shù)字濾波器相對(duì)模擬濾波器除具有靈活性高、參數(shù)設(shè)置方便等特點(diǎn)還可以降低AD轉(zhuǎn)換期間引人的噪聲。AD774數(shù)字濾波器為(sinr/x)3低通濾波器,其在頻域的傳遞函數(shù)為:
 
其中:fs為采樣頻率,AD714采樣頻率為19.2kHIx;N為濾波采樣個(gè)數(shù),f為數(shù)字濾波器響應(yīng)頻率。通過設(shè)定濾波采樣個(gè)數(shù)可以改變數(shù)字濾波器的截止頻率和一次陷波頻率。在本設(shè)計(jì)中綜合考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換速度和去除噪聲性能,設(shè)置N值另濾波器截至頻率為50Hz,濾波器頻域響應(yīng)如圖2所示,濾波器對(duì)工頻50Hz及其偶次諧波有很好的抑止作用。

 除使用數(shù)字濾波器外,在A/D輸人端設(shè)置RC模擬低通濾波器還可以帶來額外的好處。在實(shí)際測量觀察到的流量信號(hào)中存在尖脈沖噪聲,可能使模數(shù)轉(zhuǎn)換器飽和,導(dǎo)致數(shù)字濾波器失效,使用模擬濾波器可以提前剔除這些信號(hào)。
1.3共模干擾、串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策
共模干擾的產(chǎn)生主要是由于電磁屏蔽缺陷,接地不良、雜散電容等引起返回電流不平衡。共模干擾可能導(dǎo)致電路某些參考電位變化,是造成電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的原因之一;同時(shí)共模信號(hào)產(chǎn)生很高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化。串找擾是由于印刷電路板設(shè)計(jì)電磁兼容性考慮不足造成信號(hào)質(zhì)量下降,特別是高速走線和模擬電略易受到影響。
對(duì)由共模干擾信號(hào)導(dǎo)致的參考電位變化,應(yīng)用中流量電壓采用差分形式通過雙絞線送入放大器,前端放大器選用共模抑止比高,低漂移高輸人阻抗的運(yùn)放,可以有效抑止共模干擾。此外,電磁流量計(jì)電路板設(shè)計(jì)符合電磁兼容性要求降低串?dāng)_對(duì)信號(hào)的影響。使用滿足功能要求的速率盡可能低的邏輯器件。選用在邏輯狀態(tài)變換過程中輸入電流消耗更小的元件。盡可能選擇表面封裝的元器件。合理安排元件布局,模擬與數(shù)字部分隔離,防止數(shù)字信號(hào)影響模擬信號(hào)。適當(dāng)配置去耦電容,選擇合適的電容容量,去耦電容盡量靠近元器件。對(duì)于敏感信號(hào)回路,如時(shí)鐘信號(hào),模擬輸人信號(hào)嚴(yán)格控制回路面積。鋪設(shè)地平面提供低阻抗信號(hào)回路,加強(qiáng)屏蔽效果。
1.4其他干擾對(duì)策
電化學(xué)極化電動(dòng)勢干擾是被測液體中電解質(zhì)在感應(yīng)電場作用下在電極表面極化產(chǎn)生,是電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的主要原因之一。采用交流勵(lì)磁方式可以有效減小極化電動(dòng)勢,此外在應(yīng)用中微處理器運(yùn)算時(shí)將兩次流量電壓采樣值相減不但可以減小極化電動(dòng)勢而且可以補(bǔ)償由共模干擾帶來的零點(diǎn)漂移。
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相特性液體時(shí),固體顆?；蛘邭馀菖c電極摩擦,在電極表面的電化學(xué)電動(dòng)勢突然變化,電磁流量計(jì)傳感器輸出信號(hào)輸出尖峰脈沖狀干擾。在低頻勵(lì)磁情況下泥漿干擾產(chǎn)生的尖脈沖數(shù)量級(jí)大,極大影響流量的準(zhǔn)確測量,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,采用多種信號(hào)處理混合方式抑制噪聲,原理框圖如圖3所示。
 
流量計(jì)正常運(yùn)行時(shí)尖峰脈沖噪聲出現(xiàn)的概率小,被測液體流速不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)變化,基于以上特性,對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行限幅濾波處理:當(dāng)前輸入信號(hào)相對(duì)上周期輸人信號(hào)超出噪聲容限范圍,該信號(hào)被認(rèn)為是噪聲信號(hào)不進(jìn)一步計(jì)算?；瑒?dòng)平均濾波是處理流量信號(hào)經(jīng)常采用的信號(hào)處理辦法,可以有效降低采樣誤差;滑動(dòng)平均濾波函數(shù)的脈沖響應(yīng)時(shí)間是受滑動(dòng)窗口數(shù)控制的,如果能動(dòng)態(tài)調(diào)整窗口數(shù),那么響應(yīng)速度就會(huì)大大提高;在應(yīng)用中使用改進(jìn)的滑動(dòng)平均濾波函數(shù),通過響應(yīng)時(shí)間控制器控制滑動(dòng)窗口數(shù),當(dāng)響應(yīng)時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)將窗口數(shù)設(shè)為1,使輸出信號(hào)迅速變化,獲得的很好的動(dòng)態(tài)性能。
 
2.抗干擾技術(shù)在電磁流量計(jì)中的應(yīng)用
微處理器是電磁流量計(jì)的核心單元,控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的CPU受到干擾時(shí),可能造成的影響有:非正常修改程序計(jì)數(shù)器指針;改寫可編程輸出端口狀態(tài);非正常修改數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù);以上不良影響會(huì)使單片機(jī)程序失控,其后果是非常嚴(yán)重的。結(jié)合智能電磁流量計(jì)的工作特點(diǎn)和MSP430系列單片機(jī)的特性,采用軟件與硬件抗干擾技術(shù)相結(jié)合提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
2.1硬件抗干擾
由于軟件抗干擾措施是以犧牲CPU效率為代價(jià)的,如果沒有硬件消除絕大多數(shù)干擾,CPU將疲于奔命,無暇顧及正常工作,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性。
電磁流量計(jì)輸出單元一般包括4~20mA電流輸出,集電極開路的頻率輸出以及工業(yè)現(xiàn)場總線接口等,在輸入和輸出通道上采用光電隔離器來進(jìn)行信息傳輸是很有好處的,它將微機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來,很大一部分干擾將被阻擋。
MSP430單片機(jī)與外圍設(shè)備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器,EEPROM等采用總線通信方式。當(dāng)信號(hào)同時(shí)切換時(shí)會(huì)引起“地彈”和串?dāng)_。在電路板布線時(shí),總線盡量使用地線包圍,電路采用多點(diǎn)接地方式?？偩€通信速度設(shè)置為1K~1MHz,高速信號(hào)線路極易受到電磁于擾,嚴(yán)重時(shí)使邏輯狀態(tài)混亂致使單片機(jī)和外圍設(shè)備失控,總線采用上拉電阻方式,可以提高邏輯電路噪聲容限,使總線通信更加可靠。
MSP430的通用端口可以設(shè)置為輸入和輸出兩種狀態(tài),對(duì)于沒有使用的端口,全部設(shè)置為輸出狀態(tài),防止CPU受到意外干擾。
2.2睡眠狀態(tài)抗干擾
電磁流量計(jì)中微處理器很多情況下是在執(zhí)行等待指令和循環(huán)檢查程序,這時(shí)CPU沒有工作,但卻是清醒的,很容易受于擾。MSP430系列單片機(jī)提供了多種睡眠狀態(tài),讓CPU在沒有正常工作時(shí)休眠,必要時(shí)再由中斷系統(tǒng)來喚醒它,之后恢復(fù)休眠狀態(tài),從而使CPU受到隨機(jī)干擾的威脅大大降低,同時(shí)降低了CPU的功耗。
2.3指令冗余與軟件陷阱技術(shù)
程序正常運(yùn)行時(shí),指令計(jì)數(shù)器始終指向下一條指令的**個(gè)字節(jié),當(dāng)單片機(jī)受到干擾時(shí),可能引起程序計(jì)數(shù)器的非正常修改,將操作數(shù)當(dāng)作指令碼執(zhí)行,造成程序誤操作。MSP430單片機(jī)采用RISC指令內(nèi)核,指令宇有單字節(jié),雙字節(jié)和三字節(jié)指令三種,在雙字節(jié)和三字節(jié)指令后插人兩條單字節(jié)指令,
程序失控時(shí)也可以迅速進(jìn)人預(yù)期控制軌道。綜合考慮CPU效率和抗于擾能力,在對(duì)程序流向起關(guān)鍵作用的指令處,如跳轉(zhuǎn)指令、中斷恢復(fù)指令等,插入兩條“NOP"單字節(jié)空操作指令,以保證“跑飛”的程序迅速納入正確的控制軌道。
為了防止單片機(jī)輸出口狀態(tài)意外修改,定期重新定義輸出口狀態(tài)。MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成很多外圍設(shè)備,如UART,SPI串口,定時(shí)計(jì)數(shù)器等,為了防止這些設(shè)備的相應(yīng)控制寄存器被意外修改,每次使用時(shí)都需重新設(shè)置。指令冗余使“跑飛”的程序安定下來是有條件的:程序計(jì)算器必須指向到程序區(qū)。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器落到非程序區(qū),如ROM中未使用的空間、中斷向量表,數(shù)據(jù)區(qū),則冗余指令失效。采取額外措施就是設(shè)立軟件陷阱。所謂軟件陷阱,就是一條引導(dǎo)指令,強(qiáng)行將捕獲的程序引向?qū)Τ绦虺鲥e(cuò)進(jìn)行處理的程序,一般安排在未使用的中斷向量,未使用的ROM等。MSP430單片機(jī)具有多個(gè)中斷發(fā)生源。正常工作時(shí),執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后,相應(yīng)的中斷標(biāo)志位會(huì)被硬件自動(dòng)復(fù)位;當(dāng)單片機(jī)受到干擾,運(yùn)行異常時(shí),可能會(huì)觸發(fā)沒有使用的中斷,導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。因此在未被使用的中斷向量處插入冗余指令,使中斷自動(dòng)返回,如:“ NOP NOP RETI"。
對(duì)于沒有使用的ROM,程序燒錄器默認(rèn)寫人字0xffff,該字對(duì)于指令系統(tǒng)是一條指令,這條指令會(huì)修改單片機(jī)內(nèi)部寄存器值;如果程序“跑飛”進(jìn)入這段ROM中,可能造成數(shù)據(jù)運(yùn)算錯(cuò)誤。因此在未使用的ROM中寫入代碼,使程序跳轉(zhuǎn)到出錯(cuò)處理程序。
2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)冗余技術(shù)
電磁流量計(jì)正常運(yùn)行需要很多參數(shù):流量標(biāo)定值,累計(jì)流量值,以及流量計(jì)信息等。這些參數(shù)非常重要,尤其是累積流量值必須妥善保存。為了防止程序?qū)?shù)的意外修改,對(duì)數(shù)據(jù)做冗余存儲(chǔ)處理。在具有掉電保護(hù)功能的外部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)三份數(shù)據(jù),讀取參數(shù)時(shí),判斷參數(shù)是否有效,流程如圖4所示。
 

3.結(jié)束語
智能電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用上述多種抗干擾技術(shù),使測量的精確度和運(yùn)行穩(wěn)定性得到了提高,拓展了電磁流量計(jì)的應(yīng)用范圍,開拓了更廣闊的市場。