電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制作的流量計(jì)，在實(shí)際研發(fā)中會(huì)遇到許多噪聲問題。圖1列出其每個(gè)組成部分可能引入的噪聲，這些噪聲以不同的形式和方式進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)，成為提高信噪比和測(cè)量精度的障礙。本文通過分析傳感器前端遇到的噪聲的產(chǎn)生機(jī)制得出對(duì)應(yīng)的解決方案。

圖1噪聲形式及分布圖
 

噪聲原理及解決方案

傳感器（電極+轉(zhuǎn)換器）

該部分中流動(dòng)的信號(hào)是未經(jīng)放大處理的微弱流量信號(hào)，也就最容易受到外部因素的干擾，由圖1可知它引入的噪聲種類最多，在此對(duì)這些噪聲進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的解決方案。

在提出噪聲及其解決方案之前先對(duì)流量信號(hào)本身進(jìn)行討論，在信號(hào)處理中盡可能地提高信噪比是處理的主要目標(biāo)，但由于勵(lì)磁功率等因素的限制，在電極處獲得的流量信號(hào)幅值有限并且十分微弱，而在研制電磁流量計(jì)中我們使用了電容式電極（其原 因在后面將有論述），此電極的輸出阻抗RC1很高，為106Ω數(shù)量級(jí)，如管內(nèi)被測(cè)流體為導(dǎo)電率極低的酒精等，則內(nèi)阻R0可能達(dá)到108Ω數(shù)量級(jí)，進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的電壓值為，為使流量信號(hào)能夠基本不失真地進(jìn)入信號(hào)處理板中，這就要求轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有極高的輸入阻抗Zi。我們采用了輸入阻抗數(shù)量級(jí)為1010Ω的自舉電路作為轉(zhuǎn)換器，其等效原理圖如圖2所示。

圖2中，C1是電極的等效電容；RC1為其阻抗；Vi為流量信號(hào)電動(dòng)勢(shì)；R0為管內(nèi)流體內(nèi)阻。顯然，信號(hào)失真小于1%，很大程度上保證了流量信號(hào)的完整性。

雜散噪聲

以往的電磁流量計(jì)的電極部分是以金屬導(dǎo)體的形式與被測(cè)液體產(chǎn)生接觸的，被測(cè)流體流動(dòng)時(shí)與電極部分產(chǎn)生碰撞形成不規(guī)則的雜散噪聲。使用電容式電磁流量計(jì)，電極部分不與被測(cè)流體直接接觸而是透過管壁與流體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)。

如圖3中所示，使用導(dǎo)電片為電極附著在測(cè)量管道外形成電容式電極，進(jìn)而管道內(nèi)表面無任何其他物質(zhì)，被測(cè)流體在管體內(nèi)暢通無阻，沒有雜散噪聲產(chǎn)生。

圖3流量計(jì)電極及布線圖
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正交/同相干擾

又稱為微分干擾，是變化的勵(lì)磁磁場(chǎng)通過被測(cè)流體、傳感器、轉(zhuǎn)換器和信號(hào)放大器組成的回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此現(xiàn)象被稱為“變壓器效應(yīng)”，其電動(dòng)勢(shì)可表示為：

式中：E為次級(jí)電動(dòng)勢(shì)；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

為減小正交干擾的幅值需要在制作工藝上下功夫，使圖3中D-A-B-C形成的回路平面盡量同勵(lì)磁磁場(chǎng)平行，進(jìn)而最大程度的消除正交干擾。因?yàn)檎桓蓴_與同相干擾是不隨流量而變化的，也可用初值相減的方法去除。

勵(lì)磁電場(chǎng)干擾

由于流量信號(hào)很微弱且敏感，易受外部影響，所以離它很近的勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的勵(lì)磁電場(chǎng)就成為影響流量信號(hào)精度的致命因素，其產(chǎn)生的與勵(lì)磁電流同形式的電場(chǎng)輻射對(duì)傳感器部分形成很大的干擾信號(hào)，能將流量信號(hào)完全湮沒。

解決方法是對(duì)傳感器部分及輸出線部分進(jìn)行整體的接地屏蔽，屏蔽層需完全包裹傳感器部分，使屏蔽層內(nèi)成為一個(gè)等勢(shì)體。因?yàn)殡姌O部分獲得的流量信號(hào)很微弱，其獲得的電壓容易經(jīng)分布電容泄漏，所以需在此傳輸線上加反饋屏蔽，如圖4所示。

工頻干擾

此干擾來源之一是外部電場(chǎng)，主要是工頻電場(chǎng)以串模耦合形式通過被測(cè)流體等外部媒介進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，其次是系統(tǒng)供電電源和勵(lì)磁信號(hào)引入的工頻形式的干擾，此工頻干擾的特點(diǎn)是幅值遠(yuǎn)大于流量信號(hào)且無處不在并隨工作現(xiàn)場(chǎng)的不同其形式如頻率、幅值也有所變化。

消除其串模干擾的方法是將被測(cè)流體良好接地，使此工頻信號(hào)成為整個(gè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓，整個(gè)系統(tǒng)的零電位隨串模信號(hào)的變化而變化，但其內(nèi)部的電壓是不隨其變化的。再就是窄帶濾波，去除信號(hào)處理板引入的工頻噪聲。

共模/差模干擾

外部干擾電場(chǎng)耦合進(jìn)入傳輸線部分，具有混合有共模和差模形式的干擾，此干擾具有不確定性，隨時(shí)間地點(diǎn)的不同而變化。去除方法是將傳感器與放大電路的長(zhǎng)連接線以雙絞線的方式纏繞，從而減小回路面積以降低差模形式的感應(yīng)電壓。由于傳輸線間很接近，使得每纏繞兩圈分別獲得的容性耦合干擾大小相等而極性相反，進(jìn)而消除了整根雙絞線引入的差模干擾，在后期的放大電路中使用運(yùn)算放大器進(jìn)行差動(dòng)放大消除共模干擾。

串模干擾

通過地線等途徑提高或降低基準(zhǔn)電勢(shì)，使系統(tǒng)的工作電壓不穩(wěn)定。如圖5所示為傳感器與接收放大器的連接電路。連接傳感器和放大器的導(dǎo)線模型化為與電阻Rw1和Rw2串聯(lián)的理想導(dǎo)體。

圖5串模干擾原理圖

傳感器模型轉(zhuǎn)化為電壓源Vs和與它相關(guān)的電阻Rs。節(jié)點(diǎn)Vg1是傳感器這邊的局部地，節(jié)點(diǎn)Vg2是接收端所在地的局部地。假設(shè)放大器的輸入端到局部地的電阻等于Ri。兩個(gè)局部地被電阻為Rg的分布式接地系統(tǒng)的導(dǎo)線連接在一起，因?yàn)橛须娏髁鬟M(jìn)接地節(jié)點(diǎn)，所以兩個(gè)局部地就不可能處在同一電位上，而有Vgd的電勢(shì)差，則：
說明只要Ri>>（Rs+Rw1），則只將Vgd作為加入到Vs中的誤差或干擾信號(hào)。

解決辦法有兩個(gè)：1）使用單點(diǎn)接地，斷開Vg1處節(jié)點(diǎn)與Vs的連線，這樣參考地只有一個(gè)，Vgd也就無法在系統(tǒng)中形成通路；2）第二個(gè)就是像去除共模干擾的方法一樣將傳感器與放大電路的長(zhǎng)連接線以雙絞線的方式纏繞并在接收放大器端增加一個(gè)差分放大器，通過求差值的方法消除地線引入的干擾。

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高低頻耦合干擾

除上面提到的頻率確定或形式確定的干擾外，還有其他的現(xiàn)場(chǎng)干擾進(jìn)入，譬如現(xiàn)場(chǎng)擁有15Hz以下的低頻及1kHz以上的高頻，其干擾進(jìn)入整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的傳輸線、導(dǎo)線等部分受到空間電場(chǎng)輻射，導(dǎo)致信號(hào)電壓擾動(dòng)，低頻部分與處理放大后流量信號(hào)處于同一量級(jí)，它使工作信號(hào)做低頻的擾動(dòng)，容易造成信號(hào)溢出，而高頻信號(hào)幅值較后期流量信號(hào)小，但仍會(huì)影響采樣值的精度。

為此，我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行較高Q值的窄帶濾波，使用二階壓控型有源帶通濾波器作為濾波單元，其原理圖及頻率特性如圖6、7所示。

圖6二階帶通濾波原理圖

其傳遞函數(shù)：

再將圖6所示的電路進(jìn)行四次級(jí)聯(lián)形成八階帶通濾波器，其頻率響應(yīng)如圖8所示。

圖8 八階帶通濾波器幅頻圖

結(jié)束語(yǔ)

本文主要探討了在研發(fā)過程中遇到的各種噪聲情況及處理方法，當(dāng)然電容式電磁流量計(jì)所涉及的噪聲方面不僅如此，運(yùn)放的量化誤差、采樣時(shí)的量化誤差對(duì)測(cè)量精度都有影響，還需要對(duì)采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化等處理并通過控制器對(duì)流量結(jié)果進(jìn)行控制、顯示。傳感器部分的形狀、結(jié)構(gòu)和工藝及管體部分材料也需要引起足夠的重視。

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