专利名称：电磁流量计采用窄带滤波信号调理的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种窄带滤波信号调理电路，更准确地说，是涉及一种用于微流量电 磁流量计的信号调理技术。
背景技术：
在流量测量领域，随着现代工业的发展，尤其医药卫生、生物工程和精细化工等行 业对流量计的性能指标提出了更新、更高的要求。在公知的电磁流量计中，对流量信号的 放大普遍采用峰值采样保持信号调理电路，其宽带信号放大电路，使多种干扰噪声随流量 信号一同被放大，必然把噪声频谱移频或混叠到流量信号的频带内，导致信噪比低、分辨率 差、流量的测量下限难以扩展。可以说现有的峰值采样保持信号调理电路制约了电磁流量 计的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种与现有技术相比，能有效滤除流量信号叠加的多种干扰 噪声，大大提高信噪比的窄带滤波信号调理技术。从而扩展电磁流量计的测量下限，实现微 流量的准确测量，提高电磁流量计的性能指标，使测量下限有效扩展。本发明目的是这样实现的电磁流量计采用窄带滤波信号调理的方法，首先进行窄带滤波信号初步调理，在 信号达到稳态时进行采样，恰好避开微分噪声的干扰从而抑制微分噪声，在每个周期内电 流平均值恒定的恒均值激磁电流源，产生满足窄带滤波调理技术所需的恒均值磁场，即通 过取样、比较实现闭环反馈调节的恒均值电流源。所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理的方法，所述的抑制微分噪声是滤 除e(t)高次谐波后的基波el(t)中虽然含流量信号的基波esl(t)和微分噪声的基波 eel (t)，但相位差为90°，且解调脉冲p(t)与esl(t)同步，与ecl(t)正交相敏解调将 ecl(t)与p(t)相乘，低通滤波后正负相互抵消，有效去除了微分噪声和同相噪声，对el(t) 相敏解调、低通滤波和直流放大可得到流速信号V1 (t)。所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理的方法，所述的窄带滤波信号调理为 先对放大后的流量信号e (t)进行窄带滤波，滤除高次谐波，取出基波分量el (t)，并使噪声 功率随带宽减小而降低，提高信噪比，再利用相敏解调降低微分噪声影响，得到较为理想的 流速信号vl (t)。所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，其组成包括前置放 大器，所述的前置放大器与窄带滤波器信号滤波器连接，所述的信号滤波器与解调器连接， 所述的解调器与解调信号发生器连接。所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，所述的窄带滤波器信 号滤波器电子元件包括运算放大器、滤波电容Cl、滤波电容C2、滤波电容C3、滤波电容C4、 电阻R1、电阻R2，上述的各元器件间具有电路连接关系。
所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，所述的解调器是相敏 解调器，由4只场效应开关晶体管组成。所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，所述的解调器采用开 关集成电路来构成相敏解调器。所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，所述的解调信号发生 器包括由美国ATMEL公司的AT89S53单片机或荷兰PHILIPS公司80C552单片机构成的相 敏解调信号发生器。所述的电磁流量计中采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，所述的前置放大器 包括美国AD公司的集成仪表放大器AD625⑶或AD624AD。本发明的有益效果1、本发明的信号滤波器采用窄带滤波器，对前置放大器输出的流量信号进行窄带 滤波，滤除高次谐波，得到流量信号的基波，并使多种干扰噪声的功率随带宽减小而降低， 提高信噪比，从而提高电磁流量计的性能指标，使流量测量下限有效扩展，实现微流量测量。2、本发明的解调器采用相敏解调器，在多种噪声干扰中，由测量电极引线的单匝 变压器效应所产生的微分噪声影响较大。窄带滤波器的输出，含流量信号的基波和微分噪 声的基波，但相位差为90°，且解调信号p(t)与流量信号的基波同相，与微分噪声的基波 正交。相敏解调将微分噪声的基波与解调信号P (t)相乘，正负相互抵消，有效消除了基波 信号中微分噪声和同相噪声的干扰。3、本发明的解调信号发生器，是由美国ATMEL公司生产的AT89S53单片机或荷兰 PHILIPS公司生产的80C552单片机所构成，可输出控制相敏解调器的脉冲信号ρ (t)。4、本发明的前置放大器采用美国AD公司生产的集成精密仪表放大器AD625⑶或 AD624AD，完成对电磁流量传感器检测电极间输出的感应电动势(流量信号)的放大。在电磁流量计中采用窄带滤波信号调理技术可使多种噪声干扰随带宽减小而降 低，并在相敏解调过程中有效去除微分噪声的影响，从而大大提高流量信号的信噪比，扩展 流量测量下限，为此设计的恒均值激磁电流源，当电网电压在-17% +10%范围内波动时，所产生的恒均值交变磁场 B(t)在周期内保持恒定，完全符合窄带滤波信号调理技术的要求，且能将其温度稳定性提 高一个数量级。上述研究成果已应用于我们研发的微流量电磁流量计，效果比较理想。其 样机的通水标定试验结果见表2。在测量下限为2L/h(0. 002m3/h,流速0. 026m/s)时，瞬时流量的零点稳定性优于 0. 1%，线性误差小于1%;当测量下限达至IJ 1.2L/h(0.0012m3/h，流速0.016m/s)时，仍具有 0.3%的分辨力。表2微流量电磁流量计通水校验数据
附图1是本发明的窄带滤波信号调理电路框图。附图2是本发明的窄带滤波器电路原理图。附图3是本发明的相敏解调器电路原理图。附图4是本发明的相敏解调抑制微分噪声影响波形图。附图5是微流量电磁流量计原理框图。附图6是窄带滤波及相敏解调电路，(包括图2和图3部分)。附图7恒均值电流源电路。附图8取样点电流i(t)、激磁电流iL(t)波形图。附图9是电磁流量计信号调理电路原理图。根据电子线路制图的规定，相同标号的线路之间具有连接关系。
具体实施例方式实施例1 电磁流量计采用窄带滤波信号调理的方法，首先进行窄带滤波信号调理，在信号 达到稳态时进行采样，恰好避开微分噪声的干扰从而抑制微分噪声，在每个周期内电流平 均值恒定的恒均值激磁电流源，产生满足窄带滤波调理技术所需的恒均值磁场，即通过取 样、比较实现闭环反馈调节的恒均值电流源。所述的抑制微分噪声是滤除e (t)高次谐波后的基波el (t)中虽然含流量信号的 基波esl(t)和微分噪声的基波eel (t)，但相位差为90ο，且解调脉冲ρ (t)与esl(t)同步，
5与ecl(t)正交相敏解调将ecl(t)与ρ (t)相乘，低通滤波后正负相互抵消，有效去除了微 分噪声和同相噪声，对el (t)相敏解调、低通滤波和直流放大可得到流速信号V1 (t)。所述的窄带滤波信号调理为先对放大后的流量信号e (t)进行窄带滤波，滤除高 次谐波，取出基波分量el (t)，并使噪声功率随带宽减小而降低，提高信噪比，再利用相敏解 调降低微分噪声影响，得到较为理想的流速信号Vl (t)。实施例2 参照附图，详细叙述本发明优选的具体实施方案。如附图1中，窄带滤波信号调理电路包括前置放大器1、信号滤波器2、解调器3 和解调信号发生器4。所述的前置放大器1与信号滤波器2连接，所述的信号滤波器2与解 调器3连接，所述的解调器3与解调信号发生器4连接。附图2给出按本发明所述的窄带滤波信号调理电路的具体方案中窄带滤波器的 电路结构。在图2中，示出了运算放大器U1、输入信号端1及2、输出信号端3、滤波电容Cl 及C2和C3及C4、电阻Rl及R2的连接关系。在此电路结构中，运算放大器Ul的反相输入端与滤波电容C2和电阻Rl相连。电 容C2的另一端与信号输入端1和电容Cl相连，电阻Rl的另一端与运算放大器Ul的输出 端和电容Cl的另一端相连。运算放大器Ul的同相输入端与滤波电容C3和电阻R2相连。 电容C3的另一端与信号输入端2和电容C4相连，电阻R2的另一端和电容C4的另一端同 时接地。窄带滤波器输入端1及2接收前置放大器输出的流量信号，经过附图2所示的窄 带滤波器，滤除高次谐波，从而流量信号的基波可以通过信号输出端3输出。附图3给出按本发明所述的窄带滤波信号调理电路的具体方案中相敏解调器的 电路结构。在图3示出了场效应开关晶体管Ql及Q2和Q3及Q4、输入信号端1、输出信号 端2及3、控制信号4及5的连接关系。在此电路结构中，场效应开关晶体管Ql及Q4的输入端与信号输入端1相接，场效 应开关晶体管Q2及Q3的输入端同时接地，控制信号4与场效应开关晶体管Q3及Q4的栅 极相接。控制信号5与场效应开关晶体管Ql及Q2的栅极相接，场效应开关晶体管Ql及Q3 的输出端与信号输出端2相接，场效应开关晶体管Q2及Q4的输出端与信号输出端3相接。窄带滤波器输出到相敏解调器的信号，既含流量信号的基波，又含微分噪声的基 波，但相位差为90°，且解调信号ρ (t)与流量信号的基波同相位，与微分噪声的基波正交。 如图4所示，相敏解调将微分噪声的基波与解调信号ρ (t)相乘，正负相抵消，抑制流量信号 中微分噪声和同相噪声的影响。本发明所述的窄带滤波信号调理电路，所述的相敏解调器也可以采用模拟开关集 成电路来构成。本发明所述的窄带滤波信号调理电路，所述的解调信号发生器采用美国ATMEL公 司的AT89S53单片机内部的功能电路和软件程序来产生相敏解调器的控制信号ρ (t)。比较本发明的窄带滤波信号调理电路和现有的峰值采样保持信号调理电路，在测 试环境相同的条件下进行通水标定试验，效果比较理想。测量下限为2L/h(0.002m3/h，流 速0.026m/s)时，瞬时流量的零点稳定性优于0. 1%，线性误差小于；当测量下限达到 1. 2L/h(0. 0012m3/h，流速0. 016m/s)时，仍具有0. 3%的分辨力。结果表明，本发明可明显提高电磁流量计的性能指标，使流量测量下限有效扩展，实现微流量的准确测量。实施例3:本发明提出窄带滤波信号调理技术和恒均值电流激磁技术，使微流量信号的信噪 比得以提高。1本发明的窄带滤波电磁流量计工作原理介绍由法拉第电磁感应原理得知，当测量管路中的导电流体以流速v(t)作切割磁感 线运动时，将在检测电极间得到感应电动势(流量信号)e(t)。图8为窄带滤波微流量电磁 流量计原理框图，激磁电源驱动传感器的线圈产生交变磁场B(t)，若以B(t)为载波信号， 流速v(t)为调制信号，则感应电动势e(t) =D B(t)v(t)(D为检测电极间距离)，实现信 号的调制。微流量电磁传感器输出的感应电动势e(t) —般只有微伏级，而且叠加多种噪声 干扰，不能进行直接测量，需经前置放大、窄带滤波取出其基波ei (t)，用解调脉冲ρ (t)对 ei(t)进行相敏检波获得流速信号基波V1 (t) =ei(t)p(t)。V1 (t)的平均值、峰值均可表征 导电流体的流速信息，对其进行积算即可测出流体的流量。2本发明的信号调理技术介绍信号调理技术是电磁流量计的核心技术。它不仅要对流量信号e(t)进行放大， 更为重要的是在噪声干扰严重的条件下，如何有效地降低噪声功率，提取有用的流速信号 V1 (t)。电磁流量计的感应电动势叠加着多种噪声干扰，如共模噪声、串模噪声、微分噪声、 电化学噪声和流动噪声等，表示为
OO
e{t) = A1 sinO/ + φι) + ΥΑη η{ηω + φη) + β0^β dBdm ,、(1)
+a,--l· a,———+ n(t)
1 dt 2 dt2式中前两项为流量信号的基波和高次谐波；ec共模噪声；ed串模噪声；！微分噪声双同相噪声； 1 dt 2 dt2n(t)其他噪声(电化学噪声、流动噪声等)；2. 1本发明的窄带滤波信号调理技术介绍当前在电磁流量计中大多应用峰值采样保持信号调理技术，虽能消除微分噪声的 影响，但因采用了宽带信号放大电路，噪声随信号一同被放大，必然使噪声频谱混叠或移频 到流量信号的频带内，使e (t)的信噪比很低，导致电磁流量计的分辨率差，准确度低，流量 的下限难以扩展[7]。峰值采样保持信号调理技术制约了电磁流量计性能指标的进一步提 高。因此，我们采用如图6所示的窄带滤波信号调理技术，先对放大后的流量信号e(t)进 行窄带滤波，滤除高次谐波，取出基波分量ei (t)，并使噪声功率随带宽减小而降低，提高信 噪比，再利用相敏解调降低微分噪声影响，得到较为理想的流速信号V1 (t)。2. 2本发明的抑制微分噪声技术在多种噪声干扰中，由测量电极引线的单匝变压器效应所产生的微分噪声影响较 大，其特点是当信号电平达到稳态时，微分噪声衰减为零。峰值采样保持信号调理技术是在 信号达到稳态时进行采样，恰好避开微分噪声的干扰。窄带滤波信号调理技术，滤除e(t)高次谐波后的基波ei (t)中虽然含流量信号的基波esl (t)和微分噪声的基波(t)，但相位 差为90°，且解调脉冲p(t)与esl(t)同步，与、⑴正交。如图3所示，相敏解调将 ⑴ 与P(t)相乘，低通滤波后正负相互抵消，有效去除了微分噪声和同相噪声。对^(0相敏 解调、低通滤波和直流放大可得到流速信号 τ Τ。3本发明的激磁电流源技术峰值采样保持信号调理技术是对e(t)的峰值进行采样、保持测量，所以只要求采 样时保持磁场B(t)稳定。窄带滤波信号调理技术则是对e(t)的基波进行平均值测量，此 时要求在e(t)的每个周期内磁场B(t)具有恒定的平均值。显然对产生磁场的激磁电流源 有更高的要求，为此我们设计了在每个周期内电流平均值恒定的恒均值激磁电流源，产生 满足窄带滤波调理技术所需的恒均值磁场。3. 1本发明的恒均值激磁电流源电路通过取样、比较实现闭环反馈调节的恒均值电流源，如图7所示。工作过程1.当i⑴恒定时，A点的Utl不变，B点有I1 = I2, Ic = 0，电容C1没有充电或放 电过程，积分放大器、调整管T的输出电压保持不变，电路处于稳流输出状态；2.当i(t)发生变化，I1 Φ I2，Ic (兴0)对C1进行充电或放电，经积分放大器调节 ub，改变功率管T的输出E。，实现i(t)的稳流。当i(t)增加，有i{t) t=> UO 个=Il /l > /2 Ub l=> Ec i{t) i若i(t)减小，则 微流量电磁流量计工作时，解调脉冲ρ (t)使Ql Q4开关管交替导通，恒均值电 流i(t)作用于激磁线圈，由激磁电流i Jt)产生恒均值稳定的交变磁场B(t)，如图8所示。3. 2温度变化对激磁电流的影响微流量电磁流量计工作环境复杂多变，其中温度变化的影响尤为明显。由于激磁
线圈的等效内阻R，存在温度系数，所以温度变化对R的影响不可忽视。当0°C的内阻为
100 Ω，在20°C为108. 568 Ω，30°C则为112. 844 Ω参考图7对激磁线圈电流回路分析，得到
激磁电流iL(t)表达式 输出电流i(t)表达式 式中T激磁周期 R激磁线圈内阻L激磁线圈电感E激磁电源电压设温度变化前线圈电阻为R1,温度变化后线圈电阻为R2,且R2 = R1 (1+ α )， 根据恒均值电流源所产生电流平均值是恒定的，可以得出温度变化前后i(t)的 峰值关系为 式中Ilm温度变化前i⑴的峰值E1A1I2m温度变化后i⑴的峰值E2/R2由于输出电流i⑴、激磁电流i Jt)的平均值均恒定，而信号调理部分要采用窄带 滤波取出基波，但基波的平均值不一定恒定，要分析其受温度变化的影响。对ijt) 进行傅里叶变换求出激磁电流基波为
则基波iL1(t)平均值为 温度变化对基波平均值相位的影响，设基波相位变化为Δφ，温度变化前基波平 均值相位为
Λ- [ ηθ θ = -, ( θ = ω + φ{),温度变化后基波平均均值相位为
因此温度变化对基波平均值的相位影响很小。 式中Iulm温度变化前基波的峰值Il12di温度变化后基波的峰值进而得知，温度变化对基波平均值的影响为 式中Jett温度变化前基波平均值的峰值Irn温度变化后基波平均值的峰值代入具体参数得知，当温度从20°C升高到30°C后，引起基波平均值的误差为 0. 378%。
β采用的恒压源激磁时，温度变化前= X ’温度变化后 E E
'2= f =明+妁κ ζ'ι (伐1 — ，若温度从20 °C升高到30 V弓丨起激磁电流的误差为 3. 9%。综合以上分析，在温度从20°C升高到30°C，激磁电流的误差从恒压源激磁的 3. 9%减小到恒均值电流源激磁的0. 378%。显然采用恒均值电流源技术为微流量电磁流量 计激磁，可使交变磁场的温度稳定性提高一个数量级。3. 3电网电压对激磁电流的影响如图7所示，激磁电压来自交流电网的变压和整流，当电网电压产生10 %的波动 时，电源电压E将随之变化[14]，若E = 24V，则波动范围是21. 6V 26. 4V。表1给出了恒 均值电流源在不同输出时的实测数据表1抑制电网电压波动的实测数据 注W调节输出电流的电位器值实测结论_当E在-17% (19. 9V) +10% (26. 4V)范围内变化时，激磁电流平 均值ij = u0/Rn)始终是稳定的。采用恒均值电流源能抑制电网电压的变化，输出恒均值 激磁电流，产生恒均值稳定的交变磁场。在电磁流量计中采用窄带滤波信号调理技术可使多种噪声干扰随带宽减小而降 低，并在相敏解调过程中有效去除微分噪声的影响，从而大大提高流量信号的信噪比，扩展 流量测量下限，为此设计的恒均值激磁电流源，当电网电压在-17 % +10 %范围内波动时，所产生的恒均值交变磁场 B(t)在周期内保持恒定，完全符合窄带滤波信号调理技术的要求，且能将其温度稳定性提 高一个数量级。上述研究成果已应用于我们研发的微流量电磁流量计，效果比较理想。其 样机的通水标定试验结果见表2。表2微流量电磁流量计通水校验数据
27.016626.519226.016625.819224.716624.519223.616623.219322.016522.019220.816621.219318.816620.119217.416518.719216.716017.8185
在测量下限为2L/h(0. 002m3/h，流速0. 026m/s)时，瞬时流量的零点稳定性优于 0. 1%，线性误差小于1%;当测量下限达到1.2L/h(0.0012m3/h，流速0.016m/s)时，仍具有 0.3%的分辨力。
权利要求
一种电磁流量计采用窄带滤波信号调理的方法，其特征是首先进行窄带滤波信号初步调理，在信号达到稳态时进行采样，恰好避开微分噪声的干扰从而抑制微分噪声，在每个周期内电流平均值恒定的恒均值激磁电流源，产生满足窄带滤波调理技术所需的恒均值磁场，即通过取样、比较实现闭环反馈调节的恒均值电流源。
2.根据权利要求1所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理的方法，其特征是所述 的抑制微分噪声是滤除e(t)高次谐波后的基波el (t)中虽然含流量信号的基波esl(t)和 微分噪声的基波eel (t)，但相位差为90°，且解调脉冲p(t)与esl(t)同步，与ecl(t)正 交相敏解调将ecl(t)与p(t)相乘，低通滤波后正负相互抵消，有效去除了微分噪声和同相 噪声，对el (t)相敏解调、低通滤波和直流放大可得到流速信号V1 (t)。
3.根据权利要求1或2所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理的方法，其特征是 所述的窄带滤波信号调理为先对放大后的流量信号e(t)进行窄带滤波，滤除高次谐波， 取出基波分量el (t)，并使噪声功率随带宽减小而降低，提高信噪比，再利用相敏解调降低 微分噪声影响，得到较为理想的流速信号Vl (t)。
4.一种权利要求1、2、3所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，其 组成包括前置放大器，其特征是所述的前置放大器与窄带滤波器信号滤波器连接，所述 的信号滤波器与解调器连接，所述的解调器与解调信号发生器连接。
5.根据权利要求4所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，其特征 是所述的窄带滤波器信号滤波器电子元件包括运算放大器、滤波电容Cl、滤波电容C2、 滤波电容C3、滤波电容C4、电阻R1、电阻R2，上述的各元器件间具有电路连接关系。
6.根据权利要求4或5所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，其 特征是所述的解调器是相敏解调器，由4只场效应开关晶体管组成。
7.根据权利要求4或5所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用的设备，其 特征是所述的解调器采用开关集成电路来构成相敏解调器。
8.根据权利要求4或5或6或7所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法使用 的设备，其特征是所述的解调信号发生器包括由美国ATMEL公司的AT89S53单片机或荷兰 PHILIPS公司80C552单片机构成的相敏解调信号发生器。
9.根据权利要求4或5或6或7或8所述的电磁流量计采用窄带滤波信号调理方法 使用的设备，其特征是所述的前置放大器包括美国AD公司的集成仪表放大器AD625CD或 AD624AD。
全文摘要
电磁流量计采用窄带滤波信号调理的方法及设备。现有技术对流量信号的放大普遍采用峰值采样保持信号调理电路，其宽带信号放大电路，使干扰噪声随流量信号一同被放大，把噪声频谱移频或混叠到流量信号的频带内，导致信噪比低、分辨率差、流量的测量下限难以扩展。本发明的首先进行窄带滤波信号调理，在信号达到稳态时进行采样，恰好避开微分噪声的干扰从而抑制微分噪声，在每个周期内电流平均值恒定的恒均值激磁电流源，产生满足窄带滤波调理技术所需的恒均值磁场，即通过取样、比较实现闭环反馈调节的恒均值电流源。本发明用于滤除流量信号叠加的干扰噪声，提高电磁流量计的性能，从而扩展流量测量下限，实现微流量准确测量。
文档编号G01F1/58GK101900585SQ20101011748
公开日2010年12月1日 申请日期2010年2月2日 优先权日2009年5月25日
发明者于晓洋, 吴海滨, 周真, 孙晶华, 牛滨, 马德仲 申请人:哈尔滨理工大学