电容式电磁流量计信号处理新方法研究

　　电容式电磁流量计具有电极与被测流体不接触的特点, 因而从根本上解决了电极表面附着、腐蚀、摩擦、液体渗漏等问题。而且对传统接触式电磁流量计难以测量的低电导率液体如酒精等也能进行测量, 拓展了电磁流量计的适用范围, 在造纸、石油、化工、冶炼等行业有着良好的应用前景[ 1] 。

　　由于电容式电磁流量计采用了电容耦合的方式来检测流量信号, 耦合出来的感应信号微弱, 并夹杂有一定的液体流动噪声, 同时易受外界干扰, 信噪比较低[ 2-4] 。目前感应信号的检出方式主要有两种: 一是直接检测感应信号电压; 二是通过/ 虚地0技术, 检测感应信号的电流[ 5] 。电流检测方式流量测量受耦合电容值变化的影响较大, 一般较少采用。常用的电压检测方式由于传感器的耦合电容值一般为几十皮法, 在几百赫兹的励磁频率下, 信号源内阻很高。为检出信号, 转换器电路需要有极高的输入阻抗, 一般在1012 8 以上, 如此高的输入阻抗电路很容易引入干扰, 使信噪比进一步恶化[ 6] 。因而除了在传感器和电路设计中尽量屏蔽干扰外, 后续的放大检出电路需要有很高的信噪比。

　　本文在信号处理中引入了互相关检测方法, 采用了适合电磁流量计信号特点的旋转电容滤波方式, 以简单的硬件电路实现了流量信号的检出, 研制的样机测试结果表明该方法是有效的。

　　1 互相关检测方法

　　互相关检测是应用信号周期性和噪声随机性的特点, 通过互相关运算, 去除噪声的一种弱信号检测方法[ 7] 。如果发送信号的频率已知, 就可在接收端发出相同频率的/ 干净的0本地参考信号, 与混有噪声的输入信号进行相关, 能显著提高电路的抗干扰性。

　　因此, 对于一个已知频率的信号, 选择一个合适的参考信号与之进行相关运算, 就可以将该微弱的信号检测出来, 而将其他频率的干扰信号进行屏蔽。同时互相关检测的抗干扰能力受积分时间限制, 积分时间越长, 抗干扰能力越强, 需要的测量时间也就越长。

　　对于高频励磁的电容式电磁流量计来说, 被测流体的流量变化是缓慢的, 因此有足够的时间来满足相关运算对时间的要求。并且电磁流量计的信号是由与励磁电流频率相同的交变磁场产生的, 具有与励磁电流相同的频率, 采用矩形波励磁, 参考信号可以从励磁控制信号中获得。一般来说, 流体中的各种噪声及电路中引入的干扰与参考信号不相关,因此, 可以采用互相关检测方法来检测强噪声背景中的流量信号。图1 为电磁流量计信号互相关检测框图。

　　2 旋转电容滤波

　　2. 1 旋转电容滤波器