摘要:提出采用帶阻濾波的信號處理方法，處理低頻矩形波勵磁下由傳感器輸出的信號，有效抑制工頻干擾。用MATLAB對算法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證算法可行性。選取MSP430芯片，研制出信號處理系統(tǒng)，進(jìn)行水流量的標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)測量精度優(yōu)于0.4%，達(dá)到了工業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)。

引言
    電磁流量計(jì)原理為法拉第電磁感應(yīng)定律.主要由流量常感器和變送器組成。電磁流量計(jì)有許多良好性能，如結(jié)構(gòu)簡單、較強(qiáng)的耐腐蝕性、較高的穩(wěn)定性、較高的精度等，在給供水、鋼鐵、石油、煤炭、化工、醫(yī)療、航海、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用「1]。流量傳感器的主要作用是當(dāng)流經(jīng)導(dǎo)管內(nèi)的導(dǎo)電液體做切割磁感線運(yùn)動時(shí)，會產(chǎn)生電動勢，將導(dǎo)電液體的體積流量轉(zhuǎn)換成需要的電信號，再傳送給變送器作進(jìn)一步處理。變送器主要由勵磁電路、濾波電路、前置放大調(diào)整電路、采樣電路、電流信號輸出電路及脈沖信號輸出電路組成。
    電磁流量技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在勵磁方案改進(jìn)和信號處理算法優(yōu)化方面。電磁流量計(jì)的勵磁方案直接決定了其抗干擾性能和零點(diǎn)的穩(wěn)定性。信號處理的重點(diǎn)是干擾噪聲去除，其中主要的干擾是工頻干擾、同相干擾、正交干擾、極化現(xiàn)象、白噪聲干擾和零點(diǎn)偏移。采用直流勵磁方案，將不會產(chǎn)生渦流效應(yīng)，并且有著較小的正交干擾和同相干擾;采用正弦波勵磁方案，可以很好地控制極化現(xiàn)象產(chǎn)生，并有著良好的抗噪能力;采用低頻矩形波勵磁方案，兼顧直流勵磁和正弦波勵磁的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。

    本文采取低頻矩形波勵磁方案。可導(dǎo)電的流體切割磁感線，從而在電極上會有電動勢產(chǎn)生，但是電壓十分弱，流量傳感器的輸出信號會受工頻干擾，帶來較低的信噪比，特別是在導(dǎo)電液體流速較低的情形下，有效的流量信號可能完全被噪聲信號覆蓋。本文在采取低頻矩形波勵磁條件下，在現(xiàn)有信號處理方法的基礎(chǔ)上，采取巴特沃斯帶阻濾波信號處理方法，可以有效消除50Hz的工頻干擾，以此來提高流量傳感器輸出信號的信噪比，并在MSP430上實(shí)現(xiàn)，可有效處理水流量信號。通過標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，擁有較為理想的測量精度和重復(fù)性。

1、帶阻濾波方法
1、1算法原理及推導(dǎo)
    流量傳感器的輸出信號和被測導(dǎo)電液體的流速之間存在一定的線性關(guān)系。在理想條件下，采用低頻矩形波勵磁方式時(shí)，從流量傳感器輸出信號，頻率和勵磁電流相同，并且輸出信號的幅值和導(dǎo)電液體的流速之間成比例關(guān)系。但是，實(shí)際中，流量傳感器的輸出信號會受到多種噪聲的干擾，經(jīng)常會摻雜著如微分干擾、串共模干擾、同相干擾等干擾，使流量信號和噪聲不能很好分離，可用方程(1)表示:

    式中，BDV是模擬流量信號。通過對流量傳感器輸出信號進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)輸出信號有著較寬的頻率范圍，所以采用常規(guī)的低通濾波很難將噪聲去除。針對流量傳感器輸出信號的特點(diǎn)，利用現(xiàn)有的模擬濾波器設(shè)計(jì)公式，實(shí)現(xiàn)巴特沃斯帶阻濾波器的設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表示為:

    因此，設(shè)計(jì)巴特沃斯帶阻濾波器的實(shí)質(zhì)就是要明確帶寬，并確定階數(shù)N，在MATLAB中完成濾波器的設(shè)計(jì)，并找出系數(shù)b,a，使其滿足預(yù)設(shè)的技術(shù)要求。

1.2濾波器實(shí)現(xiàn)
    電磁流量計(jì)的頻率輸出范圍由實(shí)際應(yīng)用場景決定，本文假設(shè)其范圍0^-100Hz。依據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為了無失真地恢復(fù)出采樣信號，取樣頻率為采樣頻率的2倍，即200Hz。為了去除50Hz工頻干擾，選取49Hz的下限截止頻率;選取51 Hz的上限截止頻率;折疊頻率為采樣頻率的1/2，取M=100;對通帶頻率作歸一化處理，取Wp=[4060]/100;對阻帶頻率作歸一化處理，Ws=[4951]/100;通帶衰減取值3dB，即p=3;阻帶頻率取值20dB，即s=20;確定階數(shù)N和截止頻率Wc, [ NWc] = buttord (Wp, Ws, p,s);最后確定巴特沃斯帶阻濾波器，[ H] = butter(N, Wc,'stopl');通過MATLAB，設(shè)計(jì)出巴特沃斯帶阻濾波器再繪制巴特沃斯帶阻濾波器的幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線，如圖1所示:

2、MATLAB仿真

    為了驗(yàn)證信號處理算法的可行性，需在MATLAB中，模擬工業(yè)現(xiàn)場下的傳感器輸出信號。因?yàn)閺牧髁總鞲衅饕猾@取的電壓信號十分弱，尤其在導(dǎo)電液體流速較小的情形一下，有用信號可能會淹沒在各種噪聲中。所以在MAT一LAB仿真時(shí)，要參考實(shí)際環(huán)境下輸出信號，模擬的傳感器一輸出信號，要摻雜著工頻干擾、同相干擾、白噪聲等干擾。l在導(dǎo)電液體的流速小于lm/s情形下，流量傳感器能獲取l到的電壓小于10mv。本文采用取低頻矩形波勵磁的勵磁l方案，選取50Hz工頻的1/8作勵磁頻率，即6. 25 Hz.因此，本文模擬輸出信號:

    式(3)中，等號右邊的各項(xiàng)依次表示所需的流量信號、工頻干擾、零漂、白噪聲。產(chǎn)生的信號如圖2所示。

 

    通過MATLAB，對模擬的傳感器輸出信號進(jìn)行巴特沃斯帶阻濾波，從圖3中可以看出噪聲在一定程度上被消除，具體哪種噪聲被去除，可以通過對信號作傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜。使用巴特沃斯帶阻濾波器濾波前后的對比結(jié)果如圖3所示：

    分別對上一步濾波前后的信號進(jìn)行FFT變換，得到頻譜圖，這一步是通過MATLAB實(shí)現(xiàn)的，濾波前后的頻譜對比如圖4所示。
    通過MATLAB，對信號處理算法進(jìn)行仿真，分別對濾波前后的波形圖、頻譜圖進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)此濾波方法可以有效濾除50 HZ工頻干擾，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的濾波方法的可行性。

3基于MSP430的算法實(shí)現(xiàn)
3.1系統(tǒng)硬件介紹
    基于TI公司的MSP430芯片，研制了電磁流量計(jì)的變送器，此芯片是16位超低功耗混合型微處理器[71，并且具有豐富的外設(shè)，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展。硬件原理如圖5所示，由前置放大調(diào)理電路、勵磁電路、電流信號輸出電路、脈沖信號輸出電路、LCD顯示、鍵盤、RS232模塊、開關(guān)電源構(gòu)成。前置放大調(diào)理電路主要完成對電極信號的放大、V/F轉(zhuǎn)換等功能，電流輸出模塊實(shí)現(xiàn)4- 2OmA電流輸出，脈沖輸出模塊實(shí)現(xiàn)脈沖量的輸出，LCD和按鍵用于配置和顯示流量相關(guān)參數(shù)，RS232用于通訊，開關(guān)電源用于給系統(tǒng)提供直流電壓。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊化的，都是由主監(jiān)控程序調(diào)用分配。軟件部分主要包括:初始化模塊、通信模塊、Watchdog模塊、信號處理模塊、驅(qū)動模塊等。總體框架如圖6所示。

    通過MSP430控制驅(qū)動模塊產(chǎn)生勵磁電流，以此激勵流量傳感器的勵磁線圈，從而將導(dǎo)電液體的流量信號轉(zhuǎn)換為微弱的電動勢，再對其進(jìn)行放大調(diào)理、整流濾波和偏置調(diào)整，最后送到AD652進(jìn)行V/F采樣[8]。在本文設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)中，采用帶阻濾波的方法對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到流量信號的幅值，再結(jié)合儀表的相應(yīng)參數(shù)，將幅值轉(zhuǎn)換成需要的流量信號，再通過Modbus將流量信息傳送至上位機(jī)。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通過水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證帶阻濾波算法的可行性。標(biāo)定方法有標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法和稱重標(biāo)定法，本文采取標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法，將被測表的測量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)表的測量結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)在上海自動化儀表有限公司進(jìn)行。將本文研制的轉(zhuǎn)換器與自儀公司150mm口徑的流量傳感器相連接，每一組的標(biāo)定時(shí)間為200s，結(jié)合相關(guān)的參數(shù)，計(jì)算出系統(tǒng)的測量精度和重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在頻率是6. 25 Hz的矩形波勵磁下，在流量范圍是20^-200m3/h的條件下，得到電磁流量計(jì)的測量精度高于0.4%，達(dá)到了工業(yè)測量要求。

4、結(jié)語
    本文主要針對電磁流量計(jì)的50Hz工頻干擾，提出采用巴特沃斯帶阻濾波的信號處理方法，運(yùn)用MATLAB實(shí)現(xiàn)巴特沃斯帶阻濾波器的設(shè)計(jì)。通過MATLAB仿真，驗(yàn)證了本濾波方法的可行性，將50 Hz工頻干擾有效地濾除，研制出基于MSP430的低頻矩形波勵磁的轉(zhuǎn)換器，并設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)處理信號。
    為了驗(yàn)證濾波算法的可行性，并測試電磁流量計(jì)的測量精度，采用標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法進(jìn)行了水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測量精度高于0. 4%，好于普通電磁流量計(jì)0. 5%的測量精度，達(dá)到了工業(yè)測量的標(biāo)準(zhǔn)，表明本文的研究方法可行。