抗干扰技术在智能电磁流量计中的应用-江苏创辉自动化仪表有限公司

电磁流量计由于其可靠性高、耐腐蚀性强、测量精度高、容易变更测量范围等特点,目前在石油、化工、治金、造纸等行业得到**应用;特别在能源短缺的今天,电磁流量计的发展为资源的科学管理提供了重要基础技术支持。然而,科学技术的迅速发展向电磁流量计提出了更高更新的要求,尤其是流量测量的精确度和稳定性方面。电磁流量计中干扰信号与流量信号混在一起,不仅成分复杂而且有的干扰信号数量级与流量信号相当,此外噪声进入微处理器可能造成系统运行异常,在这种情况下,如何抑制干扰成为研制和使用电磁流量计的一项关键技术。

1.电磁流量计中噪声的产生机理及对策
电磁流量计工作原理基于法拉第电磁感应定律,通过测量导电流体在磁场中的感应电动势来推算流体流量。励磁磁场,感应电动势采集电极,信号运算放大电路以及模数转换器都容易受到工作现场的电场和磁场辐射耦合,因此电磁耦合是流量测量中的*主要的干扰方式。其次被测液体的电化学反应和泥浆干扰是流量测量的另一噪声来源。
1.1微分干扰机理及对策
在现行的电磁流量计设计中,低频矩形波励磁结合了直流励磁和交流励磁的优点,成为主要励磁方式之一。在低频励磁方式下其干扰主要表现为:由励磁电流突变产生的微分干扰信号。理想励磁磁场信号如图1-1所示,为低频矩形波,实际上随着励磁电流变化(dI/dt)磁场上产生微分干扰信号,如图1-2,可以看到随着电流的稳定,干扰信号随之消失,因此同步采样技术可以有效抑止微分干扰信号。实际设计中模数转化器使用AD公司的24位sigma delta模数转化器AD7714。AD7714可以分别采用硬件和软件方式进行采样开始时间控制从而实现同步采样。采用软件方式时,当控制寄存器中FSYNC位为逻辑1时,模数转换器处于复位状态;向该位写逻辑0时,器件开始采样输入信号。在应用中,低频励磁信号由MSP430单片机内部定时器产生,同时产生采样信号。如图1所示,采样开始时间滞后励磁信号1/4个周期。
1.2工频耦合干扰机理及对策
在电磁流量计工作现场存在大量工频信号,耦合在励磁回路、电极、前端放大器的工频干扰噪声对流量的准确测量造成极大影响。其中辐射耦合到励磁回路的工频辐射磁场(包括其谐波)造成励磁磁场波动,影响流量测量,当流体流速较小时,工频干扰信号与有效流量信号在同一数量级,严重影响测量结果。

已知工频耦合噪声基波频率为50Hz,因此可以采用模拟或数字滤波器使滤波器带宽限制在50Hz以内以抑制噪声。在实际应用中使用 sigma delta模数转换器AD74内部包含的数字滤波模块,数字滤波器相对模拟滤波器除具有灵活性高、参数设置方便等特点还可以降低AD转换期间引人的噪声。AD774数字滤波器为(sinr/x)3低通滤波器,其在频域的传递函数为:

其中:fs为采样频率,AD714采样频率为19.2kHIx;N为滤波采样个数,f为数字滤波器响应频率。通过设定滤波采样个数可以改变数字滤波器的截止频率和一次陷波频率。在本设计中综合考虑模数转换速度和去除噪声性能,设置N值另滤波器截至频率为50Hz,滤波器频域响应如图2所示,滤波器对工频50Hz及其偶次谐波有很好的抑止作用。

除使用数字滤波器外,在A/D输人端设置RC模拟低通滤波器还可以带来额外的好处。在实际测量观察到的流量信号中存在尖脉冲噪声,可能使模数转换器饱和,导致数字滤波器失效,使用模拟滤波器可以提前剔除这些信号。
1.3共模干扰、串扰产生机理及对策
共模干扰的产生主要是由于电磁屏蔽缺陷,接地不良、杂散电容等引起返回电流不平衡。共模干扰可能导致电路某些参考电位变化,是造成电磁流量计零点漂移的原因之一;同时共模信号产生很高的辐射电场使电路的电磁兼容性恶化。串找扰是由于印刷电路板设计电磁兼容性考虑不足造成信号质量下降,特别是高速走线和模拟电略易受到影响。
对由共模干扰信号导致的参考电位变化,应用中流量电压采用差分形式通过双绞线送入放大器,前端放大器选用共模抑止比高,低漂移高输人阻抗的运放,可以有效抑止共模干扰。此外,电磁流量计电路板设计符合电磁兼容性要求降低串扰对信号的影响。使用满足功能要求的速率尽可能低的逻辑器件。选用在逻辑状态变换过程中输入电流消耗更小的元件。尽可能选择表面封装的元器件。合理安排元件布局,模拟与数字部分隔离,防止数字信号影响模拟信号。适当配置去耦电容,选择合适的电容容量,去耦电容尽量靠近元器件。对于敏感信号回路,如时钟信号,模拟输人信号严格控制回路面积。铺设地平面提供低阻抗信号回路,加强屏蔽效果。
1.4其他干扰对策
电化学极化电动势干扰是被测液体中电解质在感应电场作用下在电极表面极化产生,是电磁流量计零点漂移的主要原因之一。采用交流励磁方式可以有效减小极化电动势,此外在应用中微处理器运算时将两次流量电压采样值相减不但可以减小极化电动势而且可以补偿由共模干扰带来的零点漂移。
泥浆干扰是在测量泥浆、纤维浆等固液两相特性液体时,固体颗粒或者气泡与电极摩擦,在电极表面的电化学电动势突然变化,电磁流量计传感器输出信号输出尖峰脉冲状干扰。在低频励磁情况下泥浆干扰产生的尖脉冲数量级大,极大影响流量的准确测量,在实际设计中,采用多种信号处理混合方式抑制噪声,原理框图如图3所示。

流量计正常运行时尖峰脉冲噪声出现的概率小,被测液体流速不会在短时间内变化,基于以上特性,对流量信号进行限幅滤波处理:当前输入信号相对上周期输人信号超出噪声容限范围,该信号被认为是噪声信号不进一步计算。滑动平均滤波是处理流量信号经常采用的信号处理办法,可以有效降低采样误差;滑动平均滤波函数的脉冲响应时间是受滑动窗口数控制的,如果能动态调整窗口数,那么响应速度就会大大提高;在应用中使用改进的滑动平均滤波函数,通过响应时间控制器控制滑动窗口数,当响应时间超过设定值时将窗口数设为1,使输出信号迅速变化,获得的很好的动态性能。

2.抗干扰技术在电磁流量计中的应用
微处理器是电磁流量计的核心单元,控制整个系统的运行。当单片机应用系统的CPU受到干扰时,可能造成的影响有:非正常修改程序计数器指针;改写可编程输出端口状态;非正常修改数据区的数据;以上不良影响会使单片机程序失控,其后果是非常严重的。结合智能电磁流量计的工作特点和MSP430系列单片机的特性,采用软件与硬件抗干扰技术相结合提高系统运行的稳定性。
2.1硬件抗干扰
由于软件抗干扰措施是以牺牲CPU效率为代价的,如果没有硬件消除绝大多数干扰,CPU将疲于奔命,无暇顾及正常工作,严重影响系统的工作效率和实时性。
电磁流量计输出单元一般包括4~20mA电流输出,集电极开路的频率输出以及工业现场总线接口等,在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输是很有好处的,它将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来,很大一部分干扰将被阻挡。
MSP430单片机与外围设备如模数转换器,EEPROM等采用总线通信方式。当信号同时切换时会引起“地弹”和串扰。在电路板布线时,总线尽量使用地线包围,电路采用多点接地方式。总线通信速度设置为1K~1MHz,高速信号线路极易受到电磁于扰,严重时使逻辑状态混乱致使单片机和外围设备失控,总线采用上拉电阻方式,可以提高逻辑电路噪声容限,使总线通信更加可靠。
MSP430的通用端口可以设置为输入和输出两种状态,对于没有使用的端口,全部设置为输出状态,防止CPU受到意外干扰。
2.2睡眠状态抗干扰
电磁流量计中微处理器很多情况下是在执行等待指令和循环检查程序,这时CPU没有工作,但却是清醒的,很容易受于扰。MSP430系列单片机提供了多种睡眠状态,让CPU在没有正常工作时休眠,必要时再由中断系统来唤醒它,之后恢复休眠状态,从而使CPU受到随机干扰的威胁大大降低,同时降低了CPU的功耗。
2.3指令冗余与软件陷阱技术
程序正常运行时,指令计数器始终指向下一条指令的**个字节,当单片机受到干扰时,可能引起程序计数器的非正常修改,将操作数当作指令码执行,造成程序误操作。MSP430单片机采用RISC指令内核,指令宇有单字节,双字节和三字节指令三种,在双字节和三字节指令后插人两条单字节指令,
程序失控时也可以迅速进人预期控制轨道。综合考虑CPU效率和抗于扰能力,在对程序流向起关键作用的指令处,如跳转指令、中断恢复指令等,插入两条“NOP"单字节空操作指令,以保证“跑飞”的程序迅速纳入正确的控制轨道。
为了防止单片机输出口状态意外修改,定期重新定义输出口状态。MSP430单片机内部集成很多外围设备,如UART,SPI串口,定时计数器等,为了防止这些设备的相应控制寄存器被意外修改,每次使用时都需重新设置。指令冗余使“跑飞”的程序安定下来是有条件的:程序计算器必须指向到程序区。当程序计数器落到非程序区,如ROM中未使用的空间、中断向量表,数据区,则冗余指令失效。采取额外措施就是设立软件陷阱。所谓软件陷阱,就是一条引导指令,强行将捕获的程序引向对程序出错进行处理的程序,一般安排在未使用的中断向量,未使用的ROM等。MSP430单片机具有多个中断发生源。正常工作时,执行完中断服务程序后,相应的中断标志位会被硬件自动复位;当单片机受到干扰,运行异常时,可能会触发没有使用的中断,导致系统不能正常工作。因此在未被使用的中断向量处插入冗余指令,使中断自动返回,如:“ NOP NOP RETI"。
对于没有使用的ROM,程序烧录器默认写人字0xffff,该字对于指令系统是一条指令,这条指令会修改单片机内部寄存器值;如果程序“跑飞”进入这段ROM中,可能造成数据运算错误。因此在未使用的ROM中写入代码,使程序跳转到出错处理程序。
2.4数据存储冗余技术
电磁流量计正常运行需要很多参数:流量标定值,累计流量值,以及流量计信息等。这些参数非常重要,尤其是累积流量值必须妥善保存。为了防止程序对参数的意外修改,对数据做冗余存储处理。在具有掉电保护功能的外部存储器中存储三份数据,读取参数时,判断参数是否有效,流程如图4所示。

3.结束语
智能电磁流量计的设计中应用上述多种抗干扰技术,使测量的精确度和运行稳定性得到了提高,拓展了电磁流量计的应用范围,开拓了更广阔的市场。

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