低功耗電磁水表的信號處理方法

常興智

（寧夏隆基寧光儀表股份有限公司，寧夏 銀川 750000）

電磁水表基于法拉第電磁感應定律，通過采集流體流過磁場時的感應電壓來測量流速[1，2]，因其精度高、無運動部件等特點具有較大優勢。本文提出了一種低功耗電磁水表的信號處理方法。主要結構旋轉電容濾波器是基于相敏檢測技術，可以用通用運放、模擬開關及一般RC元件等器件組成，有中心頻率穩定、電路簡單、成本低廉等優點[3-5]。

1 電磁水表計量原理

電磁計量基于法拉第感應定律，即當導體在磁場中運動時，在電極上感應出與導體速度成比例的電壓。根據感應定律，感應出的電壓U，與被測液體的流速v、磁通密度B和內管直徑D成比例，如下所示：

式中，B為磁通密度（Wb/m2）；v為導電液體流動的平均速度（m/s）；D為管道直徑（m）；dl為導電液體直徑（m）；A為橫截面積（m2）；U為信號電動勢（V）。

當式（1）應用于電磁流量計時，需要加入校準因子K，信號電動勢U表示如下[4]：

式中，K是一個無量綱常數。信號電動勢U與液體導電接觸并由管壁上絕緣的電極拾取[6]。流量：

由式（2）、（3），可將流量由信號電動勢表示：

式中，QV是體積流量（m3/s）。從式（4）中可以看出，當磁通密度變化時，流量與信號電動勢U成正比。

2 旋轉電容濾波器

電極采集的電壓非常弱且帶有強噪聲，從強干擾中提取出有用信號是一個重要問題。根據感應信號與勵磁源頻率相同的特點，利用鎖相放大器對淹沒在背景噪聲中的流量信號進行提取。

2.1 旋轉電容濾波器原理

鎖相放大器的實現有模擬和數字兩種方式。數字鎖相放大器使用微處理器作為核心部件，模擬輸入信號由模數轉換器轉換為數字信號，然后送到處理器進行數字信號處理。參考信號也由處理器產生，可以靈活調整，以適應輸入信號的變化，效果優良[5，8]。

圖1 旋轉電容濾波器電路圖

然而數字鎖相放大需要進行大量數據計算，不適用于計算能力較低的嵌入式處理器。模擬鎖相放大電路結構簡單、濾波性能優良，更加適用于電磁水表。

旋轉電容濾波器作為鎖相放大器的一種特殊形式，可以實現濾波和相敏檢測的功能，由于具有抑制噪聲的能力，對特定頻率的信號進行放大，在科學研究和工業應用中得到了廣泛應用。

圖1為旋轉電容濾波器的結構。SW1和SW2是雙刀雙擲（DPDT）電子開關，其控制信號是頻率為f0的方波。當P（t）為高電平時，DPDT同時切換到A端；當P（t）為低時，DPDT同時切到B端。因此，電流源周期性地由電子開關改變方向對RC電路充電，相當于將P（t）乘以+1和-1。

2.2 旋轉電容濾波器性能分析

由電子開關調制的電流源可以表示為：

當P（t）的周期為T0，角頻率為P（t）的傅里葉展開式為：

設信號的角頻率為ω，RC并聯電路的阻抗為：

由于P（t）的調制，通過Z的電流由不同的頻率組成。對于每個元件，RC并聯電路的阻抗是不同的。對于元件RC并聯電路的阻抗可表示為：

因此，輸出電壓V0（t）可以看作與Zn的乘積，表示為：

圖2 旋轉電容濾波器電路幅頻響應

由式（11）可以看出，旋轉電容濾波器等效為中心頻率為（2n-1）f0的梳狀濾波器，其中n=1、2、3，如圖2所示。它對頻率為f0的分量及其奇次諧波進行窄帶濾波，同時抑制其他頻率的噪聲。輸出是一個頻率為f0的近似方波，振幅與輸入信號成比例。RC越大，頻帶越窄，抑制噪聲的能力越強。通過整流和低通濾波，產生與流量線性相關的直流信號。

3 實驗結果

3.1 仿真軟件及系統結構

采用labview和matlab軟件進行仿真。信號采集與處理如圖3所示。自舉放大器充當前置放大器，之后信號被差分放大以消除共模干擾，并發送到一個旋轉電容濾波器消除剩余的噪聲，最后輸出直流電壓，該直流電壓與流速線性相關。旋轉電容器濾波器從激勵信號獲得開關信號，以實現同步。

圖3 信號采集與處理電路的組成

3.2 實驗結果分析

放大電路輸出得到的信號含有大量的噪聲，無法對時域波形直觀有效地分析，如圖4所示。為了測試旋轉濾波器的信號處理效果，在頻域內對濾波器的輸入和輸出信號進行了比較和分析。頻譜分布如圖5、6所示。

圖4 放大器輸入信號

圖5 濾波器輸入信號頻譜

圖6 濾波器輸出信號頻譜

從圖4可以看出，輸入信號混合了較多的噪聲成分，其頻譜從低頻延伸到高頻區域，并且幅值都較高。而且在某些頻率點上，噪聲的振幅要比所需信號的振幅大得多。因此，放大電路輸出的原始信號必須經過適當的處理才能得到真實的流量信息。從圖6中可以看出，旋轉電容濾波器處理后的信號頻譜與圖2中旋轉電容濾波器的頻譜基本相同。濾波后的信號僅在激勵信號的基頻及其奇諧波頻率處有較大的峰值。最大值出現在基頻，與流量相關。這表明旋轉電容濾波器可以有效地過濾掉噪聲信號，其性能符合預期，可以顯著提高信噪比。

旋轉電容濾波器雖然能從強干擾噪聲中提取出微弱信號，但在某些情況下也有局限性。例如當噪聲的頻率與有用信號相同時，旋轉電容濾波器無法將這些噪聲濾除。產生這種現象可能是由于電路中存在交變磁場引起的同相噪聲和正交噪聲。由于頻率與勵磁頻率相同，所以旋轉電容濾波器不能將其有效濾除。其次噪聲頻譜較寬，濾波器通帶不夠窄也可能導致濾波器的效果較差。在這種情況下，一些噪聲落入濾波器的邊帶。旋轉電容濾波器不能區分它與實際的流量信號，導致系統產生一個錯誤的響應，最終導致計量漂移。

對于第一種情況，應對檢測電極、傳輸線、信號采集電路進行屏蔽，使信號線與磁場線完全平行，使通過電路回路的磁通量盡可能低。由于同相噪聲和正交噪聲只與勵磁頻率和回路中磁通量的變化率有關，可以被視為系統誤差，并通過校準加以消除。對于第二種情況，應該盡量最小化通帶寬度。相關研究表明旋轉電容濾波器的總等效噪聲帶寬為：

式中，Be為總等效噪聲帶寬；Ben為奇頻通帶寬度。如式（12）所示，噪聲的通帶寬度可以通過增加RC值來降低，從而使水表計量的零點穩定。

4 結束語

如何從強干擾噪聲中提取出弱磁感應信號是實現電磁水表計量的難點之一。采用自舉電路作為前置放大器，可以有效克服源極高阻抗的不利影響，保證采集信號的質量。由于電動勢信號檢測電路工作在具有復雜強電磁干擾的環境中，盡管采用了屏蔽方法，但采集到的信號不可避免地會混入各種噪聲。根據噪聲頻率分布較寬的特點，利用旋轉電容濾波器的選頻濾波特性，提取與勵磁信號頻率相同的感應信號，得到較為理想的流量信號。實驗數據的分析也證明了上述方法的有效性。