高精度电磁流量计，通过基于复杂可编程逻辑器件的波形识别进行空管检测

Summary

本研究通过优化激励波形、应用多级滤波和使用基于复杂可编程逻辑器件 （CPLD） 的整流来提高电磁流量计的精度。一种基于波形的新型空管检测方法提高了可靠性。实验表明，在 0.1-15 m/s 范围内精度为 0.1%，验证了工业适用性。

Abstract

传统的电磁流量计在测量过程中天生容易受到外部干扰和速度分布不均匀，这严重限制了其精度。在本研究中，提出了一种改进的方法，该方法优化了激励驱动波形，对电极输入进行了多重滤波和放大，并使用复杂的可编程逻辑器件实现了正负感应信号之间的快速切换。这样可以实现平滑整流，并与软件过滤技术相结合，实现高精度性能。此外，通过识别激励波形和输入波形模式来实现空管检测。

实验验证表明，所设计的电磁流量计在0.1-15 m/s的流速范围内达到了0.1%的精度，系统重复性误差小于1%。结果验证了所提方法在高精度流量测量中的有效性。该研究表明，可以以最小的额外成本实现高精度检测，这对于工业应用非常重要。

Introduction

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律运行的流量测量仪器。与传统的机械式流量计相比，电磁流量计对各种介质的适应性更强，对直管段的要求更低¹.当流体通过管道时，电磁流量计产生磁场并测量流体中的感应电压差以计算流速².电磁流量计特别适用于化工和石油工业 ^3,4,5 等复杂环境。然而，由于电磁流量计在恶劣环境中运行，其精度容易受到外部干扰⁶的影响，因此需要改进检测技术来提高精度⁷。

可以通过多种方式提高准确性。优化电极形状已被证明可以有效提高精度⁸，优化励磁线圈的磁场可以显著提高流量测量精度，同时保持磁场均匀性⁹。此外，驱动波形的改进（例如使用双频驱动）可以有效提高精度¹⁰.然而，这些方法在处理复杂环境下的动态变化时，仍然存在适应性不足、灵活性有限的问题。

为了提高电磁流量计在复杂环境中的性能，本研究实施了两项旨在提高准确性和稳定性的关键增强功能。首先，实现多级阶跃波形驱动，以抑制高次谐波并优化激励波形。其次，通过结合基于复杂可编程逻辑器件 （CPLD） 的硬件滤波、整流和基于软件的滤波技术，增强了信号处理能力。

由模拟开关控制的阶跃波形驱动可有效抑制传统方法中通常出现的高次谐波。通过调整电流步进幅度和开关时序，优化了激励波形，减少了对电极的干扰。此外，经过多级放大和带通滤波后，信号得到有效去噪并增强其强度。此外，正负半周期信号被分离和重新组合，以确保信号稳定性，从而提高测量精度。这两项增强功能的集成显著提高了流量计的精度和抗干扰能力，使其在复杂的工业环境中更加可靠。

在工业应用中，管道可能并不总是充满流体。如果液位低于测量电极，电磁流量计将无法提供有效的流速读数，这使得空管检测成为系统可靠性的一个关键方面。传统的空管检测方法主要依赖于电导率变化，但这些变化极易受到流体成分和浓度变化的影响，从而导致动态条件下的不稳定。

为了应对这些挑战，已经探索了替代检测策略。已经提出了一种基于电极电容变化的方法¹¹，但当流体特性发生变化或存在外部干扰时，其性能会恶化。同样，已经引入了一种利用干扰幅度变化的方法¹²;然而，其基于阈值的检测机制受液体类型的显著影响，限制了其适应性。这些限制凸显了对更健壮和适应性更强的解决方案的需求。

该文还提出了一种基于波形的空管检测方法，利用激励波形与信号处理机制之间的相关性来分析波形特性。这种方法通过消除对波幅变化或电导率波动的依赖性，有效地提高了检测准确性。更重要的是，它增强了稳定性和可靠性，尤其是在流体特性和外部干扰经常变化的复杂工业环境中。

综上所述，本研究提出了一种高精度电磁流量测量方法，可以提高复杂环境下的准确性和稳定性。该方法将多级放大和滤波过程与优化的激励波形和基于 CPLD 的整流集成在一起，以有效抑制高次谐波并减少噪声干扰。此外，还采用了基于软件的滤波技术，以进一步优化信号，提高测量稳定性并减少外部干扰的影响。此外，还引入了一种基于波形模式识别的空管检测方法，与传统的基于振幅或电导率的方法相比，提供了更高的检测可靠性。

值得注意的是，管道中的速度不均匀性会引入严重的测量误差¹³。因此，本研究假设均匀的速度分布是确保高精度流量测量的先决条件。实验结果表明，所提方法在 0.1-15 m/s 的速度范围内实现了 0.1% 的测量精度，重复性误差小于 1%。这些发现验证了所提出的方法的有效性，并为高精度工业流量测量应用提供了有前途的解决方案。未来的研究将侧重于进一步评估该方法对不同流体特性和外部干扰的适应性，以增强其在实际环境中的稳健性。

Protocol

1. 电极感应电压的处理

1. 将传感器两侧的感应电动势作为输入信号（图 1A）。
   注意：原始电压信号极弱，受噪声严重污染，信噪比 （SNR） 较低。
2. 应用 10 倍差分放大器来放大信号（图 1B）。
3. 继续将信号馈送到一个有源的二阶带通滤波器中，该滤波器由级联的高通和低通滤波器级组成。最初，通过高通滤波器去除低频分量，然后通过耦合电容器将滤波后的输出引导至随后的低通滤波器级。在此阶段，抑制残余高频噪声，生成的输出波形如图 1C 所示。
4. 使用反相放大器放大去噪后的信号，如图 1D 所示。
5. 通过反相放大器实现 -1 的增益，以将负极性信号转换为正极性信号，同时保持其幅度不变。
6. 将正半周期信号和负半周期信号（图 1E）分别引导至模拟开关的两个通道，并同时将两个信号输入到比较器中。
   1. 使用 CPLD 处理比较器生成的两个输出信号，以检测管道空置状态并确定流体流动方向。
   2. 利用 CPLD 控制模拟开关的通道，采用过零检测来精确调节开关时序，从而仅引入最小的延迟（图 1F）。
7. 通过模拟开关进行选通后，将信号馈入第三级信号放大器。
8. 应用积分低通滤波器来处理信号，然后将处理后的信号（图 1G）传输到微控制器单元 （MCU） 进行后续计算作。

2. 实施原理图和工作原理

1. 如图 2 所示放置信号放大器，将信号放大 10 倍。
2. 将信号放大器连接到带通滤波器。
3. 将次级放大器连接到带通滤波器的输出端。直接缓冲正半周期信号进行输出，同时在输入到模拟开关之前通过逆变器路由负半周期信号。
4. 在模拟开关下方配置两个比较器。将比较器输出信号传输到 CPLD，并利用 CPLD 根据顺序逻辑控制模拟开关的开/关状态。
5. 经过二次滤波后，将来自模拟开关输出的整流信号输入可变增益放大器。
6. 将处理后的信号通过低通滤波器路由到处理器的模数 （AD） 转换通道。

3. 正向和反向流量的确定

1. 如图 3A 所示，观察到正向流动模式的特征是激励信号的下降沿对应于低电平正向传导信号。
2. 请注意， 图 3B 中所示的反向流动模式表现为激励信号的下降沿与高电平正向传导信号的激活之间的时间对应。
3. 采用 CPLD 来区分两种特征信号模式，从而实现正向和反向水流之间的精确区分。

4. 线性校正

1. 应用分段线性校正方法，使用以下校正函数的数学表达式来校正输入信号：
   
   其中 y 是校正后的流速，f 是标准仪器生成的流速，n 是段数， k_i 是第 i 个区间的校正系数， x_i 是第 i 个区间的上限值。
2. 使用以下数学表达式，使用线性回归斜率公式，基于最小二乘法推导出校正系数公式：
   
   其中 k 是校正系数， n 是数据点的数量， x_i 是实验仪器测量的流速， y_i 是标准仪器生成的流速。

Results

为了确保标准化的实验条件和结果的可靠性，实验利用 图 4 所示的液压泵产生稳定的标准水流作为实验环境。由于其稳定的功率输出特性，该液压泵产生的水流可以近似为恒速流，从而满足均匀流体输送的实验要求。使用的标准仪器是 ABB-DN50。原型设备如图 5 所示。

重复性测试结果详见 表 1。对于每个流速测量点，进行了三次重复实验以评估测量系统的可重复性。结果表明，该系统具有高度的稳定性，特别是在中低流速范围 （<0.3 m/s） 中，该系统在多次试验中表现出出色的测量精度和可重复性。分析了重复测量的标准偏差和变异系数 （CV），进一步证实了系统的一致性。此外，该系统表现出出色的固有线性度，确保在整个测量范围内具有精确的线性响应。这些发现突出了仪器在实际应用中的测量精度、可重复性和可靠性

Discussion

电磁流量计中激励波形有多种实现方式，其中方波激励和阶跃波激励是两种常用的类型。方波激励因其实施简单而被广泛采用¹⁵.然而，这种方法在激励开关的瞬态阶段容易诱发涡流效应，从而对测量信号的稳定性产生负面影响¹⁶。此外，零点漂移问题在方波激励中更为明显，尤其是在低流速情况下，导致测量误差增加¹⁷。

相比之下，阶跃波激励通过调整离散级的磁场强度来缓解这些问题，与方波激励相比，它限制了线圈电流的变化率。因此，它减少了高次谐波，减轻了涡流损耗，并最大限度地减少了电磁干扰和能量耗散。此外，其较低的谐波含量进一步抑制了涡流引起的测量误差。与会感应连续涡流和持续能量损失的正弦波激励不同，阶跃波激励会破坏涡流的形成，提高信噪比 （SNR），同时避免方波的高频干扰。

鉴于这些优势，阶跃波激励因其卓越的涡流抑制和谐波优化而更适合电磁流量计应用。通过显著提高信号稳定性和增强 SNR，步进波激励提供了更准确和可靠...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
电磁流量计ABB		ABB-DN50	标准仪器，与本文仪器进行比较。
电磁流量计传感器	ABB	ABB-DN50	用于收集感应电动势。