基于冷却水流量计的电极干扰信号仿真研究
摘要：传统冷却水流量计在消除微分干扰时大多数采用在硬件电路上消除或者避开微分干扰时段进行采样，很少研究影响干扰的原因。基于真实电极情况，建立电极回路测量模型并基于模型进行电极信号仿真，研究了传感器参数和电极参数变化对微分干扰的影响。 结果表明，当参数取值不同时尖峰干扰也不相同，从而为研究和消除干扰减小测量误差提供理论依据。
冷却水流量计是基于法拉第电磁感应定律的流量仪表， 主要由传感器和变送器组成，传感器将待测流体转换成电信号，变送器对电信号进行一系列的处理转换成实际对应的流量。 理想情况下电极上感应出的电势与流体流速成正比， 但在实际中电极信号掺杂许多干扰信号，主要的干扰为微分干扰、同向干扰、工频干扰、共模干扰、串模干扰、浆液干扰和极化干扰等。 为确保流量计测量准确性须对干扰进行抑制， 如采用交流励磁克服极化干扰、高共模抑制比差分放大器克服共模干扰、励磁频率为工频整数倍克服工频干扰、良好接地技术和静电屏蔽克服串模干扰、浆液噪声符合 1 ／ f 特性可通过提高励磁频率加以克服。
经上述信号处理方法之后电极上主要的干扰为微分干扰。 当采用交流励磁时，由于存在励磁线圈等效电感，励磁切换过程中励磁电流存在渐变过程，在这一过程中磁感应强度处于非稳定状态，变化的磁场穿过由被测流体、测量电极、电极引出线和变送器共同组成的闭合回路， 实际中该回路不可能与磁力线保持平行，此时励磁线圈相当于变压器的初级线圈，闭合回路等价于只有一匝的次级线圈且回路大小可等效为回路电感。 根据“变压器效应”会产生一个尖峰即微分干扰叠加在电极上，影响流量的测量。
1 微分干扰相关研究
当前国内外许多专家学者对微分噪声消除做了大量研究，周真等提出建立电极间信号数学模型的方法，成功分离交流微分干扰信号和直流流量信号，分离后的干扰信号经过滤波器滤除；何小克提出数模混合相关滤波法，方波励磁时微分信号和参考信号相乘后通过低通滤波器，其值为零消除干扰，正弦波励磁时干扰信号与流量信号相位相差 90°互相关函数为零特性消除干扰，但文中并未考虑参考信号带来的误差影响，需要额外引入补偿装置修正误差；付振江利用相敏解调技术，施加与流量信号基波同频的解调方波控制信号使解调后的干扰波形面积大小相等方向相反平均值为零；李飞采用变送器调零法，调整电位器的中心触点找到一个平衡点使两个回路电流抵消消除干扰；周美兰等
提出在硬件电路上加入模拟开关， 干扰尖峰到来时断开模拟开关避免干扰进入后级电路，尖峰过去重新打开模拟开关；k．saito 等提出漂移校正法，先以高励磁频率进行励磁，在励磁过程中插入低励磁频率提取用于漂移校正的非固定微分噪声分量，但在插入的低励磁频率段浆液噪声较大且很难将浆液噪声与流量信号分离，此时的校正因子非单纯的非固定噪声分量，改进措施是长时间取平均值得到稳定因子。 传统方法是同步采样保持法，即在磁场稳定阶段采样。 其他消除干扰的方法有设置干扰补偿机构、控制励磁电流变化率减小干扰幅值、矩形波代替梯形波、希尔伯特黄变换结合傅里叶变换和程控增益技术等。经上述对现有的文献分析与总结可知， 当前消除微分噪声主要从信号处理方面入手，并未对影响噪声的因素加以研究。 本文建立电极测量回路等效模型，给出仿真模型搭建、参数取值和仿真结果分析。
2 电极测量回路模型建立
2．1 测量回路等效模型
测量电极与流体介质接触时会发生电化学反应在电极－溶液界面形成阻抗，通常由法拉第阻抗与双电层电容并联组成。 法拉第过程分为电荷传递过程和扩散过程，相应的法拉第阻抗由电荷传递电阻与扩散阻抗串联组成。一般的励磁频率大于1hz，而扩散阻抗发生在更低频率内，不考虑扩散过程，电极等效阻抗为电荷传递电阻与双电层电容并联后再与电极接触电阻串联。 基于电极阻抗建立的电极等效测量回路如图 1 所示。图中：rs1 和 rs2 为电荷传递电阻；c1 和 c2 为双电层电容；rt为两个测量电极间的接触电阻满足 rt＝rt1＋rt2；lx 为励磁线圈等效电感；l1 为闭合回路等效电感；r1 和 r2 为放大器输入电阻；p1和 p2 为由“变压器效应”叠加在测量电极上的微分干扰；u1 为流体切割磁力线产生的感应电势；ue 为励磁电压。 假设磁感应强度由励磁电流决定且成正比关系即 b＝ai，忽略串模等干扰则电极间电压为感应电势与微分干扰的叠加，基本方程如下：
2．2 参数取值
电极上的感应电动势在没有经过放大之前一般很小， 取值在几毫伏到几百毫伏之内，本次仿真中流速感应电势取 10mv。放大器的输入电阻远远大于内阻，文献中给出电荷传递电阻为 rs＝50ω。 电极接触电阻与溶液电导率有关一般取 rt＝15kω。双电 层 电 容 c1＝20μf。 将各参数值代入到式（7）中，可得 k1＝0．998，t1＝0．001，t＝9．9×10－4。 理想情况两个电极参数取值相等， 实际中两者会存在差异对于电极 b 可 取 k1＝0．997，t1＝9．75×10－4，t2＝9．74×10－4。
3 基于 matlab 的电极信号仿真
3．1 仿真模型
本文基于 matlab 中 siumlink 对电极信号进行仿真，励磁方式为三值波励磁，励磁频率 f＝25hz，传感器参数 d＝40mm、rx＝88．8ω、lx＝162mh，励磁系统参数 ue＝100v、稳态电流 i0＝200ma。基于电极测量回路搭建的仿真模型如图 2 所示，图中信号模块 pulsgenerator 通过加法器、乘法器得到励磁电流。由公式（1），在固定流速下感应电势与励磁电流成正比，通过增加 gain1 模块得到感应电势信号。 对励磁电流进行求导即经模块 derivative 得到微分噪声， 其中 gain 值与 lx 和 l1 相关。 感应电势与噪声经add1 叠加之后得到电极信号 e1（t）。 scope 观察输出信号波形。仿真波形和真实波形如图 3 所示。 将传感器参数代入到励磁电流稳态调节时间公式中，得电流上升时间为 360μs，测得实际上升时间为 390μs，两者相差不大，验证了仿真模型的正确性。
3．2 仿真实验
仿真试验中，设定线圈等效电感取值范围为 162～212mh，间隔 10mh；闭合回路等效电感范围 0．2～1mh，间隔为 0．2mh；双电层电容、接触电阻随流体电导率变化而变化，电导率增大接触电阻和双电层电容减小而电荷传递电阻增大。可设定电极接触电阻、双电层电容和电荷传递电阻范围分别为 5～15kω、10～20μf 和50～60ω，由公式（7）知，可用 t2 表示上述三者关系。 仿真参数取值不同情况下，通过 matlab 工具箱对仿真测量得到的干扰峰值进行曲线拟合画出相应的曲线图。 其中仿真数据和相对应的曲线方程如表 1～表 4 所示，曲线图如图 4～图 6。
3．3 仿真结果分析
图 4 为改变励磁线圈等效电感其它值保持不变时测得的干扰结果，可以看出，当线圈等效电感取值不同时，干扰峰值存在变化，电感越大线圈中电流上升（下降）时间越长，微分干扰越大。图 5 为改变测量回路等效电感即等价于改变交变磁力线穿过测量回路等效面积时测得的干扰结果， 随着值增大干扰呈逐渐增大的趋势。 因此要避免电极走线偏离，尽量保持回路与磁力线平行以减小干扰。
图 6 为电极等效阻抗值变化时测得的干扰结果， 当溶液电导率改变时电极等效阻抗值变化， 同样会对微分噪声产生较大影响。 电导率越大干扰峰值越小。
4 结束语
本文运用 matlab 仿真软件对冷却水流量计电极信号进行建模仿真，通过该模型分析励磁线圈等效电感、闭合回路和电极等效阻抗取值变化情况下微分干扰变化， 得到影响微分干扰原因， 从而为后续研究及消除干扰得到真实流量信号减小测量误差提供理论依据。
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经上述信号处理方法之后电极上主要的干扰为微分干扰。 当采用交流励磁时，由于存在励磁线圈等效电感，励磁切换过程中励磁电流存在渐变过程，在这一过程中磁感应强度处于非稳定状态，变化的磁场穿过由被测流体、测量电极、电极引出线和变送器共同组成的闭合回路， 实际中该回路不可能与磁力线保持平行，此时励磁线圈相当于变压器的初级线圈，闭合回路等价于只有一匝的次级线圈且回路大小可等效为回路电感。 根据“变压器效应”会产生一个尖峰即微分干扰叠加在电极上，影响流量的测量。
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2．1 测量回路等效模型
测量电极与流体介质接触时会发生电化学反应在电极－溶液界面形成阻抗，通常由法拉第阻抗与双电层电容并联组成。 法拉第过程分为电荷传递过程和扩散过程，相应的法拉第阻抗由电荷传递电阻与扩散阻抗串联组成。一般的励磁频率大于1hz，而扩散阻抗发生在更低频率内，不考虑扩散过程，电极等效阻抗为电荷传递电阻与双电层电容并联后再与电极接触电阻串联。 基于电极阻抗建立的电极等效测量回路如图 1 所示。图中：rs1 和 rs2 为电荷传递电阻；c1 和 c2 为双电层电容；rt为两个测量电极间的接触电阻满足 rt＝rt1＋rt2；lx 为励磁线圈等效电感；l1 为闭合回路等效电感；r1 和 r2 为放大器输入电阻；p1和 p2 为由“变压器效应”叠加在测量电极上的微分干扰；u1 为流体切割磁力线产生的感应电势；ue 为励磁电压。 假设磁感应强度由励磁电流决定且成正比关系即 b＝ai，忽略串模等干扰则电极间电压为感应电势与微分干扰的叠加，基本方程如下：
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图 4 为改变励磁线圈等效电感其它值保持不变时测得的干扰结果，可以看出，当线圈等效电感取值不同时，干扰峰值存在变化，电感越大线圈中电流上升（下降）时间越长，微分干扰越大。图 5 为改变测量回路等效电感即等价于改变交变磁力线穿过测量回路等效面积时测得的干扰结果， 随着值增大干扰呈逐渐增大的趋势。 因此要避免电极走线偏离，尽量保持回路与磁力线平行以减小干扰。
图 6 为电极等效阻抗值变化时测得的干扰结果， 当溶液电导率改变时电极等效阻抗值变化， 同样会对微分噪声产生较大影响。 电导率越大干扰峰值越小。
4 结束语
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