低功耗电磁水表的信号处理方法

常兴智

（宁夏隆基宁光仪表股份有限公司，宁夏 银川 750000）

电磁水表基于法拉第电磁感应定律，通过采集流体流过磁场时的感应电压来测量流速[1，2]，因其精度高、无运动部件等特点具有较大优势。本文提出了一种低功耗电磁水表的信号处理方法。主要结构旋转电容滤波器是基于相敏检测技术，可以用通用运放、模拟开关及一般RC元件等器件组成，有中心频率稳定、电路简单、成本低廉等优点[3-5]。

1 电磁水表计量原理

电磁计量基于法拉第感应定律，即当导体在磁场中运动时，在电极上感应出与导体速度成比例的电压。根据感应定律，感应出的电压U，与被测液体的流速v、磁通密度B和内管直径D成比例，如下所示：

式中，B为磁通密度（Wb/m2）；v为导电液体流动的平均速度（m/s）；D为管道直径（m）；dl为导电液体直径（m）；A为横截面积（m2）；U为信号电动势（V）。

当式（1）应用于电磁流量计时，需要加入校准因子K，信号电动势U表示如下[4]：

式中，K是一个无量纲常数。信号电动势U与液体导电接触并由管壁上绝缘的电极拾取[6]。流量：

由式（2）、（3），可将流量由信号电动势表示：

式中，QV是体积流量（m3/s）。从式（4）中可以看出，当磁通密度变化时，流量与信号电动势U成正比。

2 旋转电容滤波器

电极采集的电压非常弱且带有强噪声，从强干扰中提取出有用信号是一个重要问题。根据感应信号与励磁源频率相同的特点，利用锁相放大器对淹没在背景噪声中的流量信号进行提取。

2.1 旋转电容滤波器原理

锁相放大器的实现有模拟和数字两种方式。数字锁相放大器使用微处理器作为核心部件，模拟输入信号由模数转换器转换为数字信号，然后送到处理器进行数字信号处理。参考信号也由处理器产生，可以灵活调整，以适应输入信号的变化，效果优良[5，8]。

图1 旋转电容滤波器电路图

然而数字锁相放大需要进行大量数据计算，不适用于计算能力较低的嵌入式处理器。模拟锁相放大电路结构简单、滤波性能优良，更加适用于电磁水表。

旋转电容滤波器作为锁相放大器的一种特殊形式，可以实现滤波和相敏检测的功能，由于具有抑制噪声的能力，对特定频率的信号进行放大，在科学研究和工业应用中得到了广泛应用。

图1为旋转电容滤波器的结构。SW1和SW2是双刀双掷（DPDT）电子开关，其控制信号是频率为f0的方波。当P（t）为高电平时，DPDT同时切换到A端；当P（t）为低时，DPDT同时切到B端。因此，电流源周期性地由电子开关改变方向对RC电路充电，相当于将P（t）乘以+1和-1。

2.2 旋转电容滤波器性能分析

由电子开关调制的电流源可以表示为：

当P（t）的周期为T0，角频率为P（t）的傅里叶展开式为：

设信号的角频率为ω，RC并联电路的阻抗为：

由于P（t）的调制，通过Z的电流由不同的频率组成。对于每个元件，RC并联电路的阻抗是不同的。对于元件RC并联电路的阻抗可表示为：

因此，输出电压V0（t）可以看作与Zn的乘积，表示为：

图2 旋转电容滤波器电路幅频响应

由式（11）可以看出，旋转电容滤波器等效为中心频率为（2n-1）f0的梳状滤波器，其中n=1、2、3，如图2所示。它对频率为f0的分量及其奇次谐波进行窄带滤波，同时抑制其他频率的噪声。输出是一个频率为f0的近似方波，振幅与输入信号成比例。RC越大，频带越窄，抑制噪声的能力越强。通过整流和低通滤波，产生与流量线性相关的直流信号。

3 实验结果

3.1 仿真软件及系统结构

采用labview和matlab软件进行仿真。信号采集与处理如图3所示。自举放大器充当前置放大器，之后信号被差分放大以消除共模干扰，并发送到一个旋转电容滤波器消除剩余的噪声，最后输出直流电压，该直流电压与流速线性相关。旋转电容器滤波器从激励信号获得开关信号，以实现同步。

图3 信号采集与处理电路的组成

3.2 实验结果分析

放大电路输出得到的信号含有大量的噪声，无法对时域波形直观有效地分析，如图4所示。为了测试旋转滤波器的信号处理效果，在频域内对滤波器的输入和输出信号进行了比较和分析。频谱分布如图5、6所示。

图4 放大器输入信号

图5 滤波器输入信号频谱

图6 滤波器输出信号频谱

从图4可以看出，输入信号混合了较多的噪声成分，其频谱从低频延伸到高频区域，并且幅值都较高。而且在某些频率点上，噪声的振幅要比所需信号的振幅大得多。因此，放大电路输出的原始信号必须经过适当的处理才能得到真实的流量信息。从图6中可以看出，旋转电容滤波器处理后的信号频谱与图2中旋转电容滤波器的频谱基本相同。滤波后的信号仅在激励信号的基频及其奇谐波频率处有较大的峰值。最大值出现在基频，与流量相关。这表明旋转电容滤波器可以有效地过滤掉噪声信号，其性能符合预期，可以显著提高信噪比。

旋转电容滤波器虽然能从强干扰噪声中提取出微弱信号，但在某些情况下也有局限性。例如当噪声的频率与有用信号相同时，旋转电容滤波器无法将这些噪声滤除。产生这种现象可能是由于电路中存在交变磁场引起的同相噪声和正交噪声。由于频率与励磁频率相同，所以旋转电容滤波器不能将其有效滤除。其次噪声频谱较宽，滤波器通带不够窄也可能导致滤波器的效果较差。在这种情况下，一些噪声落入滤波器的边带。旋转电容滤波器不能区分它与实际的流量信号，导致系统产生一个错误的响应，最终导致计量漂移。

对于第一种情况，应对检测电极、传输线、信号采集电路进行屏蔽，使信号线与磁场线完全平行，使通过电路回路的磁通量尽可能低。由于同相噪声和正交噪声只与励磁频率和回路中磁通量的变化率有关，可以被视为系统误差，并通过校准加以消除。对于第二种情况，应该尽量最小化通带宽度。相关研究表明旋转电容滤波器的总等效噪声带宽为：

式中，Be为总等效噪声带宽；Ben为奇频通带宽度。如式（12）所示，噪声的通带宽度可以通过增加RC值来降低，从而使水表计量的零点稳定。

4 结束语

如何从强干扰噪声中提取出弱磁感应信号是实现电磁水表计量的难点之一。采用自举电路作为前置放大器，可以有效克服源极高阻抗的不利影响，保证采集信号的质量。由于电动势信号检测电路工作在具有复杂强电磁干扰的环境中，尽管采用了屏蔽方法，但采集到的信号不可避免地会混入各种噪声。根据噪声频率分布较宽的特点，利用旋转电容滤波器的选频滤波特性，提取与励磁信号频率相同的感应信号，得到较为理想的流量信号。实验数据的分析也证明了上述方法的有效性。