一种数字闭环零点追踪补偿装置及方法与流程

本发明应用于电磁流量计信号处理领域，旨在解决电极极化、电路失调、温度漂移引发的信号直流偏移问题，彻底摒弃传统 rc 隔直电路。本发明采用直流耦合模拟前端架构，取消隔直电容，依托 adc 实时采集前端原始信号，由 mcu 解算信号中的直流偏移分量，再通过 dac 输出反向补偿电压叠加至仪表放大器参考输入端，以全数字闭环方式动态抵消极化电压与系统温漂。本发明消除了隔直电容充放电带来的波形拖尾、回零滞后问题，优化流量信号波形、降低信号畸变，显著提升仪表零点稳定性、长期运行一致性与测量线性度，可广泛应用于各类电磁流量计信号预处理场景。

背景技术：

1、电磁流量计基于法拉第电磁感应定律工作，传感器输出有效流量信号为交流信号。在实际工业工况中，电极与导电介质发生电化学作用会产生极化电压，模拟前端电路存在固有失调电压，环境温度变化会引发器件温漂，上述因素共同在信号中引入直流偏移分量，造成仪表零点偏移、测量精度下降。

2、目前行业内普遍采用rc 隔直电路搭配隔直电容阻断直流分量，这是电磁流量计主流的信号隔直方案。但该方案存在多项固有缺陷：第一，隔直电容存在充放电效应，会导致流量信号出现波形拖尾、大信号工况下回零滞后，造成信号畸变；第二，rc 隔直电路依靠频域特性工作，会衰减低频交流信号，降低仪表测量线性度与低量程测量能力；第三，阻容元件参数易受温度影响，长期运行后隔直性能漂移，整机零点稳定性与运行一致性变差；第四，传统方案无法根据介质类型、环境温度自适应补偿动态变化的直流偏移。

3、现有优化手段仅能调整 rc 网络参数、更换高性能阻容元件，无法从根源消除电容充放电缺陷与直流偏移自适应补偿难题。因此，本发明提出一种全数字闭环零点追踪补偿方案，取消 rc 隔直电路与隔直电容，从架构上解决直流偏移与信号畸变问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有 rc 隔直电路存在波形拖尾、低频衰减、零点长期漂移、无自适应补偿能力等缺陷，本发明提供一种数字闭环零点追踪补偿装置及方法，采用全直流耦合前端 + adc 数字采样 + mcu 偏移解算 +dac 反向电压补偿的时域闭环架构，完全取消隔直电容与 rc 隔直网络，动态抵消极化、失调、温漂产生的直流偏移，完整保留原始交流流量信号，提升零点稳定性、信号完整性与全量程测量线性度。

2、针对上述技术问题，本发明实现上述目的的技术方案是：

3、一种数字闭环零点追踪补偿装置，用于消除电磁流量计电极输出信号中的直流偏移，替代传统 rc 隔直电路；包括直流耦合模拟前端、信号放大单元、adc 采样单元、主控mcu 单元、dac 补偿单元； 所述直流耦合模拟前端无隔直电容、无 rc 隔直网络，实现电极混合信号全直流耦合传输；直流耦合模拟前端输出端电性连接信号放大单元输入端，信号放大单元输出端电性连接 adc 采样单元模拟输入通道；adc 采样单元将模拟混合信号转换为数字采样数据并传输至主控 mcu 单元；主控 mcu 单元内置直流偏移解算算法，根据连续采样数据解算信号内总直流偏移分量，生成匹配补偿控制指令下发至 dac 补偿单元；dac 补偿单元输出反向补偿电压，并将该补偿电压叠加至信号放大单元的参考电压输入端，动态抵消极化电压、电路失调电压、温度漂移电压，形成全数字闭环零点实时补偿回路。

4、进一步的，所述直流耦合模拟前端仅配置阻抗匹配电阻、esd 保护器件、高频低通滤波电容，完全移除隔直电容与 rc 隔直支路，规避电容充放电效应引发的信号波形拖尾、阶跃信号回零滞后缺陷。

5、进一步的，所述信号放大单元采用带外部参考输入端口的高精度仪表放大器，放大器主通路放大电极混合信号，参考输入端接入 dac 补偿单元输出的补偿电压，通过电压叠加原理实时中和信号内直流偏移分量。

6、进一步的，所述主控 mcu 单元内置自适应直流偏移解算程序，通过多周期采样均值运算分离直流分量，可根据流体介质导电特性、环境温度采集数据动态修正 dac 补偿电压输出幅值，适配多工况下时变直流偏移。

7、进一步的，所述 adc 采样单元采用多通道高精度同步模数转换芯片，对放大后的混合信号高速连续采样，为 mcu 直流偏移解算提供实时原始数据。

8、进一步的，所述 dac 补偿单元配置输出缓冲运放电路，保证补偿电压输出驱动能力，补偿电压极性与直流偏移分量极性相反、幅值线性匹配。

9、一种基于上述数字闭环零点追踪补偿装置的数字闭环零点追踪补偿方法，全程取消 rc 隔直电路与隔直电容，具体步骤如下：

10、步骤 1：系统上电初始化；直流耦合模拟前端、信号放大单元、adc 采样单元、dac补偿单元、主控 mcu 完成硬件寄存器、采样周期、dac 输出量程、补偿闭环增益参数配置，系统进入闭环调节待机状态；

11、步骤 2：混合信号直流耦合传输放大；电磁流量计电极输出包含交流有效流量信号、直流偏移分量的混合信号，经无隔直元件的直流耦合模拟前端完整传输至信号放大单元，仪表放大器完成信号固定倍率放大；

12、步骤 3：高速连续 adc 采样；adc 采样单元对放大后的模拟混合信号等间隔连续采样，将模拟量转换为数字采样序列并实时上传至主控 mcu；

13、步骤 4：直流偏移分量解算；主控 mcu 对 n 组连续采样数据做均值运算，提取混合信号中总直流偏移分量；

14、步骤 5：反向补偿电压叠加抵消；mcu 根据解算得到的直流偏移幅值、极性生成dac 控制指令，驱动 dac 补偿单元输出反向补偿电压，叠加至仪表放大器参考输入端，中和全部直流偏移分量；

15、步骤 6：闭环循环追踪补偿；持续循环执行步骤 2 至步骤 5，实时追踪工况变化带来的动态直流偏移，持续动态调节补偿电压，维持仪表零点长期稳定。

16、进一步的，步骤 4 中直流偏移解算均值运算的采样点数 n 可根据现场流量波动速率自适应调整，低流速低波动工况增大 n 提升解算精度，阶跃流量快速变化工况减小 n提升闭环响应速度。

17、进一步的，步骤 5 中补偿电压输出采用分段限幅控制，限制 dac 最大输出电压，防止极端极化、温漂工况下放大器输出饱和。

18、本发明的原理是：

19、一、信号基础表达式

20、经直流耦合模拟前端输出的混合信号，由交流有效流量信号与直流偏移分量叠加构成：

21、                (1)

22、式中：：前端输入混合信号，单位v，动态变量；

23、：交流有效流量信号，单位v，需完整保留的目标信号；

24、：总直流偏移分量，，其中为电极极化电压、为电路失调电压、为温度漂移电压，为本装置待补偿分量，慢时变变量。

25、二、adc 采样与直流偏移解算公式

26、adc 对放大后的零点信号进行等间隔采样，mcu 对连续多组采样值做均值运算，提取直流偏移分量：

27、  (2)

28、式中：为第i个采样点数值，n为采样点数；采样均值等效为直流偏移。

29、三、dac 补偿电压与抵消公式

30、mcu 根据解算得到的直流偏移量，控制 dac 输出反向补偿电压，并叠加至放大器参考端，实现偏移抵消：

31、                 (3)

32、补偿后放大器最终输出信号：

33、     (4)

34、四、原理对比

35、传统 rc 隔直电路：利用电容隔直通交特性阻断直流，，伴随交流信号衰减、相位偏移、电容充放电拖尾；本发明数字闭环方案：通过采样解算 + dac 动态电压补偿中和直流偏移，输出纯交流信号，无信号畸变、无波形拖尾，完整实现隔直功能。

36、本发明的有益效果是：本发明对应的补偿方法依托上述硬件架构，持续完成信号采样、直流偏移解算、补偿电压输出、偏移抵消的闭环流程，可自适应不同流体介质、不同环境温度下的直流偏移变化，长期维持仪表零点稳定。

37、1.架构革新，取消 rc 隔直电路：采用直流耦合模拟前端，移除隔直电容，彻底杜绝电容充放电导致的波形拖尾、大信号回零滞后问题；

38、2.全数字闭环自适应补偿：可跟随介质类型、环境温度的变化动态调整补偿量，精准抵消各类直流偏移，零点稳定性大幅提升；

39、3.优化信号质量：无频域滤波衰减问题，流量信号波形完整、畸变减少，整机测量线性度显著改善；

40、4.长期一致性好：不受阻容元件温漂影响，设备长期连续运行时，测量性能无明显漂移。