電磁流量計(jì)干擾分析與對(duì)策

根據(jù)電磁流量計(jì)的測(cè)量原理 結(jié)合電磁流量計(jì)實(shí)際應(yīng)用中遇到的正交干擾、微分干擾、工頻干擾等問題，分析干擾產(chǎn)生的原因，提出采用同步采樣技術(shù)、采樣時(shí)間長(zhǎng)度選擇、數(shù)字濾波技術(shù)等方法，從根本上對(duì)這些干擾信號(hào)進(jìn)行抑制和消除，使電磁流量計(jì)更適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1序言

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。由于其具有無壓損、可測(cè)流量范圍寬、被測(cè)液體溫度范圍寬、成本低等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于水和廢水處理、礦業(yè)和冶金、食品和飲料、造紙、電力等工業(yè)領(lǐng)域中,用來測(cè)量自來水、污水、礦漿、啤酒、果汁、紙漿、泥漿等各種酸、堿、鹽溶液。由于應(yīng)用場(chǎng)合比較復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)工頻干擾、電磁干擾、流體噪聲有時(shí)同時(shí)存在,而流體產(chǎn)生的流量信號(hào)相對(duì)弱、小,所以線圈驅(qū)動(dòng)和電極信號(hào)處理成為電磁流量計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方式經(jīng)歷了直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁、低頻交流矩形波勵(lì)磁、雙頻勵(lì)磁幾個(gè)階段,同時(shí)技術(shù)性能有了進(jìn)一步的提高。在現(xiàn)有的電磁流量計(jì)中,交流低頻矩形波勵(lì)磁已成為主要的勵(lì)磁方式。目前,傳感器流速信號(hào)電極電壓一般在0.2~0.4mV/m/s范圍之間,往往各種干擾信號(hào)與流量信號(hào)混在一起,它們不僅成分復(fù)雜,而且比流量信號(hào)大,尤其在低流速時(shí),很難有效提取流量信號(hào),保證測(cè)量的精度和重復(fù)性。在這種情況下,怎樣抑制和排除干擾,提高信噪比就成為研制和使用電磁流量計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

2測(cè)量原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，，當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)且切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體兩端便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖1所示。

設(shè)在均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向有一個(gè)直徑為D的管道。管道由不導(dǎo)磁材料制成，內(nèi)表面加絕緣襯里。當(dāng)導(dǎo)電的液體在管道中流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體就切割磁力線，因而在和磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直的方向上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極，可以證明，只要管道內(nèi)流速v為軸對(duì)稱分布，兩極之間就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

E=BDv

由此可得管道的體積流量為：Q=πD2v/4

綜合上述兩式得：E=4BQ/πD=KQ

式中：K為儀表常數(shù)，在管道直徑D已確定并維持磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定時(shí)，K是一個(gè)常數(shù)。此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與體積量具有線性關(guān)系。

3 低頻交流矩形波勵(lì)磁

低頻交流矩形波勵(lì)磁具有較好的零點(diǎn)穩(wěn)定性和精度，其結(jié)合了直流勵(lì)磁和交流勵(lì)磁技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了它們?nèi)秉c(diǎn)的一種勵(lì)磁技術(shù)，被廣泛采用。其在半個(gè)周期內(nèi)，磁場(chǎng)是恒定的直流磁場(chǎng)，它有直流勵(lì)磁的特點(diǎn)，受電磁干擾影響很小；從整個(gè)周期過程來看，矩形波信號(hào)又是一個(gè)交變的信號(hào)，能克服直流勵(lì)磁易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。勵(lì)磁頻率通常為工頻的1/4~1/10，如5Hz，6.25Hz，12.5Hz。

高頻交流矩形波勵(lì)磁具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但零點(diǎn)穩(wěn)定性和精度要差一些，并且不適用于大口徑，目前一般提供給用戶選擇，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)噪聲較大測(cè)量不穩(wěn)定時(shí)，可以切換至高頻進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，頻率范圍通常為幾十赫茲，如37.5Hz，75Hz。

在線圈參數(shù)、口徑確定的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于線圈的驅(qū)動(dòng)電流；為了得到恒定的磁場(chǎng)，電磁流量計(jì)線圈采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)電流一般在

100~500mA之間，如125mA、200mA、250mA、500mA等。驅(qū)動(dòng)電流的大小跟線圈設(shè)計(jì)有關(guān)，如果

線圈圈數(shù)少一些，則驅(qū)動(dòng)電流大一些；如果線圈圈數(shù)多一些，則驅(qū)動(dòng)電流小一些，最終目的是為了達(dá)到一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

4 低頻交流矩形波勵(lì)磁技術(shù)中干擾的分析

4.1 正交干擾與微分干擾

傳感器就如同一個(gè)副邊只有一匝的變壓器，由被測(cè)介質(zhì)、電極、引出線和轉(zhuǎn)換器的輸入電路所組成的閉合回路組成。當(dāng)采用正弦交流勵(lì)磁時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，電極上產(chǎn)生的電勢(shì)為E=BmDvsin（ωt）。同時(shí)，因?yàn)檫@個(gè)閉合回路實(shí)際上

不能與磁力線完全平行，總會(huì)有一部分磁力線穿過該閉合回路，從而在回路內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)干擾電動(dòng)勢(shì)疊加在電極上，即電磁流量計(jì)變壓器效應(yīng)原理，其大小為：et=-dB/dt

對(duì)于正弦交流勵(lì)磁，B=Bmsin（ωt），則有：

et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）

比較流速信號(hào)E與干擾信號(hào)et，頻率相同，相位相差90°。因此，et為90°干擾，又稱正交干擾。

對(duì)于低頻交流矩形波勵(lì)磁，則表現(xiàn)在由于勵(lì)磁電流突變而導(dǎo)致微分干擾信號(hào)的產(chǎn)生，干擾信號(hào)會(huì)隨著電流的穩(wěn)定而逐步消失。

根據(jù)以上分析，采用低頻交流矩形波勵(lì)磁，電極走線偏離將會(huì)產(chǎn)生微分干擾以及由其衍生的直流偏置。如圖2所示。

兩個(gè)電極分別通過引線引到傳感器上部與變送器相連，正面電極走線如圖所示，有標(biāo)準(zhǔn)、偏1/3、偏

2/3、完全偏離4種，背面電極是標(biāo)準(zhǔn)走線。

采用恒流500mA，5Hz交流矩形波勵(lì)磁，相應(yīng)

直流偏置是指電極信號(hào)整體向上或向下偏移，

不以0電平對(duì)稱，這是由于制造過程中線圈不對(duì)稱、電極走線不標(biāo)準(zhǔn)、共模干擾、電化學(xué)效應(yīng)等因素造成。直流偏置在采用了低頻交流矩形波勵(lì)磁后，不影響流量計(jì)的測(cè)量。

數(shù)字濾波技術(shù)限幅濾波法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允

許的最大偏差值。每次采樣測(cè)到的新值與前一次值作比較，如果差值小于允許的最大偏差值則有效，否則無效，用前一次值代替。這樣就可以有效過濾現(xiàn)場(chǎng)干擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電極引起的過程噪聲等干擾。

算術(shù)平均濾波法，連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，N值較大時(shí)，信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)，信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。

舉例，如圖5所示，線圈采用5Hz驅(qū)動(dòng)時(shí)的0feet/ s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的電極信號(hào)，利用上述方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并計(jì)算流速。取每半波最后的20％納入流速計(jì)算，正半波與負(fù)半波相減即是流速。如3.1feet/s–（-2.8feet/s）=5.9feet/s，雖然有＋0.15 feet/s的直流偏置，但也不影響流速的計(jì)算。因線圈是5Hz驅(qū)動(dòng)，半波的20％是20ms，正好是1個(gè)完整的工頻周期，這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負(fù)半波相減，這樣就避免了直流偏置和共模干擾的影響。再加上在數(shù)字濾波過程中使用限幅濾波和算數(shù)平均，保證了流量信號(hào)的有效提取。

6 接地

由于在電極上產(chǎn)生的流量信號(hào)是μV級(jí)，流量計(jì)安裝地點(diǎn)附近經(jīng)常有其他電器設(shè)備，環(huán)境復(fù)雜，容易受到附近其他設(shè)備的影響，變送器必須可靠接地；流量計(jì)經(jīng)常被安裝在室外，風(fēng)吹日曬，溫濕度變化比較大，夏天容易受到雷電的沖擊，環(huán)境惡劣，接地可以減少損壞的風(fēng)險(xiǎn)；為了保證測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，對(duì)于非金屬管道，傳感器的兩端必須采用接地環(huán)可靠接地，使進(jìn)入傳感器的流體保證零電位。必須強(qiáng)調(diào)，流量計(jì)一定要單獨(dú)接地，因?yàn)槿襞c其他儀表或電氣裝置共同接地，接地線中的漏電流可能對(duì)測(cè)量信號(hào)將產(chǎn)生串模干擾，嚴(yán)重時(shí)流量計(jì)將無法工作。另外，接地點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大型用電器，避免地電流串入流量計(jì)，造成干擾。

7 結(jié)束語

通過以上對(duì)干擾的分析，針對(duì)不同類型的干擾，分別采取不同的措施，有效提高信噪比，強(qiáng)調(diào)接地的作用，提高了電磁流量計(jì)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，使其更加適應(yīng)于工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)。