電磁流量計(jì)的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 產(chǎn)生的正比于被測(cè)流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通常很小, 極易受到外界電磁干擾, 而它本身產(chǎn)生的電磁干擾很小,因此電磁流量計(jì)的電磁兼容性主要體現(xiàn)在它如何在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作。在惡劣的電磁環(huán)境下, 電磁耦合靜電感應(yīng)是電磁流量計(jì)干擾噪聲的主要來源; 被測(cè)流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量計(jì)干擾噪聲的第二來源; 電磁流量計(jì)供電電源的電壓和頻率波動(dòng)等電源干擾噪聲是電磁流量計(jì)干擾噪聲的第三來源。為滿足儀表的 EMC要求, 智能電磁流量計(jì)分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù), 以提高電磁流量計(jì)抗干擾能力。
1 工頻干擾噪聲的特點(diǎn)及電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)
工頻干擾噪聲首先是由電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體、 電極、 放大器輸入回路的電磁耦合形成, 其二是電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場(chǎng)的工頻共模干擾, 其三是供電電源引入的工頻串模干擾等, 其產(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。
電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體、 電極、 放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對(duì)電磁流量計(jì)工作影響最大, 而且在不同的勵(lì)磁技術(shù)下其表現(xiàn)的形態(tài)、特性不同, 因而采取抗干擾措施也不同。在工頻正弦波勵(lì)磁磁場(chǎng)下, 此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為正交干擾, 又稱為變壓器電勢(shì), 特點(diǎn)是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵(lì)磁頻率成正比, 相位滯后流量信號(hào)電勢(shì) 90? , 且幅值較流量信號(hào)電勢(shì)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)[ 2] 。直流勵(lì)磁、 低頻矩形波勵(lì)磁及雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù), 可以基本消除正交干擾的影響。
工頻共模干擾和工頻串模干擾這兩種常見的干擾, 主要是由于電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合, 電磁流量計(jì)接地不良等原因而產(chǎn)生, 電磁流量計(jì)采用輸入保護(hù)技術(shù)、 高輸入阻抗、 高共模抑制比自舉前置放大器技術(shù)以及重復(fù)接地技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。ADMAG AE系列電磁流量計(jì)配有接地環(huán), 其作用是通過與液體接觸, 建立液體接地, 確保基準(zhǔn)電位與被測(cè)液體相同, 并且保護(hù)流量計(jì)內(nèi)襯。
2 電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)及電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)
2 . 1 電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)
( 1)電化學(xué)極化電勢(shì)干擾是由于電極感生電動(dòng)勢(shì)在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場(chǎng)能顯著減弱極化電勢(shì)的數(shù)量級(jí), 但不能從根本上完全消除極化電勢(shì)干擾。
( 2)泥漿干擾是在測(cè)量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí), 固體顆粒或者氣泡擦過電極表面時(shí), 電極表面的接觸電化學(xué)電勢(shì)突然變化, 電磁流量傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。
( 3)流體流動(dòng)噪聲是在測(cè)量低導(dǎo)率液體 ( 100S/ c m 以下 )流量時(shí), 電極的電化學(xué)電勢(shì)定期波動(dòng),產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機(jī)干擾噪聲, 具有類似泥漿干擾的 1/ f頻譜特性。
2 . 2電磁流量計(jì)抗電化學(xué)干擾技術(shù)
電磁流量計(jì)在提高抗電化學(xué)干擾能力方面采取的措施主要是低頻矩形波勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁技術(shù)。低頻矩形波勵(lì)磁既具有直流勵(lì)磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、 變壓器效應(yīng) (正交干擾 ) 的特點(diǎn), 又具有工頻正弦波勵(lì)磁基本不產(chǎn)生極化效應(yīng), 便于放大信號(hào)處理,而能避免直流放大器零點(diǎn)漂移、 噪聲、 穩(wěn)定性等問題的產(chǎn)生, 有較好的抗干擾性能。
低頻矩形波勵(lì)磁雖然具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性,但在測(cè)量泥漿、 紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)無法克服泥漿干擾和流體噪聲干擾。研究分析表明, 泥漿干擾和流動(dòng)噪聲具有 1/ f的頻譜特征。低頻時(shí)幅值大, 高頻時(shí)幅值小, 如果采用較高頻率的低頻矩形波勵(lì)磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級(jí)。因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動(dòng)噪聲, 提高傳感器輸出信號(hào)的信噪比。
綜上所述, 要保證電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性, 最好采用低頻矩形波勵(lì)磁; 為了能較準(zhǔn)確地測(cè)量液固兩相導(dǎo)電性流體和低導(dǎo)電率流體的流量, 又必須采用較高頻率的矩形波勵(lì)磁。采用圖 1所示的雙頻矩形波勵(lì)磁的方法。
2.3雙頻矩形波勵(lì)磁工作及抗干擾原理
在電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)形成含有兩個(gè)頻率分量的電磁場(chǎng): 高頻勵(lì)磁分量不受液體干擾的影響, 而低頻勵(lì)磁分量則有著極好的零點(diǎn)穩(wěn)定性, 根據(jù)高、 低頻定時(shí)檢測(cè)到的各分量信號(hào)經(jīng)過計(jì)算, 便可得到流量信號(hào)。
雙頻矩形波勵(lì)磁測(cè)量原理如圖 1所示, 一個(gè)由高低頻分量迭加而成的電磁場(chǎng)通過勵(lì)磁線圈被施加到被測(cè)液體中, 勵(lì)磁波形是在一個(gè)低頻矩形波上迭加一個(gè)高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)中, 低頻分量通過一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的積分電路獲得一個(gè)零點(diǎn)穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號(hào)。而由漿液或低電導(dǎo)率流體產(chǎn)生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所抑制, 有著同樣時(shí)間常數(shù)的流量信號(hào)經(jīng)過一個(gè)差分電路以確定流速信號(hào)的變化, 把這兩種不同頻率采樣所得的信號(hào)結(jié)合起來可獲得一個(gè)穩(wěn)定流速信號(hào), 該信號(hào)不受噪聲干擾, 且有較高的零點(diǎn)穩(wěn)定性。
3 . 3電源干擾噪聲特點(diǎn)及電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)
電磁流量計(jì)一般都采用工頻交流電源供電, 其電源電壓的幅值和頻率的變化都會(huì)給電磁流量計(jì)帶來電源性干擾噪聲。對(duì)電源電壓的幅值變化, 因采用多級(jí)集成穩(wěn)壓, 一般而言電源電壓的幅值變化對(duì)電磁流量的測(cè)量精度影響不大。當(dāng)電源電壓的頻率波動(dòng)時(shí), 雖然其波動(dòng)范圍有限, 但對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題, 實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流速感應(yīng)電勢(shì) eab 信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量, 需利用以下基本關(guān)系: 勵(lì)磁周期為工頻周期的整數(shù)倍, 即勵(lì)磁頻率為 50/n H z( n為偶數(shù) ); 正負(fù)勵(lì)磁下的同相位采樣。圖 2是對(duì)應(yīng)低頻矩形波勵(lì)磁形式下的典型電勢(shì)信號(hào)形式, 按上述關(guān)系在一個(gè)勵(lì)磁周期下, 若假設(shè)t 1 和 t 2 點(diǎn)為工頻干擾的等效干擾點(diǎn), 且采樣寬度 T= T 1 = T 2 , 則 e ab 的基本算式[ 3] 為:
式 ( 4)從理論上說明電磁流量計(jì)的工頻干擾有可克服的途徑, 即同步采樣技術(shù), 其方法是以同相位 ( t 1= t 2 )、 同寬度采樣 (T 1 = T 2 = T )為前提的, 采樣頻率要選為工頻周期的整數(shù)倍。這樣即使混有干擾信號(hào), 因其采樣時(shí)間為完整的工頻周期, 其平均值也為零, 干擾電壓不起作用。
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