智能電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)的研究

1、智能電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)的研究 一、概述 電磁流量計(jì)的發(fā)展和應(yīng)用與其抗干擾技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步密切相關(guān)，特別是近幾十年來采用三直低頻矩形波動(dòng)勵(lì)磁技術(shù)和雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)，以及微處理器硬件和軟件技術(shù)明顯地提高了電磁流量計(jì)抗干擾能力和測量精度，擴(kuò)大了電磁流量計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域，改變了人們長期認(rèn)為電磁流量計(jì)測量精度低，抗干擾能力差的概念。 電磁流量計(jì)是基于導(dǎo)電性流體在磁場中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢來推算流體流量的測量儀表，其基本工作原理是電磁感應(yīng)定律。因此電磁耦合靜電感應(yīng)是電磁流量計(jì)干擾噪聲的首要來源；被測流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量計(jì)干擾燥聲的第二來源；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

2、聲是電磁流量計(jì)干擾噪聲的第三來源。以上三類干擾噪聲的來源、機(jī)理、特性不同。對電磁流量計(jì)的影響方式不同，相應(yīng)采用的抗干擾措施也不同。作者結(jié)合雙頻矩形波勵(lì)磁智能電磁流量計(jì)的研究工作，著重就智能電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)加以探討，提出一些抗干擾的對策，以供智能儀器研究設(shè)計(jì)參考。 二、電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)的發(fā)展 target=_blank class=infotextkey歷史 電磁流量計(jì)的發(fā)展 target=_blank class=infotextkey歷史就是其抗干擾技術(shù)的發(fā)展 target=_blank class=infotextkey歷史。早在1832年，英國物理學(xué)家法拉第構(gòu)想地球磁場來測量泰晤

3、土河水的流速，并進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，但未能獲得成功。主要原因是在直流勵(lì)磁磁場下存在流體介質(zhì)的極化效應(yīng)和熱電效應(yīng)而產(chǎn)生干擾噪聲淹沒了流量信號(hào)電勢。河床短路了流速信號(hào)電勢，加之當(dāng)時(shí)的流量技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到解決各種干擾噪聲的抑制和高阻抗信號(hào)測量的水平，因此導(dǎo)致首次電磁流量計(jì)實(shí)驗(yàn)研究的失敗。誠然，從電磁流量計(jì)研究伊始就面臨如何克服各種干擾噪聲的棘手難題，正因如此，在以后的電磁流量計(jì)研究過程中，人們都將其抗干擾技術(shù)列為首要的技術(shù)問題。 電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)其抗干擾技術(shù)的進(jìn)步。50年代末電磁流量計(jì)首次工業(yè)應(yīng)用開始，電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段，每一次進(jìn)步都是為了解決其抗干擾能力的問題，

4、促使電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)出現(xiàn)一次飛躍，電磁流量計(jì)的性能指標(biāo)提高。50年代末六十年代初，為了減弱直流勵(lì)磁磁場下電極表面的嚴(yán)重極化電勢的影響，采用了工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)，但導(dǎo)致了電磁感應(yīng)、靜電耦合等工頻干擾，致使采用復(fù)雜的正交干擾抑制電路等多種抗干擾措施，難以完全消除工頻干擾噪聲的影響，導(dǎo)致電磁流量計(jì)零點(diǎn)難以穩(wěn)定、測量精度低、可靠性差。70年代中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和同步采樣技術(shù)的問世，采用低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)，改變工頻干擾的形態(tài)特征，利用工頻同步采樣技術(shù)，獲得電磁流量計(jì)較好的抗工頻干擾的能力，測量精度提高、零點(diǎn)穩(wěn)定、可靠性增強(qiáng)。80年代初采用三值低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)和動(dòng)態(tài)校零技術(shù)、同步勵(lì)磁、同步采樣

5、技術(shù)以獲得電磁流量計(jì)最佳的零點(diǎn)穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高抗工頻干擾和極化電勢干擾的能力。80年代末采用雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)，既能克服流體介質(zhì)產(chǎn)生的泥漿干擾和流體流動(dòng)噪聲，又能具有低頻矩形波勵(lì)磁電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)壓性，實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定性、抗干擾能力和響應(yīng)速度的最佳統(tǒng)一。因此電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的進(jìn)步，一方面改變正交干擾電勢的形態(tài)和特征，另一方面降低泥漿干擾和流動(dòng)噪聲的數(shù)量級，從而提高電磁流量計(jì)抗干擾能力，所以電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的改進(jìn)是最有效的抗干擾措施。 三、電磁流量計(jì)干擾噪聲的物理機(jī)理、特性及其對策 為了對電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)加以探討，首先必須對電磁流量計(jì)干擾噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)理和特性加以分析研究，從

6、而根據(jù)各種干擾噪聲的特性采用相應(yīng)的抗干擾對策，以提高電磁流量計(jì)抗干擾的能力。 1 工頻干擾噪聲 工頻干擾噪聲是由電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合，另外電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場的工頻共模干擾，其三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。首先就電磁流量傳感器勵(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，如圖1所示在各種勵(lì)磁技術(shù)。圖1 各種勵(lì)磁技術(shù)下電磁耦合工頻干擾的特性 下此工頻干擾噪聲的特性。在工頻正弦波勵(lì)磁磁場下，此種電磁耦合工頻干擾噪聲

7、表現(xiàn)形式為正交干擾（見圖1 b），又稱為變壓器電勢，其特點(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900，且幅值較流量信號(hào)電勢大幾個(gè)數(shù)量級。在低頻矩形波勵(lì)磁，三值低頻矩形波勵(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁條件，此種電磁偶合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為微分干擾（見圖1c），其波形為脈沖波形，其中幅值和磁通變化率成正比，且按指數(shù)規(guī)律衰減，一般而言其幅值比正弦波勵(lì)磁條件下的正交干擾大得多，另外此微分干擾僅在勵(lì)磁磁通變化時(shí)產(chǎn)生，而在磁通恒定時(shí)，下一個(gè)磁通發(fā)生變化之前不會(huì)產(chǎn)生微分干擾，具有時(shí)段性。 針對工頻正弦波勵(lì)磁下的正交干擾噪聲，采用復(fù)雜的自動(dòng)正交抑制系統(tǒng)減小正交干擾噪聲的影響，但由于正交干擾

8、噪聲比流量信號(hào)電勢大幾個(gè)數(shù)量級正交抑制電子電路的任何不完善都將導(dǎo)致一部分正交干擾轉(zhuǎn)換成同相干擾，使工頻正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移，流量測量精度難以提高。 采用低頻矩形波勵(lì)磁、三值低頻矩形波勵(lì)磁、雙頻矩形波勵(lì)磁，正交干擾噪聲演變成為微分干擾。由于微分干擾具有時(shí)段時(shí)，利用同步采樣技術(shù)在磁場恒定期，即微分干擾衰減為零之后，采用寬脈沖同步采樣（ 工頻周期的偶數(shù)倍），以避免串入流量信號(hào)電勢中的工頻干擾的影響。其次采用控制勵(lì)磁電流（勵(lì)磁磁通）變化率的方法減小微分干擾的幅值，但減小流量信號(hào)采樣的時(shí)間間隔；也可以采用程控增益技術(shù)使微分干擾時(shí)段增益為Odb，而恒磁通時(shí)段增益為100db，以減小微分干擾的幅值的

9、影響。 對于工頻共模干擾和工頻串模干擾是常見的干擾，主要是由于電磁屏蔽缺陷、分布電容耦合、電磁流量計(jì)接地不良等原因產(chǎn)生，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)，工頻寬脈沖同步采樣技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。 2 流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲 電化學(xué)極化電勢干擾是由于電極感生電動(dòng)勢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)磁磁場能顯著減弱極化電勢的數(shù)量級，但不能根本上完全消除極化電勢干擾。其特性于流體介質(zhì)的性質(zhì)、電極材料性質(zhì)、電極的外形尺寸形狀有關(guān)，具有變化緩慢，數(shù)量級不大等特點(diǎn)，如圖2所示流體電化學(xué)電勢干擾及其解決方法。因此選擇合

10、適的電極材料（如碳化鎢），設(shè)計(jì)最佳的電極形狀的尺寸是減小極化電勢的有效方法之一；另外采用正負(fù)兩極性交變的矩形波勵(lì)磁技術(shù)配合微處理器同步寬脈沖采樣技術(shù)，到用微處理器運(yùn)算功能前后兩次采樣值相減消除流量信號(hào)電勢中的極化電勢干擾。圖2 流體電化學(xué)級化電勢干擾及其處理方法 泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)，固體顆?；蛘邭馀莶吝^電極表面時(shí)，電極表面的接觸電化學(xué)電勢突然變化，電磁流量傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲如圖3所示。在勵(lì)磁頻率較低時(shí)，泥漿干擾的數(shù)量級較大，高頻時(shí)干擾數(shù)量級較小，具有1/f的頻譜特性。提高抗泥漿干擾的能力必須采用較高頻率的矩形波勵(lì)磁，以提高電磁流量傳感器輸出

11、的信噪比，但會(huì)犧牲電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性。另外也可采用流量信號(hào)變化率限制方法以剔除脈沖干擾對電磁流量計(jì)的影響，但會(huì)犧牲儀表的響應(yīng)速度。 流體流動(dòng)噪聲是在測量低導(dǎo)率液體（100vs/cm以下）流體流量時(shí)，電極的電化學(xué)電勢定期波動(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，因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低流體流動(dòng)噪聲的數(shù)量級，以提高電磁流量傳感器測量低導(dǎo)電率流體流量的信噪比。圖3 泥漿干擾電勢波形和頻譜特性 3 供電電源性干擾 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。對電源電壓的幅值變化，因采用多級集成穩(wěn)壓，一般而言電源電壓的幅值變化對電磁流量的測量精度影響不大。當(dāng)電源電壓的頻率波動(dòng)時(shí)，雖然其波動(dòng)范圍有限，但對電磁流量計(jì)測量精度影響較大。在智能