電磁流量計干擾分析與對策

根據(jù)電磁流量計的測量原理 結(jié)合電磁流量計實際應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)、采樣時間長度選擇、數(shù)字濾波技術(shù)等方法，從根本上對這些干擾信號進行抑制和消除，使電磁流量計更適應于現(xiàn)場應用。

1序言

電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電性液體體積流量的儀表。由于其具有無壓損、可測流量范圍寬、被測液體溫度范圍寬、成本低等特點,已被廣泛應用于水和廢水處理、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。由于應用場合比較復雜,現(xiàn)場工頻干擾、電磁干擾、流體噪聲有時同時存在,而流體產(chǎn)生的流量信號相對弱、小,所以線圈驅(qū)動和電極信號處理成為電磁流量計的關(guān)鍵技術(shù)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電磁流量計的勵磁方式經(jīng)歷了直流勵磁、交流勵磁、低頻交流矩形波勵磁、雙頻勵磁幾個階段,同時技術(shù)性能有了進一步的提高。在現(xiàn)有的電磁流量計中,交流低頻矩形波勵磁已成為主要的勵磁方式。目前,傳感器流速信號電極電壓一般在0.2~0.4mV/m/s范圍之間,往往各種干擾信號與流量信號混在一起,它們不僅成分復雜,而且比流量信號大,尤其在低流速時,很難有效提取流量信號,保證測量的精度和重復性。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的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。

2測量原理

根據(jù)法拉第電磁感應定律，，當導體在磁場中運動且切割磁力線時，在導體兩端便會產(chǎn)生感應電動勢。如圖1所示。

設(shè)在均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導磁材料制成，內(nèi)表面加絕緣襯里。當導電的液體在管道中流動時，導電液體就切割磁力線，因而在和磁場及流動方向垂直的方向上將產(chǎn)生感應電動勢。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，可以證明，只要管道內(nèi)流速v為軸對稱分布，兩極之間就會產(chǎn)生感應電動勢：

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強度B恒定時，K是一個常數(shù)。此時感應電動勢與體積量具有線性關(guān)系。

3 低頻交流矩形波勵磁

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

高頻交流矩形波勵磁具有較強的抗干擾能力，但零點穩(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，當現(xiàn)場噪聲較大測量不穩(wěn)定時，可以切換至高頻進行驅(qū)動，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，磁場強度正比于線圈的驅(qū)動電流；為了得到恒定的磁場，電磁流量計線圈采用恒流驅(qū)動方式，驅(qū)動電流一般在

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

線圈圈數(shù)少一些，則驅(qū)動電流大一些；如果線圈圈數(shù)多一些，則驅(qū)動電流小一些，最終目的是為了達到一定的磁場強度。

4 低頻交流矩形波勵磁技術(shù)中干擾的分析

4.1 正交干擾與微分干擾

傳感器就如同一個副邊只有一匝的變壓器，由被測介質(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。當采用正弦交流勵磁時，將產(chǎn)生一個交變的磁場，電極上產(chǎn)生的電勢為E=BmDvsin（ωt）。同時，因為這個閉合回路實際上

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

對于正弦交流勵磁，B=Bmsin（ωt），則有：

et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）

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

對于低頻交流矩形波勵磁，則表現(xiàn)在由于勵磁電流突變而導致微分干擾信號的產(chǎn)生，干擾信號會隨著電流的穩(wěn)定而逐步消失。

根據(jù)以上分析，采用低頻交流矩形波勵磁，電極走線偏離將會產(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，有標準、偏1/3、偏

2/3、完全偏離4種，背面電極是標準走線。

采用恒流500mA，5Hz交流矩形波勵磁，相應

直流偏置是指電極信號整體向上或向下偏移，

不以0電平對稱，這是由于制造過程中線圈不對稱、電極走線不標準、共模干擾、電化學效應等因素造成。直流偏置在采用了低頻交流矩形波勵磁后，不影響流量計的測量。

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

許的最大偏差值。每次采樣測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個采樣值進行算術(shù)平均運算，N值較大時，信號平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時，信號平滑度較低，但靈敏度較高。

舉例，如圖5所示，線圈采用5Hz驅(qū)動時的0feet/ s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的電極信號，利用上述方法對信號進行處理并計算流速。取每半波最后的20％納入流速計算，正半波與負半波相減即是流速。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算。因線圈是5Hz驅(qū)動，半波的20％是20ms，正好是1個完整的工頻周期，這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負半波相減，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，保證了流量信號的有效提取。

6 接地

由于在電極上產(chǎn)生的流量信號是μV級，流量計安裝地點附近經(jīng)常有其他電器設(shè)備，環(huán)境復雜，容易受到附近其他設(shè)備的影響，變送器必須可靠接地；流量計經(jīng)常被安裝在室外，風吹日曬，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險；為了保證測量的精度和穩(wěn)定性，對于非金屬管道，傳感器的兩端必須采用接地環(huán)可靠接地，使進入傳感器的流體保證零電位。必須強調(diào)，流量計一定要單獨接地，因為若與其他儀表或電氣裝置共同接地，接地線中的漏電流可能對測量信號將產(chǎn)生串模干擾，嚴重時流量計將無法工作。另外，接地點應遠離大型用電器，避免地電流串入流量計，造成干擾。

7 結(jié)束語

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