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          電磁管道流量計的勵磁干擾分析與抗干擾方法

          點擊次數:199 發布時間:2021-01-01 12:09:44
          摘要:根據電磁管道流量計的測量原理,結合電磁管道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,分析干擾產生的原因,提出采用同步采樣技術、采樣時間長度選擇、數字濾波技術等方法,從根本上對這些干擾信號進行抑制和消除,使電磁管道流量計更適應于現場應用。
          1 低頻交流矩形波勵磁技術中干擾的分析
          1.1 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、電極、引出線和轉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,將產生一個交變的磁場,電極上產生的電勢為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,從而在回路內產生一個干擾電動勢疊加在電極上,即電磁管道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,則表現在由于勵磁電流突變而導致微分干擾信號的產生,干擾信號會隨著電流的穩定而逐步消失。
          根據以上分析,采用低頻交流矩形波勵磁,電極走線偏離將會產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,相應的電極信號如圖3所示。可以看出,隨著偏離的程度增加,微分干擾和直流偏置同趨勢增加。

          1.2 工頻干擾
          工頻干擾是電磁管道流量計常見的干擾源。當流量計處于電源形成電磁場中時,由于分布電容的存在,以電磁波的輻射形式干擾電極信號,或者是由供電電源引入的工頻串擾,工作現場的工頻共模干擾,其產生的物理機理均是電磁感應原理。幅度與流量信號相比,往往要大幾個數量級,頻率與供電電源頻率相同。如圖4所示,線圈驅動頻率為5Hz的電極信號,被耦合了50Hz的工頻干擾,幅度大概相當于1feet/s。
          1.3 泥漿干擾和流動噪聲
          泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相導電性流體時,固體顆粒或者氣泡擦過電極表面時,電極表面的接觸電化學電勢突然變化,電磁流量傳感器輸出信號出現尖峰脈沖狀干擾噪聲。流體流動噪聲是在測量低導率流體時,電極的電化學電勢定期波動,產生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲,具有類似泥漿干擾的1/f頻譜特性,因此提高勵磁頻率有助于降低流體流動噪聲的數量級,以提高電磁流量傳感器測最低導電率流體流量的信噪比。
          2 抗干擾方法
          2.1 同步采樣技術
          對于低頻方波勵磁我們可以采用同步采樣技術進行。根據線圈驅動給出的同步信號,對電極信號在指定時間開始取樣,取指定的時間長度。例如只取電極信號最后的20%納入流量計算,這樣就有效避免了微分干擾和建立穩定磁場需要一定時間的問題。
          2.2 采樣時間長度
          采樣時間長度要取工頻周期的整數倍,這樣即使混有工頻干擾信號,因其采樣時間長度為完整的工頻周期,其平均值也為零,干擾不起作用。
          2.3 零點偏移與直流偏置
          零點偏移是指在流體流速為零時,電極兩端依然有電勢差。理論上此時應該沒有電勢差,但由于電子部件的不對稱、傳感器制造不對稱等原因,造成此電勢差,這個值可以放在標定過程中去除。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。

          2.4 數字濾波技術
          限幅濾波法,根據經驗判斷,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。算術平均濾波法,連續取N個采樣值進行算術平均運算,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。再加上在數字濾波過程中使用限幅濾波和算數平均,保證了流量信號的有效提取。

          4 接地
          由于在電極上產生的流量信號是μV級,流量計安裝地點附近經常有其他電器設備,環境復雜,容易受到附近其他設備的影響,變送器必須可靠接地;流量計經常被安裝在室外,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定性,對于非金屬管道,傳感器的兩端必須采用接地環可靠接地,使進入傳感器的流體保證零電位。必須強調,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。
          5 結束語
          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,強調接地的作用,提高了電磁管道流量計的抗干擾能力和穩定性,使其更加適應于工業應用現場。

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