電磁流量計(jì)電磁干擾的分析及對(duì)策
電磁流量計(jì)干擾的分析及對(duì)策
[摘要]根據(jù)電磁流量計(jì)的測量原理及勵(lì)磁方式，分析了由勵(lì)磁方式產(chǎn)生的各種干擾問題，闡述了從根本上對(duì)這些干擾信號(hào)進(jìn)行抑制和消除的方法。
關(guān)鍵詞:電磁流量計(jì)勵(lì)磁干擾
0引言
電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種常用儀表，用于測量封閉管道中導(dǎo)電性液體和漿液的體積流量。它主要由電磁流量變送器和轉(zhuǎn)換器兩大部分組成。在電磁流量變送器中，產(chǎn)生磁場可有多種，不同的勵(lì)磁方式會(huì)產(chǎn)生不同的干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)與有用的流量信號(hào)混雜在一起，不僅成分復(fù)雜，而且常常會(huì)比流量信號(hào)還大。通常，在液體的平均流速為1m/s時(shí)，變送器產(chǎn)生的流量信號(hào)僅為1mV左右，在流量時(shí)一般也只有幾毫伏，而干擾嚴(yán)重時(shí)，其幅度可達(dá)幾十毫伏。這種情況下，電磁流量計(jì)根本無法進(jìn)行正確的測量。因此， 怎樣采取措施抑制和消除這些干擾信號(hào)，提高信噪比， 就成了研制和使用電磁流量計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。
1測量原理
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(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)。設(shè)在均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個(gè)直徑為/)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的直徑兩端安裝一對(duì)電極， 可以證明，只要管道內(nèi)流速"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 (1) 由此可得管道的體積流量為：
Q=-nDh^ (2) 綜合式(1)和式(2)得：
E=4BQ/t:D=KQ (3) 式中：K為儀表常數(shù),在管道直徑Z)已確定并維持磁感應(yīng)強(qiáng)度S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。
2勵(lì)磁方式
由智能電磁流量計(jì)的工作原理可知，為使式(3)成立，個(gè)必須滿足的條件就是要有一個(gè)均勻恒定的磁場，才能保證感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)£與體積流量Q具有線性關(guān)系，這就需要選擇合適的勵(lì)磁方式，也就是產(chǎn)生磁場的方式。一般有3種勵(lì)磁方式可供選擇，即直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁、低頻方波勵(lì)磁。我們現(xiàn)場所用的電磁流量計(jì)多采用低頻方波勵(lì)磁。2.1直流勵(lì)磁
直流勵(lì)磁方式用直流電產(chǎn)生勵(lì)磁或采用磁鐵， 結(jié)構(gòu)比較簡單，它能產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場。但是， 采用直流磁場，電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是直流電勢(shì)， 它將引起被電解質(zhì)液體電解，而在電極上發(fā)生極化現(xiàn)象，破壞了原來的測量條件，并且管道直徑較大時(shí)，磁鐵勢(shì)必也要很大，這樣既笨重又不經(jīng)濟(jì)。直流勵(lì)磁方式只適用于測量電導(dǎo)率很高而又不能電解的液態(tài)金屬的場合。2.2交流勵(lì)磁
工業(yè)用電磁流量計(jì)，大都采用工頻電源交流勵(lì)磁方式，通過勵(lì)磁線圈產(chǎn)生交變磁場。交流磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)可表示為：
B=BJ}sm((ot) (4) 式中：Bm為磁極中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度。電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：
E=BJhsin (cot) (5) 被測液體的體積流量為：Q=TrDE/4B^m{o)t) (6)2.3低頻方波勵(lì)磁
低頻方波勵(lì)磁方式的勵(lì)磁電流頻率通常為工頻的1/4~1/10。在半個(gè)周期內(nèi)，磁場是恒定的直流磁場，它有直流勵(lì)磁的特點(diǎn)，受電磁干擾影響很小。從整個(gè)時(shí)間過程來看，方波信號(hào)又是一個(gè)交變的信號(hào)，所以它能克服直流勵(lì)磁易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。因此，低頻方波勵(lì)磁是一種比較好的勵(lì)磁方式，目前在電磁流量計(jì)上廣泛應(yīng)用。
3干擾的抑制和消除
電磁流量計(jì)的干擾問題是隨著各種勵(lì)磁方式產(chǎn)生的。直流勵(lì)磁方式易產(chǎn)生極化干擾，交流勵(lì)磁方式易產(chǎn)生正交干擾(90°干擾）、同相干擾（即工頻干擾）等。由于實(shí)際應(yīng)用中多采用交流勵(lì)磁方式，因此下面我們主要闡述交流勵(lì)磁下干擾問題及其抑制和消除。3.1正交干擾及抑制或排除方法
正交干擾是指在相位上與流量信號(hào)相差90°的干擾。電磁流量變送器采用交流勵(lì)磁方式時(shí)，要產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場，而由電極、引出線、被測介質(zhì)和轉(zhuǎn)換器的輸入電路所組成的閉合回路，正處于此交變磁場中，如圖1 所示。3.1.2從轉(zhuǎn)換器部分采取措施
圖中ft A為轉(zhuǎn)換器的輸入電阻。這個(gè)閉合回路不能與變送器的交變磁場產(chǎn)生的磁力線*平行，總會(huì)有一部分交變的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)，其大小為：
e,=-dB/6t (7) 對(duì)于交流勵(lì)磁，B-B^sinU),則有：
er-Bjacos (at) =-B^osin (wt+%°) (8) 比較式(5)與式(8)可知，測量信號(hào)£與干擾信號(hào)et的頻率相同，相位差90°。因此，稱e,為90°干擾，又稱正交干擾。
在智能電磁流量計(jì)中，從變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分采取措施，來消除或抑制90°干擾。3.1.1從變送器部分采取措施
在變送器的結(jié)構(gòu)上，注意使閉合回路的平面與交變磁力線平行，避免磁力線穿過閉合回路，并設(shè)有干擾調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減少干擾信號(hào)e,。另外，在變送器上設(shè)置調(diào)零電位器。如圖2所示。從1根電極上引出2根導(dǎo)線， 并分別繞過磁極形成2個(gè)回路，當(dāng)有磁力線穿過此閉合回路，必然在2個(gè)回路內(nèi)產(chǎn)生方向相反的感應(yīng)電勢(shì)，因此，在2個(gè)回路中有相反方向的電流/,、 /2。通過調(diào)零電位器，使2個(gè)回路中的電流/,、 /2在K人上產(chǎn)生的電勢(shì)相互抵消，以減少90°干擾信號(hào)。
對(duì)于正交干擾，除了變送器的干擾調(diào)零機(jī)構(gòu)調(diào)零以外，轉(zhuǎn)換器中也要設(shè)置抗干擾機(jī)構(gòu)，以消除變送器中剩余的正交干擾信號(hào)。否則，這些剩余的正交干擾信號(hào)同樣會(huì)被放大器放大，嚴(yán)重影響儀表正常工作。為此，在主放大器的輸出端設(shè)置抑制和補(bǔ)償90°干擾的機(jī)構(gòu)，如圖3所示。
經(jīng)主放大器放大后的90°干擾信號(hào)，被鑒別和分離出來，然后再反饋到主放大器的輸入端，以抵消輸人端進(jìn)來的90°干擾信號(hào)。3.2同相干擾及抑制方法
同相干擾也稱工頻干擾或共模干擾，是指在同一瞬間出現(xiàn)在變送器的2個(gè)電極上，并且幅值和相位相同的干擾信號(hào)。當(dāng)流量為零時(shí)，即被測液體靜止不動(dòng)時(shí)，所測得的同相信號(hào)就是同相干擾信號(hào)。
對(duì)于同相干擾，抑制的方法較多。在變送器方面， 將電極和勵(lì)磁線圈在幾何形狀、尺寸以及性能參數(shù)上做得均衡對(duì)稱，并分別嚴(yán)格屏蔽，以減少電極與勵(lì)磁線圈之間的分布電容影響。3.3其他應(yīng)注意的問題
單獨(dú)、良好的接地是十分重要的，地電流是同相干擾產(chǎn)生的主要原因。如果變送器附近存在大功率的電器設(shè)備， 特別是從絕緣不好的等效電路中可以看出，接地線接地電阻fln產(chǎn)生的電壓降en通過變送器而發(fā)生漏電時(shí)，地電流將使各個(gè)不同接地點(diǎn)電位不同。由如圖4所示的變送器內(nèi)阻&分別加在電極A和B上，其相位相同，幅值相等，這就形成同相干擾。變送器接地線的接地電阻fln 越大，造成的同相干擾越強(qiáng)。一般來說，接地電阻不能大于100。如果不能保證變送器外殼與金屬管道良好接觸，就用金屬導(dǎo)線將它們連接起來，再可靠接地。為了減少地電流造成的同相干擾，在安裝接地線時(shí)，要把變送器兩端的管道法蘭盤與轉(zhuǎn)換器的外殼都接在同一點(diǎn)上，而且不能與動(dòng)力設(shè)備公共地線有公共接地點(diǎn)，以減少同相干擾，但不能*消除同相干擾。因此，通常還在轉(zhuǎn)換器的前置放大級(jí)采用差動(dòng)放大電路。這是利用差動(dòng)放大電器的高共模抑制比，使進(jìn)人轉(zhuǎn)換器輸人端的同相干擾信號(hào)互相抵消而被抑制。如果在轉(zhuǎn)換器的前置差動(dòng)放大級(jí)中增加恒流源電路，則能更好地抑制同相干擾。
同時(shí)，為了避免干擾信號(hào)，變送器和轉(zhuǎn)換器之間的信號(hào)必須用屏蔽導(dǎo)線傳輸。不允許把信號(hào)電纜和電源線放在同一電纜鋼管內(nèi)，且信號(hào)電纜長度一般不得超過30m 。
4結(jié)束語
通過對(duì)電磁流量計(jì)實(shí)行這一系列的抗干擾措施，大大抑制和消除了干擾信號(hào)對(duì)有用的流量信號(hào)的影響，提高了測量的準(zhǔn)確度，減少了故障率，具有很好的實(shí)際應(yīng)用效果和推廣價(jià)值。--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：
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