電磁流量計(jì)的干擾產(chǎn)生及其抑制和消除
電磁流量計(jì)的干擾產(chǎn)生及其抑制和消除
摘.. 要.. 根據(jù)電磁流量計(jì)的測量原理及勵磁方式, 分析了由勵磁方式產(chǎn)生的各種干擾問題, 闡述了從根本上對這些干擾信號進(jìn)行抑制和消除的方法。
關(guān)鍵詞.. 電磁流量計(jì); 勵磁; 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)生磁場的方式可有多種, 不同的勵磁方式會產(chǎn)生不同的干擾信號, 這些干擾信號與有用的流量信號混雜在一起, 不僅成分復(fù)雜, 而且常常會比流量信號還大。通常, 在液體的平均流速為1m/ s 時, 變送器產(chǎn)生的流量信號僅為1mV 左右, 在流量時一般也只有幾mV, 而干擾嚴(yán)重時, 其幅度可達(dá)幾十mV。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, 提高信噪比, 就成了研制和使用電磁流量計(jì)的一個關(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)一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動而切割磁力線時, 在導(dǎo)體兩端便會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。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(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時, 導(dǎo)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?qū)a(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)電動勢: E = BDv ( 1) 由此可得管道的體積流量為: Q = ..D 2 4 v ( 2) 綜合式( 1) 和式( 2) 得: E = 4B ..D Q= K Q ( 3) 式中: K 稱為儀表常數(shù), 在管道直徑D 已確定并維持磁感應(yīng)強(qiáng)度B 恒定時, K 是一個常數(shù)。此時感應(yīng)電動勢與體積流量具有線性關(guān)系。
2 .. 勵磁方式
由電磁流量計(jì)的工作原理可知, 為使式( 3) 成立, 個必須滿足的條件就是要有一個均勻恒定的磁場, 才能保證感應(yīng)電動勢E 與體積流量Q 具有線性關(guān)系, 這就需要選擇合適的勵磁方式, 也就是產(chǎn)生磁場的方式。一般有3 種勵磁方式可供選擇, 即直流勵磁、交流勵磁、低頻方波勵磁。我們現(xiàn)場所用的電磁流量計(jì)多采用低頻方波勵磁。
2..1 .. 直流勵磁
直流勵磁方式用直流電產(chǎn)生磁場或采用磁鐵, 結(jié)構(gòu)比較簡單, 它能產(chǎn)生一個恒定的均勻磁場。但是, 采用直流磁場, 電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是直流電勢, 它將引起被測電解質(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, 磁鐵勢必也要很大, 這樣既笨重又不經(jīng)濟(jì)。直流勵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。.. 使用與維修..
2..2 .. 交流勵磁
工業(yè)用電磁流量計(jì), 大都采用工頻電源交流勵磁方式, 通過勵磁線圈產(chǎn)生交變磁場。交流磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為: B = Bmsin( ..t ) ( 4) 式中: B m為磁極中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為: E= B mDv sin( ..t ) ( 5) 被測液體的體積流量為: Q= ..DE 4Bmsin( ..t ) ( 6)
2..3 .. 低頻方波勵磁
低頻方波勵磁方式的勵磁電流頻率通常為工頻的1/ 4~ 1/ 10。在半個周期內(nèi), 磁場是恒穩(wěn)的直流磁場, 它有直流勵磁的特點(diǎn), 受電磁干擾影響很小。從整個時間過程來看, 方波信號又是一個交變的信號, 所以它能克服直流勵磁易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。因此, 低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式, 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磁方式產(chǎn)生的。直流勵磁方式易產(chǎn)生極化干擾, 交流勵磁方式易產(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)用中多采用交流勵磁方式, 因此下面我們主要闡述交流勵磁下的干擾問題及其抑制和消除。
3..1 .. 正交干擾及其抑制或排除方法
正交干擾是指在相位上與流量信號相差90..的干擾。電磁流量變送器采用交流勵磁方式時, 要產(chǎn)生一個交變的磁場, 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。圖中R入為轉(zhuǎn)換器的輸入電阻。這個閉合回路不可能與變送器的交變磁場產(chǎn)生的磁力線*平行, 總會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)生一個干擾電動勢, 其大小為: 圖1 .. 90..干擾信號的產(chǎn)生et = - dB d t ( 7) 對于交流勵磁, B= B msin( ..t ) , 則有: et= - Bm ..cos( ..t ) = - Bm ..sin( ..t+ 90..) ( 8) 比較式( 5) 與式( 8) 可知, 測量信號E 與干擾信號et的頻率相同, 相位差90..。因此, 稱et 為90..干擾, 又稱正交干擾。在電磁流量計(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保持與交變磁力線平行, 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et 。另外, 在變送器上設(shè)置調(diào)零電位器。如圖2 所示。從一根電極上引出二根導(dǎo)線, 并分別繞過磁極形成兩個回路, 當(dāng)有磁力線穿過此閉合回路, 必然在兩個回路內(nèi)產(chǎn)生方向相反的感應(yīng)電勢, 因此, 在兩個回路中有相反方向的電流I 1、I2。通過調(diào)零電位器, 使兩個回路中產(chǎn)生的電流I 1、I2在R 入上產(chǎn)生的電勢相互抵消, 以減少90..干擾信號。3..1..2 .. 從轉(zhuǎn)換器部分采取措施對于正交干擾, 除了變送器的干擾調(diào)整機(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。否則, 這些剩余的正交干擾信號同樣會被放大器放大, 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。
圖2 .. 調(diào)零電位器示意圖圖3 .. 90..干擾自動補(bǔ)償原理經(jīng)主放大器放大后的90..干擾信號, 被鑒別和分離出來, 然后再反饋到主放大器的輸入端, 以抵消輸入端進(jìn)來的90..干擾信號。
3..2 .. 同相干擾及其抑制方法
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)在變送器的兩個電極上, 并且幅值和相位都相同的干擾信號。當(dāng)流量為零時, 即被測液體靜止不動時, 所測得的同相信號就是同相干擾信號。對于同相干擾, 抑制的方法較多。在變送器方面, 將電極和勵磁線圈在幾何形狀、尺寸以及性能參數(shù)上做得均衡對稱, 并分別嚴(yán)格屏蔽, 以減少電極與勵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Rn 產(chǎn)生的電壓降en 通過變送器而發(fā)生漏電時, 地電流將使各個不同接地點(diǎn)電位不同。由如圖4 所示的變送器內(nèi)阻Ri 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Rn 越大, 造成的同相干擾越強(qiáng)。一般來說, 接地電阻不能大于10.. 。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。圖4.. 地電流在接地電阻上產(chǎn)生同相干擾的等效電路為了減少地電流造成的同相干擾, 在安裝接地線時, 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)換器的前置放大級采用差動放大電路。這是利用差動放大電器的高共模抑制比, 使進(jìn)入轉(zhuǎn)換器輸入端的同相干擾信號互相抵消而被抑制。如果在轉(zhuǎn)換器的前置差動放大級中增加恒流源電路, 則能更好地抑制同相干擾。同時, 為了避免干擾信號, 變送器和轉(zhuǎn)換器之間的信號必須用屏蔽導(dǎo)線傳輸。不允許把信號電纜和電源線放在同一電纜鋼管內(nèi), 且信號電纜長度一般不得超過30m。
4 .. 結(jié)束語
通過對電磁流量計(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對有用的流量信號的影響, 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)用效果和推廣價值。
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