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电磁流量计

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分析电磁流量计干扰产生的原因与解决办法

来源:作者:发表时间:2016-12-08 10:03:02

摘 要:根据电磁流量计的测量原理,结合电磁流量计实际应用中遇到的正交干扰、微分干扰、工频干扰等问题,分析干扰产生的原因,提出采用同步采样技术、采样时间长度选择、数字滤波技术等方法,从根本上对这些干扰信号进行抑制和消除,使电磁流量计更适应于现场应用。

4 低频交流矩形波励磁技术中干扰的分析

4.1 正交干扰与微分干扰
 
传感器就如同一个副边只有一匝的变压器,由被测介质、电极、引出线和转换器的输入电路所组成的闭合回路组成。当采用正弦交流励磁时,将产生一个交变的磁场,
电极上产生的电势为E=BmDvsin(ωt)。
同时,因为这个闭合回路实际上不能与磁力线完全平行,总会有一部分磁力线穿过该闭合回路,从而在回路内产生一个干扰电动势叠加在电极上,即电磁流量计变压器效应原理,
 
其大小为:et=-dB/dt
对于正弦交流励磁,B=Bmsin(ωt),则有:
et=-Bmωcos(ωt)=-Bmωsin(ωt+90°)
 
比较流速信号E与干扰信号et,频率相同,相位相差90°。因此,et为90°干扰,又称正交干扰。对于低频交流矩形波励磁,则表现在由于励磁电流突变而导致微分干扰信号的产生,干扰信号会随着电流的稳定而逐步消失。
 
根据以上分析,采用低频交流矩形波励磁,电极走线偏离将会产生微分干扰以及由其衍生的直流偏置。如图2所示。两个电极分别通过引线引到传感器上部与变送器相连,正面电极走线如图所示,有标准、偏1/3、偏2/3、完全偏离4种,背面电极是标准走线。采用恒流500mA,5Hz交流矩形波励磁,相应的电极信号如图3所示。可以看出,随着偏离的程度增加,微分干扰和直流偏置同趋势增加。
图2 电极走线偏离示意图
图3 走线偏离时的电极信号
 
4.2 工频干扰
    工频干扰是电磁流量计常见的干扰源。当流量计处于电源形成电磁场中时,由于分布电容的存在,以电磁波的辐射形式干扰电极信号,或者是由供电电源引入的工频串扰,工作现场的工频共模干扰,其产生的物理机理均是电磁感应原理。幅度与流量信号相比,往往要大几个数量级,频率与供电电源频率相同。如图4所示,线圈驱动频率为5Hz的电极信号,被耦合了50Hz的工频干扰,幅度大概相当于1feet/s。
 
4.3 泥浆干扰和流动噪声
    泥浆干扰是在测量泥浆、纤维浆等固液两相导电性流体时,固体颗粒或者气泡擦过电极表面时,电极表面的接触电化学电势突然变化,电磁流量传感器输出信号出现尖峰脉冲状干扰噪声。流体流动噪声是在测量低导率流体时,电极的电化学电势定期波动,产生随流量增加而频率增加的随机干扰噪声,具有类似泥浆干扰的1/f频谱特性,因此提高励磁频率有助于降低流体流动噪声的数量级,以提高电磁流量传感器测最低导电率流体流量的信噪比。
 
5 抗干扰方法
5.1 同步采样技术
    对于低频方波励磁我们可以采用同步采样技术进行。根据线圈驱动给出的同步信号,对电极信号在指定时间开始取样,取指定的时间长度。例如只取电极信号最后的20%纳入流量计算,这样就有效避免了微分干扰和建立稳定磁场需要一定时间的问题。
 
5.2 采样时间长度
    采样时间长度要取工频周期的整数倍,这样即使混有工频干扰信号,因其采样时间长度为完整的工频周期,其平均值也为零,干扰不起作用。
5.3 零点偏移与直流偏置
    零点偏移是指在流体流速为零时,电极两端依然有电势差。理论上此时应该没有电势差,但由于电子部件的不对称、传感器制造不对称等原因,造成此电势差,这个值可以放在标定过程中去除。直流偏置是指电极信号整体向上或向下偏移,不以0电平对称,这是由于制造过程中线圈不对称、电极走线不标准、共模干扰、电化学效应等因素造成。直流偏置在采用了低频交流矩形波励磁后,不影响流量计的测量。
图4工频干扰
 
5.4 数字滤波技术
限幅滤波法,根据经验判断,确定两次采样允许的最大偏差值。每次采样测到的新值与前一次值作比较,如果差值小于允许的最大偏差值则有效,否则无效,用前一次值代替。这样就可以有效过滤现场干扰、毛刺、过程流体颗粒撞击电极引起的过程噪声等干扰。算术平均滤波法,连续取N个采样值进行算术平均运算,N值较大时,信号平滑度较高,但灵敏度较低;N值较小时,信号平滑度较低,但灵敏度较高。
 
举例,如图5所示,线圈采用5Hz驱动时的0feet/s,3.1feet/s,5.9feet/s流速下的电极信号,利用上述方法对信号进行处理并计算流速。取每半波最后的20%纳入流速计算,正半波与负半波相减即是流速。如3.1feet/s–(-2.8feet/s)=5.9feet/s,虽然有+0.15 feet/s的直流偏置,但也不影响流速的计算。因线圈是5Hz驱动,半波的20%是20ms,正好是1个完整的工频周期,这样就不受工频干扰的影响。正半波与负半波相减,这样就避免了直流偏置和共模干扰的影响。再加上在数字滤波过程中使用限幅滤波和算数平均,保证了流量信号的有效提取。
图5流量信号
6 接地
    由于在电极上产生的流量信号是μV级,流量计安装地点附近经常有其他电器设备,环境复杂,容易受到附近其他设备的影响,变送器必须可靠接地;流量计经常被安装在室外,风吹日晒,温湿度变化比较大,夏天容易受到雷电的冲击,环境恶劣,接地可以减少损坏的风险;为了保证测量的精度和稳定性,对于非金属管道,传感器的两端必须采用接地环可靠接地,使进入传感器的流体保证零电位。必须强调,流量计一定要单独接地,因为若与其他仪表或电气装置共同接地,接地线中的漏电流可能对测量信号将产生串模干扰,严重时流量计将无法工作。另外,接地点应远离大型用电器,避免地电流串入流量计,造成干扰。
 
7 结束语
    通过以上对干扰的分析,针对不同类型的干扰,分别采取不同的措施,有效提高信噪比,强调接地的作用,提高了电磁流量计的抗干扰能力和稳定性,使其更加适应于工业应用现场。