电磁流量计的工作以电磁感应定律为基础, 产生的正比于被测流量的感应电动势通常很小, 极易受到外界电磁干扰, 而它本身产生的电磁干扰很小,因此电磁流量计的电磁兼容性主要体现在它如何在恶劣的电磁环境下正常工作。在恶劣的电磁环境下, 电磁耦合静电感应是电磁流量计干扰噪声的主要来源; 被测流体介质特性产生的电化学干扰噪声是电磁流量计干扰噪声的第二来源; 电磁流量计供电电源的电压和频率波动等电源干扰噪声是电磁流量计干扰噪声的第三来源。为满足仪表的 EMC要求, 智能电磁流量计分别采用硬件和软件抗干扰技术, 以提高电磁流量计抗干扰能力。
1.工频干扰噪声的特点及电磁流量计抗干扰技术
工频干扰噪声首先是由电磁流量计励磁绕组和流体、 电极、 放大器输入回路的电磁耦合形成, 其二是电磁流量计工作现场的工频共模干扰, 其三是供电电源引入的工频串模干扰等, 其产生的物理机理均是电磁感应原理。
工频共模干扰和工频串模干扰这两种常见的干扰, 主要是由于电磁屏蔽缺陷, 分布电容耦合, 电磁流量计接地不良等原因而产生, 电磁流量计采用输入保护技术、 高输入阻抗、 高共模抑制比自举前置放大器技术以及重复接地技术等提高抗工频干扰的能力。ADMAG AE系列电磁流量计配有接地环, 其作用是通过与液体接触, 建立液体接地, 确保基准电位与被测液体相同, 并且保护流量计内衬。
2.电化学干扰噪声的特点及电磁流量计抗干扰技术
( 1)电化学极化电势干扰是由于电极感生电动势在两极极性不同而导致电解质在电极表面极化产生。虽然采用正负交变励磁磁场能显著减弱极化电势的数量级, 但不能从根本上完全消除极化电势干扰。
( 2)泥浆干扰是在测量液固两相导电性流体流量时, 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。
( 3)流体流动噪声是在测量低导率液体 ( 100S/ c m 以下 )流量时, 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。
2.2电磁流量计抗电化学干扰技术
电磁流量计在提高抗电化学干扰能力方面采取的措施主要是低频矩形波励磁和双频励磁技术。低频矩形波励磁既具有直流励磁技术不产生涡流效应、 变压器效应 (正交干扰 ) 的特点, 又具有工频
正弦波励磁基本不产生极化效应, 便于放大信号处理,而能避免直流放大器零点漂移、 噪声、 稳定性等问题的产生, 有较好的抗干扰性能。
低频矩形波励磁虽然具有优良的零点稳定性,但在测量泥浆、 纸浆等含纤维和固体颗粒的液固两相导电性流体流量时无法克服泥浆干扰和流体噪声干扰。研究分析表明, 泥浆干扰和流动噪声具有 1/ f的频谱特征。低频时幅值大, 高频时幅值小, 如果采用较高频率的低频矩形波励磁则能大大降低泥浆干扰的数量级。因此提高励磁频率有助于降低泥浆干扰和流动噪声, 提高传感器输出信号的信噪比。
综上所述, 要保证电磁流量计的零点稳定性, 最好采用低频矩形波励磁; 为了能较准确地测量液固两相导电性流体和低导电率流体的流量, 又必须采用较高频率的矩形波励磁。采用图 1所示的双频矩形波励磁的方法是最佳方案。
2.3双频矩形波励磁工作及抗干扰原理
在电磁流量计测量管内形成含有两个频率分量的电磁场: 高频励磁分量不受液体干扰的影响, 而低频励磁分量则有着极好的零点稳定性, 根据高、 低频定时检测到的各分量信号经过计算, 便可得到流量信号。
式 ( 4)从理论上说明电磁流量计的工频干扰有可克服的途径, 即同步采样技术, 其方法是以同相位 ( t 1= t 2 )、 同宽度采样 (T 1 = T 2 = T )为前提的, 采样频率要选为工频周期的整数倍。这样即使混有干扰信号, 因其采样时间为完整的工频周期, 其平均值也为零, 干扰电压不起作用。
1.工频干扰噪声的特点及电磁流量计抗干扰技术
工频干扰噪声首先是由电磁流量计励磁绕组和流体、 电极、 放大器输入回路的电磁耦合形成, 其二是电磁流量计工作现场的工频共模干扰, 其三是供电电源引入的工频串模干扰等, 其产生的物理机理均是电磁感应原理。
电磁流量计励磁绕组和流体、 电极、 放大器输入回路的电磁耦合产生的工频干扰对电磁流量计工作影响最大, 而且在不同的励磁技术下其表现的形态、特性不同, 因而采取抗干扰措施也不同。在工频正弦波励磁磁场下, 此种电磁耦合工频干扰噪声表现形式为正交干扰, 又称为变压器电势, 特点是干扰噪声幅值和工频正弦波励磁频率成正比, 相位滞后流量信号电势 90? , 且幅值较流量信号电势大几个数量级[ 2] 。直流励磁、 低频矩形波励磁及双频矩形波励磁技术, 可以基本消除正交干扰的影响。
工频共模干扰和工频串模干扰这两种常见的干扰, 主要是由于电磁屏蔽缺陷, 分布电容耦合, 电磁流量计接地不良等原因而产生, 电磁流量计采用输入保护技术、 高输入阻抗、 高共模抑制比自举前置放大器技术以及重复接地技术等提高抗工频干扰的能力。ADMAG AE系列电磁流量计配有接地环, 其作用是通过与液体接触, 建立液体接地, 确保基准电位与被测液体相同, 并且保护流量计内衬。
2.电化学干扰噪声的特点及电磁流量计抗干扰技术
2.1电化学干扰噪声的特点
( 1)电化学极化电势干扰是由于电极感生电动势在两极极性不同而导致电解质在电极表面极化产生。虽然采用正负交变励磁磁场能显著减弱极化电势的数量级, 但不能从根本上完全消除极化电势干扰。
( 2)泥浆干扰是在测量液固两相导电性流体流量时, 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。
( 3)流体流动噪声是在测量低导率液体 ( 100S/ c m 以下 )流量时, 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。
2.2电磁流量计抗电化学干扰技术
电磁流量计在提高抗电化学干扰能力方面采取的措施主要是低频矩形波励磁和双频励磁技术。低频矩形波励磁既具有直流励磁技术不产生涡流效应、 变压器效应 (正交干扰 ) 的特点, 又具有工频
正弦波励磁基本不产生极化效应, 便于放大信号处理,而能避免直流放大器零点漂移、 噪声、 稳定性等问题的产生, 有较好的抗干扰性能。
低频矩形波励磁虽然具有优良的零点稳定性,但在测量泥浆、 纸浆等含纤维和固体颗粒的液固两相导电性流体流量时无法克服泥浆干扰和流体噪声干扰。研究分析表明, 泥浆干扰和流动噪声具有 1/ f的频谱特征。低频时幅值大, 高频时幅值小, 如果采用较高频率的低频矩形波励磁则能大大降低泥浆干扰的数量级。因此提高励磁频率有助于降低泥浆干扰和流动噪声, 提高传感器输出信号的信噪比。
综上所述, 要保证电磁流量计的零点稳定性, 最好采用低频矩形波励磁; 为了能较准确地测量液固两相导电性流体和低导电率流体的流量, 又必须采用较高频率的矩形波励磁。采用图 1所示的双频矩形波励磁的方法是最佳方案。
2.3双频矩形波励磁工作及抗干扰原理
在电磁流量计测量管内形成含有两个频率分量的电磁场: 高频励磁分量不受液体干扰的影响, 而低频励磁分量则有着极好的零点稳定性, 根据高、 低频定时检测到的各分量信号经过计算, 便可得到流量信号。
双频矩形波励磁测量原理如图 1所示, 一个由高低频分量迭加而成的电磁场通过励磁线圈被施加到被测液体中, 励磁波形是在一个低频矩形波上迭加一个高于市电频率的矩形波而得到的波形。在产生的电动势中, 低频分量通过一个大时间常数的积分电路获得一个零点稳定性好的平稳流量信号。而由浆液或低电导率流体产生的低频噪声可被不受噪声影响的高频采样电路所抑制, 有着同样时间常数的流量信号经过一个差分电路以确定流速信号的变化, 把这两种不同频率采样所得的信号结合起来可获得一个稳定流速信号, 该信号不受噪声干扰, 且有较高的零点稳定性。
3.电源干扰噪声特点及电磁流量计抗干扰技术
电磁流量计一般都采用工频交流电源供电, 其电源电压的幅值和频率的变化都会给电磁流量计带来电源性干扰噪声。对电源电压的幅值变化, 因采用多级集成稳压, 一般而言电源电压的幅值变化对电磁流量的测量精度影响不大。当电源电压的频率波动时, 虽然其波动范围有限, 但对电磁流量计测量精度影响较大。为了解决工频干扰问题, 实现对流体流速感应电势 eab 信号的准确测量, 需利用以下基本关系: 励磁周期为工频周期的整数倍, 即励磁频率为 50/n H z( n为偶数 ); 正负励磁下的同相位采样。图 2是对应低频矩形波励磁形式下的典型电势信号形式, 按上述关系在一个励磁周期下, 若假设t 1 和 t 2 点为工频干扰的等效干扰点, 且采样宽度 T= T 1 = T 2 , 则 e ab 的基本算式[ 3] 为:
