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電磁流量計幹擾分析與對策

來源:作者:發表時間:2016-04-14 09:24:09

摘 要:根據電磁流量計的測量原理,結合電磁流量計實際應用中遇到的正交幹擾、微分幹擾、工頻幹擾等問題,分析幹擾產生的原因,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,從根本上對這些幹擾信號進行抑製和消除,使電磁流量計更適應於現場應用。

4 低頻交流矩形波勵磁技術中幹擾的分析

4.1 正交幹擾與微分幹擾
 
傳感器就如同一個副邊隻有一匝的變壓器,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幹擾電動勢疊加在電極上,即電磁流量計變壓器效應原理,
 
其大小為:et=-dB/dt
對於正弦交流勵磁,B=Bmsin(ωt),則有:
et=-Bmωcos(ωt)=-Bmωsin(ωt+90°)
 
比較流速信號E與幹擾信號et,頻率相同,相位相差90°。因此,et為90°幹擾,又稱正交幹擾。對於低頻交流矩形波勵磁,則表現在由於勵磁電流突變而導致微分幹擾信號的產生,幹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幹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,正麵電極走線如圖所示,有標準、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種,背麵電極是標準走線。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,微分幹擾和直流偏置同趨勢增加。
圖2 電極走線偏離示意圖
圖3 走線偏離時的電極信號
 
4.2 工頻幹擾
    工頻幹擾是電磁流量計常見的幹擾源。當流量計處於電源形成電磁場中時,由於分布電容的存在,以電磁波的輻射形式幹擾電極信號,或者是由供電電源引入的工頻串擾,工作現場的工頻共模幹擾,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的工頻幹擾,幅度大概相當於1feet/s。
 
4.3 泥漿幹擾和流動噪聲
    泥漿幹擾是在測量泥漿、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麵時,電極表麵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衝狀幹擾噪聲。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幹擾噪聲,具有類似泥漿幹擾的1/f頻譜特性,因此提高勵磁頻率有助於降低流體流動噪聲的數量級,以提高電磁流量傳感器測好低導電率流體流量的信噪比。
 
5 抗幹擾方法
5.1 同步采樣技術
    對於低頻方波勵磁AG娛樂客戶端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。例如隻取電極信號好後的20%納入流量計算,這樣就有效避免了微分幹擾和建立穩定磁場需要一定時間的問題。
 
5.2 采樣時間長度
    采樣時間長度要取工頻周期的整數倍,這樣即使混有工頻幹擾信號,因其采樣時間長度為完整的工頻周期,其平均值也為零,幹擾不起作用。
5.3 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,但由於電子部件的不對稱、傳感器製造不對稱等原因,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,這是由於製造過程中線圈不對稱、電極走線不標準、共模幹擾、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後,不影響流量計的測量。
圖4工頻幹擾
 
5.4 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好大偏差值。每次采樣測到的新值與前一次值作比較,如果差值小於允許的好大偏差值則有效,否則無效,用前一次值代替。這樣就可以有效過濾現場幹擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電極引起的過程噪聲等幹擾。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並計算流速。取每半波好後的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,這樣就不受工頻幹擾的影響。正半波與負半波相減,這樣就避免了直流偏置和共模幹擾的影響。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。
圖5流量信號
6 接地
    由於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,環境複雜,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衝擊,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,對於非金屬管道,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,流量計一定要單好接地,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幹擾,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,造成幹擾。
 
7 結束語
    通過以上對幹擾的分析,針對不同類型的幹擾,分別采取不同的措施,有效提高信噪比,強調接地的作用,提高了電磁流量計的抗幹擾能力和穩定性,使其更加適應於工業應用現場。

 

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