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高溫電磁流量計的勵磁干擾分析與抗干擾方法
點擊次數：2841 發布時間：2021-01-01 12:20:52
摘要：根據高溫電磁流量計的測量原理，結合高溫電磁流量計實際應用中遇到的正交干擾、微分干擾、工頻干擾等問題，分析干擾產生的原因，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，從根本上對這些干擾信號進行抑制和消除，使高溫電磁流量計更適應于現場應用。
1 低頻交流矩形波勵磁技術中干擾的分析
1.1 正交干擾與微分干擾
傳感器就如同一個副邊只有一匝的變壓器，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干擾電動勢疊加在電極上，即高溫電磁流量計變壓器效應原理，其大小為：et=-dB/dt，對于正弦交流勵磁，B=Bmsin（ωt），則有：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比較流速信號E與干擾信號et，頻率相同，相位相差90°。因此，et為90°干擾，又稱正交干擾。對于低頻交流矩形波勵磁，則表現在由于勵磁電流突變而導致微分干擾信號的產生，干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干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，正面電極走線如圖所示，有標準、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背面電極是標準走線。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，微分干擾和直流偏置同趨勢增加。
1.2 工頻干擾
工頻干擾是高溫電磁流量計常見的干擾源。當流量計處于電源形成電磁場中時，由于分布電容的存在，以電磁波的輻射形式干擾電極信號，或者是由供電電源引入的工頻串擾，工作現場的工頻共模干擾，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的工頻干擾，幅度大概相當于1feet/s。
1.3 泥漿干擾和流動噪聲
泥漿干擾是在測量泥漿、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面時，電極表面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沖狀干擾噪聲。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干擾噪聲，具有類似泥漿干擾的1/f頻譜特性，因此提高勵磁頻率有助于降低流體流動噪聲的數量級，以提高電磁流量傳感器測*低導電率流體流量的信噪比。
2 抗干擾方法
2.1 同步采樣技術
對于低頻方波勵磁我們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。例如只取電極信號*后的20％納入流量計算，這樣就有效避免了微分干擾和建立穩定磁場需要一定時間的問題。
2.2 采樣時間長度
采樣時間長度要取工頻周期的整數倍，這樣即使混有工頻干擾信號，因其采樣時間長度為完整的工頻周期，其平均值也為零，干擾不起作用。
2.3 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，但由于電子部件的不對稱、傳感器制造不對稱等原因，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，這是由于制造過程中線圈不對稱、電極走線不標準、共模干擾、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后，不影響流量計的測量。
2.4 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*大偏差值。每次采樣測到的新值與前一次值作比較，如果差值小于允許的*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干擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電極引起的過程噪聲等干擾。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并計算流速。取每半波*后的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，這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負半波相減，這樣就避免了直流偏置和共模干擾的影響。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。
4 接地
由于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，環境復雜，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沖擊，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，對于非金屬管道，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，流量計一定要單獨接地，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干擾，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，造成干擾。
5 結束語
通過以上對干擾的分析，針對不同類型的干擾，分別采取不同的措施，有效提高信噪比，強調接地的作用，提高了高溫電磁流量計的抗干擾能力和穩定性，使其更加適應于工業應用現場。
1 低頻交流矩形波勵磁技術中干擾的分析
1.1 正交干擾與微分干擾
傳感器就如同一個副邊只有一匝的變壓器，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干擾電動勢疊加在電極上，即高溫電磁流量計變壓器效應原理，其大小為：et=-dB/dt，對于正弦交流勵磁，B=Bmsin（ωt），則有：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比較流速信號E與干擾信號et，頻率相同，相位相差90°。因此，et為90°干擾，又稱正交干擾。對于低頻交流矩形波勵磁，則表現在由于勵磁電流突變而導致微分干擾信號的產生，干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干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，正面電極走線如圖所示，有標準、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背面電極是標準走線。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，微分干擾和直流偏置同趨勢增加。
1.2 工頻干擾
工頻干擾是高溫電磁流量計常見的干擾源。當流量計處于電源形成電磁場中時，由于分布電容的存在，以電磁波的輻射形式干擾電極信號，或者是由供電電源引入的工頻串擾，工作現場的工頻共模干擾，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的工頻干擾，幅度大概相當于1feet/s。
1.3 泥漿干擾和流動噪聲
泥漿干擾是在測量泥漿、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面時，電極表面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沖狀干擾噪聲。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干擾噪聲，具有類似泥漿干擾的1/f頻譜特性，因此提高勵磁頻率有助于降低流體流動噪聲的數量級，以提高電磁流量傳感器測*低導電率流體流量的信噪比。
2 抗干擾方法
2.1 同步采樣技術
對于低頻方波勵磁我們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。例如只取電極信號*后的20％納入流量計算，這樣就有效避免了微分干擾和建立穩定磁場需要一定時間的問題。
2.2 采樣時間長度
采樣時間長度要取工頻周期的整數倍，這樣即使混有工頻干擾信號，因其采樣時間長度為完整的工頻周期，其平均值也為零，干擾不起作用。
2.3 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，但由于電子部件的不對稱、傳感器制造不對稱等原因，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，這是由于制造過程中線圈不對稱、電極走線不標準、共模干擾、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后，不影響流量計的測量。
2.4 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*大偏差值。每次采樣測到的新值與前一次值作比較，如果差值小于允許的*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干擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電極引起的過程噪聲等干擾。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并計算流速。取每半波*后的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，這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負半波相減，這樣就避免了直流偏置和共模干擾的影響。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。
4 接地
由于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，環境復雜，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沖擊，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，對于非金屬管道，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，流量計一定要單獨接地，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干擾，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，造成干擾。
5 結束語
通過以上對干擾的分析，針對不同類型的干擾，分別采取不同的措施，有效提高信噪比，強調接地的作用，提高了高溫電磁流量計的抗干擾能力和穩定性，使其更加適應于工業應用現場。