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電磁流量計干擾噪聲產生的物理和特性分析
 
電磁流量計的發展和應用與其抗干擾技術的發展進步密切相關,特別是近幾十年來采用三直低頻矩形波動勵磁技術和雙頻矩形波勵磁技術,以及微處理器硬件和軟件技術明顯地提高了電磁流量計抗干擾能力和測量精度,擴大了電磁流量計的應用領域,改變了人們長期認為電磁流量計測量精度低,抗干擾能力差的概念。
電磁流量計是基于導電性流體在磁場中運動所產生的感應電勢來推算流體流量的測量儀表,其基本工作原理是電磁感應定律。因此電磁耦合靜電感應是電磁流量計干擾噪聲的首要來源;被測流體介質特性產生的電化學干擾噪聲是電磁流量計干擾燥聲的第二來源;電磁流量計供電電源的電壓和頻率波動等電源干擾噪聲是電磁流量計干擾噪聲的第三來源。以上三類干擾噪聲的來源、機理、特性不同。對電磁流量計的影響方式不同,相應采用的抗干擾措施也不同。作者結合雙頻矩形波勵磁智能電磁流量計的研究工作,著重就智能電磁流量計抗干擾技術加以探討,提出一些抗干擾的對策,以供智能儀器研究設計參考。
二 電磁流量計抗干擾技術的發展歷史
電磁流量計的發展歷史就是其抗干擾技術的發展歷史。早在1832年,英國物理學家法拉第構想地球磁場來測量泰晤土河水的流速,并進行了現場實驗,但未能獲得成功。主要原因是在直流勵磁磁場下存在流體介質的極化效應和熱電效應而產生干擾噪聲淹沒了流量信號電勢。河床短路了流速信號電勢,加之當時的流量技術遠遠沒有達到解決各種干擾噪聲的抑制和高阻抗信號測量的水平,因此導致首次電磁流量計實驗研究的失敗。誠然,從電磁流量計研究伊始就面臨如何克服各種干擾噪聲的棘手難題,正因如此,在以后的電磁流量計研究過程中,人們都將其抗干擾技術列為首要的技術問題。
電磁流量計勵磁技術的發展極大地推動其抗干擾技術的進步。50年代末電磁流量計首次工業應用開始,電磁流量計抗干擾技術的發展經歷了幾個階段,每一次進步都是為了解決其抗干擾能力的問題,促使電磁流量計抗干擾技術出現一次飛躍,電磁流量計的性能指標提高。50年代末六十年代初,為了減弱直流勵磁磁場下電極表面的嚴重極化電勢的影響,采用了工頻正弦波勵磁技術,但導致了電磁感應、靜電耦合等工頻干擾,致使采用復雜的正交干擾抑制電路等多種抗干擾措施,難以完全消除工頻干擾噪聲的影響,導致電磁流量計零點難以穩定、測量精度低、可靠性差。70年代中期,隨著電子技術的發展和同步采樣技術的問世,采用低頻矩形波勵磁技術,改變工頻干擾的形態特征,利用工頻同步采樣技術,獲得電磁流量計較好的抗工頻干擾的能力,測量精度提高、零點穩定、可靠性增強。80年代初采用三值低頻矩形波勵磁技術和動態校零技術、同步勵磁、同步采樣技術以獲得電磁流量計最佳的零點穩定性,進一步提高抗工頻干擾和極化電勢干擾的能力。80年代末采用雙頻矩形波勵磁技術,既能克服流體介質產生的泥漿干擾和流體流動噪聲,又能具有低頻矩形波勵磁電磁流量計的零點穩壓性,實現電磁流量計零點穩定性、抗干擾能力和響應速度的最佳統一。因此電磁流量計勵磁技術的進步,一方面改變正交干擾電勢的形態和特征,另一方面降低泥漿干擾和流動噪聲的數量級,從而提高電磁流量計抗干擾能力,所以電磁流量計勵磁技術的改進是最有效的抗干擾措施。
三 電磁流量計干擾噪聲的物理機理、特性及其對策
為了對電磁流量計抗干擾技術加以探討,首先必須對電磁流量計干擾噪聲產生的物理機理和特性加以分析研究,從而根據各種干擾噪聲的特性采用相應的抗干擾對策,以提高電磁流量計抗干擾的能力。
1 工頻干擾噪聲
工頻干擾噪聲是由電磁流量傳感器勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合,另外電磁流量計工作現場的工頻共模干擾,其三供電電源引入的工頻串模干擾等,其產生的物理機理均是電磁感應原理。首先就電磁流量傳感器勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產生的工頻干擾對電磁流量計工作影響最大,而且在不同的勵磁技術下其表現的形態、特性不同,因而采取抗干擾措施也不同,如圖1所示在各種勵磁技術
下此工頻干擾噪聲的特性。在工頻正弦波勵磁磁場下,此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現形式為正交干擾(見圖1 b),又稱為變壓器電勢,其特點是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵磁頻率成正比 ,相位滯后流量信號電勢900,且幅值較流量信號電勢大幾個數量級。在低頻矩形波勵磁,三值低頻矩形波勵磁和雙頻矩形波勵磁條件,此種電磁偶合工頻干擾噪聲表現形式為微分干擾(見圖1c),其波形為脈沖波形,其中幅值和磁通變化率成正比,且按指數規律衰減,一般而言其幅值比正弦波勵磁條件下的正交干擾大得多,另外此微分干擾僅在勵磁磁通變化時產生,而在磁通恒定時,下一個磁通發生變化之前不會產生微分干擾,具有時段性。
針對工頻正弦波勵磁下的正交干擾噪聲,采用復雜的自動正交抑制系統減小正交干擾噪聲的影響,但由于正交干擾噪聲比流量信號電勢大幾個數量級正交抑制電子電路的任何不完善都將導致一部分正交干擾轉換成同相干擾,使工頻正弦波勵磁電磁流量計零點漂移,流量測量精度難以提高。
采用低頻矩形波勵磁、三值低頻矩形波勵磁、雙頻矩形波勵磁,正交干擾噪聲演變成為微分干擾。由于微分干擾具有時段時,利用同步采樣技術在磁場恒定期,即微分干擾衰減為零之后,采用寬脈沖同步采樣( 工頻周期的偶數倍),以避免串入流量信號電勢中的工頻干擾的影響。其次采用控制勵磁電流(勵磁磁通)變化率的方法減小微分干擾的幅值,但減小流量信號采樣的時間間隔;也可以采用程控增益技術使微分干擾時段增益為Odb,而恒磁通時段增益為100db,以減小微分干擾的幅值的影響。
 
對于工頻共模干擾和工頻串模干擾是常見的干擾,主要是由于電磁屏蔽缺陷、分布電容耦合、電磁流量計接地不良等原因產生,采用輸入保護技術、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術以及重復接地技術,工頻寬脈沖同步采樣技術等提高抗工頻干擾的能力。
2 流體介質特性產生的電化學干擾噪聲
 
電化學極化電勢干擾是由于電極感生電動勢在兩極極性不同而導致電解質在電極表面極化產生。雖然采用正負交變勵磁磁場能顯著減弱極化電勢的數量級,但不能根本上完全消除極化電勢干擾。其特性于流體介質的性質、電極材料性質、電極的外形尺寸形狀有關,具有變化緩慢,數量級不大等特點,如圖2所示流體電化學電勢干擾及其解決方法。因此選擇合適的電極材料(如碳化鎢),設計最佳的電極形狀的尺寸是減小極化電勢的有效方法之一;另外采用正負兩極性交變的矩形波勵磁技術配合微處理器同步寬脈沖采樣技術,到用微處理器運算功能前后兩次采樣值相減消除流量信號電勢中的極化電勢干擾。
 
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等液固兩相導電性流體流量時,固體顆?;蛘邭馀莶吝^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如圖3所示。在勵磁頻率較低時,泥漿干擾的數量級較大,高頻時干擾數量級較小,具有1/f的頻譜特性。提高抗泥漿干擾的能力必須采用較高頻率的矩形波勵磁,以提高電磁流量傳感器輸出的信噪比,但會犧牲電磁流量計的零點穩定性。另外也可采用流量信號變化率限制方法以剔除脈沖干擾對電磁流量計的影響,但會犧牲儀表的響應速度。
流體流動噪聲是在測量低導率液體(100vs/cm以下)流體流量時,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量低導電率流體流量的信噪比。
 
3 供電電源性干擾
 
電磁流量計一般都采用工頻交流電源供電,其電源電壓的幅值和頻率的變化都會給電磁流量計帶來電源性干擾噪聲。對電源電壓的幅值變化,因采用多級集成穩壓,一般而言電源電壓的幅值變化對電磁流量的測量精度影響不大。當電源電壓的頻率波動時,雖然其波動范圍有限,但對電磁流量計測量精度影響較大。在智能矩形波勵磁電磁流量計中采用寬脈沖采樣技術,其脈沖寬度為工頻周期的整數倍,具同步于工頻周期,以完全消除工頻干擾,但前提條件是工頻噪聲干擾基本不變。當供電電源頻率波動時,流量信號采樣時使前后的工頻噪聲不能完全相同,雖然采用同步勵磁技術、同步采樣技術仍然不能完全消除工頻干擾噪聲,必須采用相應的頻率補償技術,使勵磁電流、采樣脈沖,A/D 轉換同步于頻率的變化。
四 智能電磁流量計硬件抗干擾技術
綜合上述電磁流量計干擾噪聲產生的物理和特性分析,智能電磁流量計分別采用硬件和軟件干擾技術,以提高電磁流量計抗干擾能力。
1 新型勵磁技術是提高電磁流量計抗干擾能力的重要手段
電磁流量計勵磁技術的發展,不僅減弱電極極化電勢、泥漿干擾、流動噪聲的影響,又能改變工頻干擾的形態,便于同步采樣技術處理工頻干擾噪聲,以避免工頻干擾的影響。目前電磁流量傳感器采用工頻頻率同步三值低頻矩形勵磁和雙頻矩形波勵磁,從而提高電磁流量計整個抗干擾能力,提高電磁流量計的測量精度和可靠性。
2 前置放大器的設計是提高抗干擾能力的首要環節
電磁流量傳感器輸出流信號十分微弱,內阻抗較高,因此高輸出入阻抗、低漂移、低噪聲、高CRMM前置放大器才能滿足抗同相共模干擾的要求。前置放大器采用JFET高輸入阻抗電壓緩沖器,低漂移低噪聲減法器,精密電阻精心匹配組成儀用放大器,并采用輸入保護技術,共模電壓自舉技術和接地技術大大提高抗共模干擾的能力,抑制零點漂移的影響。
3 同步采樣的頻度補償技術
同步采樣和工頻電源頻率監視補償技術,是提高抗流量信號電勢中混入工頻干擾和工頻電源頻率波動產生工頻干擾能力的有效方法。同步采樣技術,其采樣脈寬為工頻周期的整數倍,使流量信號電勢中工頻干擾平均值等于零,以消除工頻干擾的影響;工頻電源的頻率波動補償是保證頻率的動態波動中,勵磁電源和采樣脈沖得以同步調整,真正實現同步采樣技術和同步勵磁技術,同步A/D轉換,以降低工頻干擾的影響。
4 采用新型HCMOS系列芯片技術
采用74HC系列芯片技術較采用74LS系列芯片其低噪聲容限提高2.4倍,高燥聲容限提高2.1倍,智能電磁流量計整個硬件采用74HC系列芯片,不僅降低整個功耗,而且提高元器件本身抗干擾能力,為電源流量計小型輕量一體化奠定了基礎。
5 微處理器系統電源電壓監視技術
智能電磁流量計中微處理器系統當電源瞬態欠壓,勵磁開關脈沖動作都會造成微處理器誤動作,數據丟失等現象,因此必須采用可靠的復位電路和電源電壓監視技術。最簡單實用的方法是采用低成本電源配合高靈敏度的電源電壓監視器,提高微處理器系統和抗干擾能力。如圖4所示微處理器電壓監視器,其采用TL7705CP電源電壓監視器芯片,具有電源加電、電源瞬時欠壓均能產生可靠的復位信號。
五 智能電磁流量計軟件抗干擾技術
智能電磁流量計固化在EPROM中的軟件配合硬件除完成智能電磁流量計的正常功能外,必須具備較強的抗干擾能力和容錯能力,組成完善的應用程序。
a. 數字濾波技術
數字濾波技術是智能儀器中最常采用的技術,能夠完成模擬濾波器不能完成的功能,很容易解決脈沖干擾剔除、數字電路毛刺干擾消除、A/D轉換器的抗工頻能力以及輸入微處理器數字的可靠性問題。
b.程控放大器技術
程控放大器技術即解決電磁流量計量程自動轉換問題,同時利用增益控制方法有效削弱微分干擾峰值使放大器過載的問題,便于流量信號電勢處理,提高抗微分干擾的能力。
c. 微處理器硬件故障自診斷技術
微處理器硬件故障自診斷技術是采用軟件容錯設計,極大地提高硬件系統的可靠性,從而提高整個智能電磁流量計的抗干擾能力。具體包括CPU自診斷,定時器診斷,中斷功能診斷,RAM診斷,A/D通道診斷和校正,D/A通道診斷,數字I/O口通道的診斷等部分,涉及到智能電磁流量計的關鍵部件。
e.微處理器抗干擾技術
上述各種抗干擾措施是解決輸入、輸出通道中的各種干擾問題,當干擾噪聲沒有作用到微處理器本身時,微處理器仍然正確無誤地執行各種抗干擾軟件,消除或者削弱干擾噪聲對電磁流量計輸入輸出通路的影響,當干擾噪聲通過三總線等作用到微處理器本身,CPU將不能按正常狀態執行程序,導致智能電磁流量計整個工作混亂,為了提高微處理器自身的抗干擾能力采用硬件和軟件相配合的多種抗干擾措施。多種復位方式解決失控的CPU最簡單的方法,掉電保護技術,軟件指令冗余措施,軟件陷阱抗干擾方法也是排除智能電磁流量計微處理器失控的有效方法。
f. 程序運行監視系統(WATCHDOG)
智能電磁流量計采用程序運行監視系統以監視微處理器執行應用程序的狀況,當程序正彈到一個臨時構成的死循環中時看門狗能及時發并強迫系統復位,擺脫死循環狀態,圖5所示是由硬件和軟件配合構成的程序運行監視器。
六 結 束 語
智能電磁流量計多種抗干擾技術的采用,使電磁流量計抗干擾能力增強,精度和可靠性提高,不僅實現了電磁流量計小型輕量一體化智能化,而且推動了電磁流量計的廣泛應用,開拓了電磁流量計的潛在市場。
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