如何有效提高景觀給水流（liú）量計使用電磁（cí）兼容性的研究分析

景觀（guān）給（gěi）水流量計麵世至今，其技術已（yǐ）經成熟，在工業（yè）生產（chǎn）現場的許多地方都有著廣泛的應用，由於景觀給水流量計的測量過程不受被測介質溫度、黏度、密度等因素影響, 具有測（cè）量速度快、精度高、測量口徑寬、輸出線性度好, 與（yǔ）被測介質不接觸, 耐（nài）腐蝕、抗磨損, 流體壓力損失小等優點, 因而廣泛應用於造紙廠紙漿、助劑、水等流體的測量。不過, 景觀給（gěi）水流量計也有（yǒu）其不足, 傳感器的輸出感應電動勢很小, 容易（yì）受（shòu）到外界電磁幹（gàn）擾, 而現場情況又都是千差萬（wàn）別，無法做到每個測（cè）量環境都能夠達到標準要求（qiú），因此（cǐ）如何提高景觀給水流量計的（de）電磁兼容性, 使其能在惡劣的電磁環境正（zhèng）常使用是景觀給水流量計設（shè）計必須考慮的問題。文中（zhōng）以橫河公（gōng）司的ADMAGAE係列景觀（guān）給水流量計為例, 結合筆者（zhě）的工（gōng）程實踐, 介（jiè）紹有（yǒu）關景觀給水流量計的使用並分析其電磁兼容性(EMC)。介紹利用（yòng）麵板及智能終端（duān）進行景觀給水流量計參數設置和（hé）組態的方法, 以及提高景（jǐng）觀（guān）給水流量計的（de）電磁兼容性技術。景觀給水流量計的（de）幹擾源主要包括工頻電（diàn）磁幹擾、流體電化學幹擾噪（zào）聲和電源幹擾噪聲。目前景觀給水流量計主（zhǔ）要采用低頻或雙頻矩形波勵磁技術、同步采樣技術、輸入保護、接地技術等來降低幹擾。實際應用表明, 這些技術有較好的抗（kàng）幹擾效果。
1、景觀給水流量計的工作原理
景觀給水流量計的工作以電磁（cí）感應定律為基礎, 即當（dāng）一個導體（tǐ）在電磁場中運動, 並且運動方向垂直於電磁場時就會產生感應電動勢（shì）, 所產（chǎn）生的感應電動勢的方向垂直於（yú）導體（tǐ）運動和電磁場運動的方（fāng）向, 感應電動（dòng）勢的大小與導體的運動（dòng）速度和磁場的磁感應強度成正比。當導電流體以平均流（liú）速V(m/s)通過一根內徑為D(m)的管子時, 若管子內存在一個磁感應強度為B(T)的（de）磁場, 那麽就可產生一個垂直於磁場（chǎng）方向和流體流動方向的電動勢E:
E = DVB　(V) (1)
容積（jī）流量Q為:
Q =πD2 V/4　(m3 / s) (2)
將式(2)代入式(1)並處理得:
E=(4B/πD)×Q　(V) (3)
如果B和D是常數, 那麽從式(3)可看出, E與
Q成正比。電磁流量轉換器把電動勢E放大（dà）並轉換成標準的（de）4 ～ 20 mA的信號或脈衝信號, 作為對應的流量（liàng）信號輸出。
2、景觀給水流量計的參（cān）數設置方法（fǎ）及組態
流量計的參數設置（zhì）(組態)有兩種方法, 一是利用顯（xiǎn）示麵板上的按鍵, 二是利用手持智能（néng）終端。
2.1　使用麵板進行參數設定ADMAGAE係列景（jǐng）觀給水（shuǐ）流量計麵板上常用的符（fú）號有:
(1)RED(紅)　正常工作時不（bú）亮, 有報警時閃爍;
(2)定義符　定義符用冒號“:” , 表示所顯示的數據正處於待設定狀態;
(3)單位顯示　顯示流（liú）量單（dān）位;
(4)顯示數（shù）據（jù）　顯示流量數據、設定數據和報警的（de）種類（lèi）;
(5)小數點　表示數據中的小數點（diǎn）;
(6)設定鍵　這些鍵用來改變數據顯示（shì）和設定數據的類型。數據顯示類型共有3 種:流量數據顯示模式、設定模式、報警顯示模式。
2.1.1　流量數據顯示模式
流量數據（jù）顯示模式表示的（de）是瞬時流量值和累積流量（liàng）值, ADMAGAE可顯示12種類型的流量數據。進入流量顯示模式用“d1”參數來改變顯示項, 詳（xiáng）細設定可參考流（liú）量計用（yòng）戶手冊。
2.1.2　設定模式
設定（dìng）模式用來檢查參數內（nèi）容和重寫數據。隻要按下“SET”鍵, 可（kě）將該（gāi）模式從正常的操作模式中調（diào）出。
2.1.3　報警顯示模式（shì）
當報警發生時, 報警模式就會取代當前模式來顯示發生報警（jǐng）的類型, 但是這種情（qíng）況隻是發生在當前流（liú）量顯示模式或設定模式中參數號被改變時(當正在該部數據（jù）項時, 不顯示報警)。
2.2　BT智能終端設定
具有智能通信功能的儀表可與智能終端（duān）通信。橫河的智能終端有BT100、BT200 等型號, 簡稱BT智能終端, 它們采用BRAIN協議, 將1個±2 mA、2.4 kHz的調（diào）製信號迭加到4 ～ 20 mA的（de）模（mó）擬信號上（shàng）用作信號傳輸（shū）。由於調製信號（hào）是交流信號, 所以（yǐ）迭加不會影響模擬信號的數值。
BT智能終端（duān）與（yǔ）流量計的連接有兩種方式:一（yī）是直接與流量計端蓋下麵的BT端（duān）子相連, 這種方式適用於現場調試或流量計不具備智能通信功能的情況（kuàng）;二是與4 ～ 20 mA直流（liú）信號線連接, BT智能終端可以連接在從控製櫃到流（liú）量計信號線的任何位（wèi）置,*大距離可（kě）達2 km, 隻要保證整個回路的負載電阻在250 ～ 750 Ψ之（zhī）間, 就（jiù）可以可（kě）靠地通信。這種方式操作者不必去現場（chǎng）, 在控製室就（jiù）可對流量計進行設置和在線監測, 是使用*多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作, 可以**顯示和修改景觀給水流量（liàng）計的各種參數, 其基本的操作有流量（liàng）計（jì）自檢、量程調整（zhěng）、顯示方式設置、報警設置等。
2.3　景觀給水（shuǐ）流量計數據設定與組態
景觀給（gěi）水流量計是根據與流體（tǐ）流速（sù）相對應的微小電動（dòng）勢計算（suàn）出（chū）體積流量並輸出4 ～ 20 mA的信號。為保證獲得正確的信號, 必須設定（dìng）通徑、流量量程（chéng）和儀表係數3個參數, 這3個（gè）參數中, 通徑（jìng）和儀表係數早在儀表（biǎo）出廠（chǎng）前就設定好的, 因此用（yòng）戶不能設定這兩（liǎng）個（gè）參數。用戶也可（kě）以在儀表出廠前將流（liú）量（liàng）量程設定好, 這種（zhǒng）設（shè）定隻（zhī）有在用戶要求改變量程時才可進行重新設定。
3、電磁兼容性分析
景觀給水流（liú）量計的工作以（yǐ）電磁感應定律為基礎, 產生的正（zhèng）比於被測流量（liàng）的感應電動勢通常很（hěn）小, *易受到外界電（diàn）磁幹擾, 而它本身（shēn）產生的（de）電磁幹擾很（hěn）小,因此景觀給水流量計的電磁兼容性主要（yào）體現在它如何在（zài）惡（è）劣的電磁（cí）環境下正常工作。在惡劣的電（diàn）磁環境下, 電磁耦合靜電感應是景觀給（gěi）水流量計幹擾（rǎo）噪聲的主要來源;被測流體介質（zhì）特性產生的電化學幹擾噪聲是（shì）景觀給水（shuǐ）流量計（jì）幹擾噪聲的*二來源;景觀（guān）給（gěi）水流量計供電電源的電壓和頻率波動等電（diàn）源幹擾噪聲是景觀給水流量計（jì）幹擾噪聲的（de）*三來源。為滿足儀表的EMC要求（qiú）, 智能（néng）景觀給水流量計（jì）分別采用硬件和軟件抗幹擾技（jì）術 , 以（yǐ）提高景（jǐng）觀給水流量計抗幹擾（rǎo）能力。
3.1　工頻幹擾噪聲的特點及景觀給水流（liú）量計抗幹擾技術
工頻幹擾噪聲*先（xiān）是由景觀給水流量計勵磁繞組和流體、電*、放大（dà）器輸入回路的電（diàn）磁耦合形成, 其二是景觀給水流量計工作現場的工頻共模幹擾, 其三是供（gòng）電電（diàn）源引入的工頻串模幹擾等, 其產生的物理機理均是（shì）電磁感（gǎn）應原理。
景觀給水流量計勵磁繞組和流體、電*、放大器輸入回（huí）路的電磁耦合產（chǎn）生的工頻幹擾對景觀給水流（liú）量計工作影（yǐng）響*大, 而且在不同的勵磁技術下其表現的形態、特性（xìng）不同（tóng）, 因而采取抗幹擾措施也不同。在（zài）工頻正弦波（bō）勵磁磁場下, 此種電磁耦合工頻幹擾噪聲表（biǎo）現（xiàn）形式為正交幹擾, 又（yòu）稱為變壓器電勢, 特點是幹（gàn）擾噪聲幅值和工頻正弦（xián）波勵磁頻率成正比, 相位滯後流量信號（hào）電勢90°, 且（qiě）幅（fú）值較流量信號電（diàn）勢大幾個數量級。直流勵磁、低頻矩形波（bō）勵磁及雙頻（pín）矩形波勵磁技術, 可以基本消（xiāo）除正交幹擾的影響。工頻共模幹擾和工頻（pín）串模幹擾這兩（liǎng）種（zhǒng）常見的（de）幹擾, 主要是由於電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合, 景觀給水流量計（jì）接地不良等原因（yīn）而產生, 景觀給（gěi）水（shuǐ）流量計采用輸入保護技術、高輸入阻抗、高共模抑製比自舉前置放大器技術以（yǐ）及（jí）重複（fù）接地（dì）技術等提（tí）高抗工頻幹擾的（de）能力。ADMAGAE係列景觀（guān）給水流量計配有接地環, 其作用是通（tōng）過與液體接（jiē）觸, 建立液體接地, 確保基準電位（wèi）與被測液體相同, 並且保護流量計內襯。
3.2　電（diàn）化（huà）學幹擾（rǎo）噪聲的特點及景觀給水流量計抗幹擾技術（shù）
3.2.1　電化學幹擾噪聲的特點（diǎn）
(1)電化學*化電（diàn）勢幹擾是由於電*感生電動勢在（zài）兩**性不同而導致電解質（zhì）在電*表麵*化產生（shēng）。雖然（rán）采用正負交變勵磁磁場能顯（xiǎn）著減弱*化電勢的（de）數量級, 但不能從根本上完（wán）全消除*化（huà）電勢幹擾。
(2)泥漿幹擾是在測量（liàng）液固兩相導電性流體流（liú）量時, 固體顆（kē）粒或者（zhě）氣泡擦過電*表麵時, 電*表（biǎo）麵的（de）接觸電化學電勢突然變化, 電磁流量（liàng）傳感器輸出信號出現尖峰脈衝狀幹擾（rǎo）噪聲。
(3)流體（tǐ）流動噪聲是在測量低導率液體(100μS/cm以下)流量（liàng）時, 電*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（zào）聲, 具有類似泥漿幹擾的1 /f頻譜特性。
3.2.2　景觀給水流量計抗電化學幹擾技術
景觀（guān）給水流量計在（zài）提高抗電化學幹擾能力方麵采取的措施主要是（shì）低頻矩形波勵磁和雙頻（pín）勵磁技術。低頻矩形波勵磁既（jì）具有直流勵磁技術不產生渦流效應、變壓器效應（yīng）(正交幹（gàn）擾)的特點, 又具有工頻正（zhèng）弦波勵磁基本不產生*化效應, 便於放大信號處理,而能避免直流放大器零點漂移（yí）、噪聲、穩定性等問（wèn）題的（de）產生, 有較好的抗幹（gàn）擾性能。
低頻矩形波（bō）勵磁雖然具有優良的零點穩定性,但在測量泥漿、紙漿（jiāng）等含纖維和固體顆粒的液固兩相導（dǎo）電性流體流量時無法克（kè）服泥漿幹（gàn）擾和流體噪聲幹擾。研究分析表明, 泥漿幹擾和流（liú）動噪聲具有1 /f的頻譜（pǔ）特征。低頻時幅值大, 高頻時（shí）幅值小, 如果采用較高（gāo）頻（pín）率的低頻矩形波勵磁則能大大降低泥漿幹擾的數（shù）量級。因此提高勵磁頻率有助於降低泥漿幹擾和流動（dòng）噪聲, 提高傳感器輸出信號（hào）的信噪比。
綜上所述, 要保證（zhèng）景觀給水流量計的零點穩定性, *好采用低頻矩形波勵磁;為了能較準確（què）地測量液固兩相導電性流體和低（dī）導電率流體的（de）流量, 又必須采用較高頻率的矩形波勵磁。采用圖1所示的雙頻矩形波勵（lì）磁的方（fāng）法是*佳方案。
3.2.3　雙頻矩形波勵（lì）磁工作及抗幹（gàn）擾原理
在景觀給水流量計測量管內形成含有兩個頻率分量的電磁場:高頻勵磁分量不受液體幹擾（rǎo）的影響, 而低頻勵磁分量（liàng）則有（yǒu）著*好的零（líng）點（diǎn）穩定性, 根據（jù）高、低頻定時檢測到的各分量信號（hào）經過計算（suàn）, 便可得到流量信號。
雙頻矩形波勵磁測量原理如圖1所示,
一個由高低頻分量迭加而成的電磁場通過勵磁線圈被施加到被測液（yè）體中, 勵磁波形是（shì）在一個低頻矩形波上迭加一個高於市電頻率的矩形波而得到的波形。在（zài）產生的電動勢中, 低（dī）頻分量通過一（yī）個（gè）大時間常數的積分電路獲（huò）得一個零點穩定性好的平穩流量信號。而由漿液或（huò）低電（diàn）導率流體產生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所（suǒ）抑製, 有著同樣時間常數的流（liú）量信號經過一個差分電路以確定流速信號的變化, 把這兩種（zhǒng）不同頻率采樣所得（dé）的信號結合起來可獲得一個穩定流速信號, 該信號不受噪聲幹擾, 且有較高的零點穩定性。

圖1雙頻矩（jǔ）形波勵磁測量原理圖（tú）
3.3　電源幹擾噪聲特點及景觀給水流量計（jì）抗幹擾技術

圖2基本信號關係
景觀給水流（liú）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景觀給水流量計帶來電源性幹擾噪聲。對電源電壓的幅（fú）值變化, 因采用（yòng）多級集成穩（wěn）壓, 一般而言電源電壓的幅（fú）值變化對電磁流量的測量精（jīng）度影響不大。當電源電壓的頻率（lǜ）波動時, 雖然其波動範圍有限, 但對景觀給水流量計測量精度影響較大。為了解決（jué）工頻幹擾問題（tí）, 實現對流體流速感應電勢eab信號的準確測量, 需（xū）利用以下基本關（guān）係:①勵磁周期為工頻周期的整數倍, 即勵磁頻率為50/nHz(n為偶數);②正負勵磁下的同（tóng）相位采樣。圖2是對應低頻（pín）矩形波勵磁形式下的典（diǎn）型（xíng）電勢信號形式, 按上述關係（xì）在一（yī）個勵磁周期下, 若假設t1 和t2 點為工頻（pín）幹（gàn）擾的等效幹擾點, 且采（cǎi）樣寬度T=T1 =T2 , 則eab的基（jī）本算式（shì）為:
μ0 (t2)=1
2T ∫t1
+T1 t1
e(t1 )dt-∫t2
+T2 t2
e(t2 )dt=eab (4)
式(4)從理論上說明景觀給水流量計的工頻幹擾有可克服（fú）的途徑, 即同步采樣（yàng）技術, 其方法是以同相位(t1=t2 )、同寬度采樣(T1 =T2 =T)為前提的, 采（cǎi）樣頻率要選為工頻周期的整（zhěng）數倍（bèi）。這樣即使混有幹擾信號, 因其采樣（yàng）時間為完整的工頻周期, 其平均值也為零, 幹擾電壓不起作用。
4、景觀（guān）給水流量（liàng）計（jì）選型
4.1　景觀給水流量計選（xuǎn）型的一般原則
(1)被測介（jiè）質是否為導電（diàn）液（yè）體或漿液, 由此決定是否（fǒu）選（xuǎn）用景觀給水流量計（jì）;
(2)被測介質的電導率決定景觀給水流量計的（de）類型———是高（gāo）電導（dǎo）率還是低電導率;
(3)工藝要求的*大、*小和常用流量工藝管道的公稱通徑, 決定介質的流速是否處在較經濟的流速點上, 管道是否需（xū）要變徑, *後確定流量計的口（kǒu）徑（jìng）;
(4)以工藝（yì）管道的布置（zhì）情況, 來確定采（cǎi）用一（yī）體型還是（shì）分體型流量計, 以及流（liú）量計的防（fáng）護等級等;
(5)根據被測介質是否易結晶、結疤來（lái）選擇（zé）電*型式（shì）;
(6)根據被測介質的腐蝕性來（lái）選（xuǎn）擇電*材（cái）料;
(7)被測介質的腐（fǔ）蝕性、磨損性及溫度來決定采（cǎi）用（yòng）何種襯裏材（cái）料;
(8)被測介質的*高工作壓力決定流量計的公稱（chēng）壓力;
(9)工藝管道的絕緣性決定接地環的型式（shì）。
4.2　根據景觀（guān）給水流量計勵磁（cí）方式的的（de）特點選型
(1)直流勵磁型
這種（zhǒng）景觀給水流量（liàng）計數量很少, 隻用於測量（liàng）液態金屬流量, 如常溫下（xià）的汞和高溫下的液態鈉、鉀等。
(2)交流工頻（pín）勵磁型
較早期的景觀給水流量計用50 Hz工頻市電勵磁,由於易受電磁（cí）幹擾和零點漂移等（děng）原因, 現已逐漸被低頻矩形勵磁所代替。但在測量泥漿、礦漿等液（yè）固兩相流時, 低頻矩形波勵磁方式不能克服固體擦過電*表麵產生的尖峰噪聲, 而工頻交流勵磁的儀表則不存在（zài）這一（yī）缺點, 所以國內外尚有一些景觀給水（shuǐ）流量計仍采用交流工頻勵磁（cí）方式。
(3)低頻矩（jǔ）形波勵磁型
由於低頻矩（jǔ）形波勵磁方式功耗小, 零點穩（wěn）定性好, 所（suǒ）以它是目前景觀給水流（liú）量計的主要勵磁（cí）方式。其波形（xíng）有“正-負（fù）”二值和“正-零-負-零”三值兩種。有的景（jǐng）觀給水流量（liàng）計勵磁頻率可以（yǐ）由用戶設定（dìng）, 一般小口徑儀表用較高頻率, 大口徑儀表用較低頻率。
(4)雙頻勵磁型勵（lì）磁電流的波形是在低頻矩形波上疊加高（gāo）頻矩形波, 主要為克服二值矩形波勵磁存在的漿液噪聲和流動噪聲, 提高儀（yí）表（biǎo）的穩定性和（hé）響應特性, 因此廣泛用於製漿造紙及（jí）汙水處（chù）理等行業。
5、結束（shù）語
通（tōng）過上麵分析可知（zhī）, 景（jǐng）觀給水流量計具有測量精度高、速度快、使用方便, 測量範圍廣（guǎng）、口徑寬等（děng）諸多優點, 但同（tóng）時也存在著測量輸出信號易受（shòu）工頻電磁（cí）幹擾, 流體電化學噪（zào）聲及電源頻率變化影響的缺點（diǎn）。不同勵（lì）磁方式的景觀給水流量計具有不同的抗幹擾技術和應用範圍。正（zhèng）確了解各種勵磁技術的特點和不同景觀給水流量計的技（jì）術原理是正確使（shǐ）用景觀（guān）給水流（liú）量計的前提。

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