如何有效（xiào）提高（gāo）汙水管道流量計使用（yòng）電磁兼（jiān）容性的研究分析

汙水（shuǐ）管道流量計麵世至今（jīn），其技（jì）術已經成熟，在工業生產現場的（de）許多地方都有著廣泛（fàn）的應用，由於汙水管道流量計的測量過程不受被（bèi）測介質溫度、黏度、密度等因素影響, 具有測量速度快、精度（dù）高、測量（liàng）口徑寬、輸出線性度好（hǎo）, 與被測介質不接觸, 耐腐蝕、抗磨損, 流體壓（yā）力損失小（xiǎo）等優點, 因而廣泛應用於（yú）造紙廠紙漿、助（zhù）劑、水等流體的測量。不過, 汙水管道流量計也有其不足, 傳感器的輸出感應（yīng）電動勢很小, 容易受到外界電磁幹擾, 而現場情況又都是千差萬別，無法做（zuò）到每個測量環境（jìng）都能夠（gòu）達到標準要求，因此如何提高汙水管道流量計的電磁兼容性, 使其能在惡劣的電磁（cí）環境正常使用是汙水管道流量計設計必須考慮的問（wèn）題。文中以橫河公司的（de）ADMAGAE係列汙水管道流量計為例, 結合筆（bǐ）者的工程實踐, 介紹（shào）有關汙水管道流量計的使用並分析（xī）其電磁兼容性(EMC)。介紹利（lì）用麵板（bǎn）及智能終端進（jìn）行汙水管道流量計參數設置和組態的方法, 以及提高汙水管道流量（liàng）計（jì）的電（diàn）磁（cí）兼容性（xìng）技術。汙水管道流量計的幹擾源主要包括工頻電磁幹擾、流體電化（huà）學幹擾噪聲和（hé）電源幹擾噪聲。目前汙水管道流（liú）量計主要采用低頻或雙頻矩形波勵磁技術、同步采樣技術、輸入（rù）保護、接地技術等來降低幹擾。實（shí）際應用表明, 這些技術有較（jiào）好的抗幹擾效（xiào）果（guǒ）。
1、汙水管道流量計的工作原理
汙水管道（dào）流量計的工作以電磁感應定律為基礎, 即當一個導體（tǐ）在（zài）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, 所產生的感應電動勢的方向垂直於導體運動和電磁場運（yùn）動的方向, 感應電動勢的大小與導體的運動（dòng）速度和磁場的磁感應（yīng）強度成正比。當導電流體（tǐ）以平均流速（sù）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（dù）為B(T)的磁場, 那（nà）麽就可產生一（yī）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（kàn）出, E與
Q成正（zhèng）比。電磁流量轉換器把電動勢E放大並轉換成標準的4 ～ 20 mA的信號或脈（mò）衝信號, 作為對應的流量信號輸（shū）出。
2、汙水管道流量計的參數設置方法（fǎ）及（jí）組態
流量計的（de）參數設置(組態（tài）)有兩種方法（fǎ）, 一是利用顯示麵板上的按鍵, 二是利用手持智能終端。
2.1　使用麵板進（jìn）行參數設定ADMAGAE係列汙水管道（dào）流量計麵板上常用的符（fú）號（hào）有:
(1)RED(紅)　正常工（gōng）作時（shí）不亮, 有報警時閃爍;
(2)定義符　定義符用冒號“:” , 表（biǎo）示（shì）所顯示的數據正處於待設定（dìng）狀態;
(3)單位顯示　顯示流量單位;
(4)顯示數據　顯示流量數據、設定數據（jù）和報警的種類（lèi）;
(5)小（xiǎo）數點（diǎn）　表示數據中的小數點;
(6)設定鍵　這些鍵用來改變數據顯示和設定數據的類型。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（liàng）數據顯示模式
流量數據顯示模式表示的是瞬時流量值和累積流（liú）量值, ADMAGAE可（kě）顯示12種（zhǒng）類型的流（liú）量數據（jù）。進入流量顯示模式用“d1”參（cān）數來改變顯示項, 詳細設定可參考流（liú）量計用戶手冊。
2.1.2　設定模式
設定模式用來檢查參數內容和重寫數據。隻要按下“SET”鍵, 可將該模式（shì）從正常（cháng）的操作模式中調出。
2.1.3　報警顯示模式
當（dāng）報警發生時（shí）, 報（bào）警模（mó）式就會（huì）取代當前模式來顯（xiǎn）示發生報警的類型, 但是這種情況隻是發生（shēng）在當前流量顯示模式或設（shè）定模式中參數號被改變時(當正在該部數（shù）據項時（shí）, 不顯示（shì）報警)。
2.2　BT智能終端設定
具有智（zhì）能通信功能的儀表可與智能終端通信。橫（héng）河的智能終端有BT100、BT200 等型號（hào）, 簡稱BT智能（néng）終端, 它們采用BRAIN協議, 將1個±2 mA、2.4 kHz的調製信號迭（dié）加（jiā）到4 ～ 20 mA的模擬信號上用作信號傳輸。由於調製信號是交流信號, 所以迭加不會（huì）影響模擬信號的數值。
BT智能終端（duān）與流量計的連接有兩種方式:一是直接與（yǔ）流量計端（duān）蓋下麵的BT端子相連, 這（zhè）種方式適用（yòng）於現場調試或流量計（jì）不具備智（zhì）能通信功能的情況;二是與4 ～ 20 mA直流信號線連接, BT智（zhì）能終端可以連接在從控製櫃到流量計（jì）信號線的任何位置,*大距離可達2 km, 隻要保證整個回路的負載電阻在250 ～ 750 Ψ之間, 就可（kě）以可靠地通信。這種方式操作者不必去現場, 在控製室（shì）就可對流量計進行設（shè）置和在線監測, 是使用*多的一種方式。BT智能終端采用（yòng）菜單式操作（zuò）, 可以**顯示和修改汙水管道（dào）流量計的各種參數, 其基本的操作有流量（liàng）計自檢、量程調整、顯示方式設置、報警設置等。
2.3　汙水管道流量計（jì）數據設定與組態
汙水管道流量計是根據與（yǔ）流體流速相對應的微小電（diàn）動勢計算出體積流量並輸出4 ～ 20 mA的信號。為保證（zhèng）獲得正（zhèng）確的信（xìn）號, 必須（xū）設（shè）定通徑、流（liú）量（liàng）量程和儀表係數3個（gè）參（cān）數, 這3個參數中, 通徑和儀表係數早在儀表出廠前（qián）就設定好的, 因此用戶不（bú）能（néng）設定這兩（liǎng）個參數。用戶也可以在（zài）儀表（biǎo）出廠前（qián）將流量量程設定好, 這種設定隻有在用戶要求改變量程時（shí）才可進行重新設定。
3、電磁兼容性分析
汙水管道流量計的工作以電磁感應定律為基礎, 產生（shēng）的正比於被測流量的感應電動勢通（tōng）常很（hěn）小, *易受到外界電磁幹擾, 而它本（běn）身產生（shēng）的（de）電磁幹擾很小,因此汙水管道流量計的電磁兼容性主要體現在它如何（hé）在惡劣的電磁環境下正常工作。在惡劣的（de）電（diàn）磁環境下, 電磁耦合靜電感（gǎn）應是汙（wū）水管道流量計（jì）幹擾噪聲（shēng）的主要來源;被測流體介質特性產生的電化學幹擾噪聲是（shì）汙水管道流量計幹（gàn）擾噪聲的*二（èr）來源;汙水（shuǐ）管道（dào）流量計供電電源的（de）電壓和頻率波動等電源幹擾噪聲是（shì）汙水管道流量計幹擾噪聲的*三來源。為滿足儀表的EMC要求, 智能汙水（shuǐ）管（guǎn）道流量計分別采用硬（yìng）件和軟件抗幹擾技術 , 以提高汙水（shuǐ）管道流量計抗幹擾能力。
3.1　工頻幹（gàn）擾噪聲的（de）特點及汙水管道流量（liàng）計抗幹（gàn）擾技術
工頻幹擾噪聲*先是由汙水管道流量計（jì）勵磁繞組和流體（tǐ）、電*、放（fàng）大器輸入回路的電（diàn）磁耦合形成, 其二是汙水管（guǎn）道流（liú）量計工作現場的工頻共模幹擾, 其三是供電電源引（yǐn）入的工頻串模幹擾等, 其產生的物理機理均是電磁（cí）感應原理。
汙水管道（dào）流（liú）量計勵磁（cí）繞（rào）組和流體、電*、放大器輸（shū）入回路的電（diàn）磁耦合產（chǎn）生的工頻幹擾對汙水管道流量計工作影響*大, 而且在不（bú）同的勵磁技術下其表現的形態（tài）、特性不同, 因（yīn）而采取抗幹擾措施也不同。在工頻正弦波勵磁磁場下, 此種（zhǒng）電磁耦合工頻幹擾噪聲表現（xiàn）形式為正交幹（gàn）擾, 又稱（chēng）為變壓器電勢, 特點（diǎn）是幹（gàn）擾噪（zào）聲幅值和工頻（pín）正弦波勵（lì）磁頻率成正比, 相位滯後流量（liàng）信號（hào）電勢90°, 且幅值較流量信號電勢大幾個數量級。直流勵磁、低頻矩形波勵磁及雙頻矩形波勵磁技（jì）術（shù）, 可以基（jī）本消除正交幹擾的影響。工頻共模（mó）幹擾和工頻串模幹擾這兩種常見的幹擾, 主要（yào）是由於電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合, 汙水管道流量計（jì）接地不良等原（yuán）因而產生, 汙水管道流量計（jì）采用輸入保護技術、高輸（shū）入阻抗、高（gāo）共模抑製比自舉前置放大器技（jì）術以（yǐ）及重複接地技術等提高抗工頻幹擾的能力。ADMAGAE係列汙水管道流量計（jì）配有（yǒu）接地環, 其作用是通過與液體接觸（chù）, 建立液體接地（dì）, 確保（bǎo）基（jī）準電位與被測液體相同, 並且保護流量計內襯。
3.2　電化學幹擾噪聲的特（tè）點及汙水管道流（liú）量計抗幹擾技術
3.2.1　電化學（xué）幹擾噪聲的特點
(1)電化學*化（huà）電（diàn）勢幹擾是由於電*感生電動勢（shì）在兩**性不同而（ér）導致電解質在電*表麵*化產生。雖然采用正負交（jiāo）變勵磁磁場能顯著減弱*化電（diàn）勢的數量級, 但不能從根（gēn）本上完全消（xiāo）除*化電勢幹擾。
(2)泥漿（jiāng）幹擾是在測量液固兩相導電性流體流量時, 固體顆粒（lì）或者氣泡擦過電*表麵時, 電*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（rǎo）噪聲。
(3)流體流（liú）動噪聲是在測量低導率（lǜ）液體(100μS/cm以（yǐ）下)流量時, 電（diàn）*的電化學電勢定期（qī）波動,產生隨流量增加而（ér）頻率增加的隨機幹擾（rǎo）噪聲, 具有類似泥漿幹擾的1 /f頻譜特性（xìng）。
3.2.2　汙水管道流量（liàng）計抗電化學幹（gàn）擾技術
汙水管道流量（liàng）計在提高抗電化學幹擾能（néng）力方麵采（cǎi）取的措施主要是低頻矩形波勵磁和雙頻勵磁技術。低頻矩形波勵磁既具有直流勵磁技術（shù）不產生渦流效應、變壓器效應(正交幹擾)的特點, 又具有工頻正弦（xián）波勵磁基本不產生*化效應, 便於放（fàng）大信號（hào）處理,而能避免直流放大器零（líng）點（diǎn）漂（piāo）移（yí）、噪聲、穩定性等問題的產生, 有較好（hǎo）的抗幹（gàn）擾性能。
低頻矩（jǔ）形波勵磁雖然具有優良的零點穩定性（xìng）,但在測量泥漿、紙漿等含（hán）纖維和固體顆粒（lì）的液（yè）固（gù）兩相（xiàng）導電性流體流量時無法（fǎ）克服泥漿（jiāng）幹擾和流體噪聲幹擾。研究分析表明, 泥漿（jiāng）幹擾和流動（dòng）噪聲具有（yǒu）1 /f的頻譜特征。低頻時幅值大, 高頻時幅值（zhí）小, 如果采（cǎi）用較高頻率的低頻矩形波勵磁則能大（dà）大降低泥漿幹擾的數量級。因此提高勵磁頻率有助於降低泥漿幹擾和流動噪聲, 提高傳感器輸出信（xìn）號的信噪比。
綜上所述, 要保證（zhèng）汙水管道流量計的零點穩（wěn）定性, *好采用低頻矩形波勵磁;為了能較準（zhǔn）確地測量液固兩相導電性流體和（hé）低導電率流體的（de）流量, 又必須采用較高頻率的矩形（xíng）波勵磁。采用圖1所示的雙（shuāng）頻矩形波勵磁的方法是*佳方案。
3.2.3　雙頻矩形波勵磁工作及抗幹擾原理
在汙水管道流量計測量管內形成含有兩個頻（pín）率分量的電磁場:高頻勵磁分量不（bú）受液體幹擾的影響, 而低頻勵磁（cí）分量則有著*好的零點穩定性, 根據高、低頻定（dìng）時檢測到的各分量信號（hào）經過計算, 便可得到流量信號。
雙（shuāng）頻矩形（xíng）波勵磁（cí）測量原理如圖1所示,
一個由高低頻（pín）分量迭加而成的電（diàn）磁（cí）場通過勵磁線圈被施加到被測液體中, 勵（lì）磁波形是在一個低頻矩形波上迭（dié）加一個高（gāo）於市電頻率的矩形波而得到的波形。在產生的電動勢中, 低頻分量通過（guò）一個（gè）大時間（jiān）常數的積分電路獲得一個零點穩（wěn）定性好的（de）平穩流量信號。而由（yóu）漿液或低電導（dǎo）率流（liú）體（tǐ）產生的低頻噪聲可被不受噪聲影響（xiǎng）的高頻采樣電路所抑製, 有（yǒu）著（zhe）同樣時間常數的流量信號經過一個（gè）差分電路以確定流速信號的變化, 把這兩種不同頻率采樣所（suǒ）得的信號結合起來可獲（huò）得一個穩定流速信號, 該（gāi）信號不受噪聲幹擾, 且有較高的（de）零點穩定性。

圖1雙頻矩形波勵磁測量原理圖
3.3　電（diàn）源幹擾噪聲特點及汙水管道流量計抗幹擾技術

圖2基（jī）本信號關係
汙水管道流量（liàng）計一（yī）般都（dōu）采用工頻交流電源供電, 其電源電壓的幅值和頻率（lǜ）的變化（huà）都會給汙水（shuǐ）管道流（liú）量計帶來電源性幹擾噪聲。對電（diàn）源電壓的（de）幅值變化, 因采用多級集成穩壓, 一般而言電源電（diàn）壓（yā）的幅值變化對電磁流量的測量（liàng）精度影（yǐng）響不大。當電源電壓的頻率波動時, 雖然其（qí）波動範圍有限, 但對汙水管（guǎn）道流量計測量精度影響較大。為（wéi）了（le）解決工頻幹（gàn）擾問題, 實現對（duì）流體流速感應電勢eab信號（hào）的準確測量, 需利用以下基本關係:①勵磁周期為工頻周期的（de）整數（shù）倍, 即勵磁頻率為50/nHz(n為（wéi）偶數);②正負勵磁下（xià）的同相（xiàng）位采樣。圖2是對（duì）應（yīng）低（dī）頻矩形波勵磁形式下的典型電勢信號形式, 按（àn）上述關係在一個勵磁周（zhōu）期（qī）下, 若假設t1 和t2 點為工頻幹擾的等效幹擾點, 且采樣寬度T=T1 =T2 , 則eab的基本算式為:
μ0 (t2)=1
2T ∫t1
+T1 t1
e(t1 )dt-∫t2
+T2 t2
e(t2 )dt=eab (4)
式(4)從理論上說明汙水管道流量計的工頻幹擾有可克服的途徑, 即同步采樣技（jì）術, 其方法是以同相位(t1=t2 )、同寬度采樣（yàng）(T1 =T2 =T)為前提的, 采樣頻率要選為工頻周期的整數（shù）倍。這樣即使混（hún）有幹擾信號, 因其采樣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、汙水管道流量計選型
4.1　汙水管道流量計選型的一般原則
(1)被測介質（zhì）是否為導電液體或漿液, 由此決定是否選（xuǎn）用汙水管道流量計;
(2)被測介質的電導率決定汙水管道流量計的類型———是高電導率還是低電（diàn）導率;
(3)工藝要（yào）求的（de）*大、*小和常（cháng）用流量工藝管道的公（gōng）稱通徑（jìng）, 決定（dìng）介質的流速是（shì）否處在較經濟的（de）流速點上, 管（guǎn）道是否需要變徑, *後確定流量計的口徑;
(4)以工藝管道的布置情況, 來確定采用一體型還是分（fèn）體型流量計, 以及流量計的防護等級等;
(5)根據被測（cè）介（jiè）質是否易結晶、結疤來選擇電*型（xíng）式;
(6)根據被測介質的腐蝕性來選擇電*材料;
(7)被測介質的腐蝕性、磨損性及溫度來決定采用何種襯裏材（cái）料;
(8)被測介質的*高（gāo）工作壓力決定流量計的公稱壓力;
(9)工藝管道（dào）的絕緣性決定接地環的型式。
4.2　根據汙（wū）水管道流（liú）量計勵磁方式的的特（tè）點選（xuǎn）型
(1)直流勵磁型（xíng）
這種汙水管（guǎn）道流量計數量很少, 隻用（yòng）於測量液態金屬流量, 如常溫下的汞和高溫下的液態鈉、鉀等。
(2)交流工頻勵磁型
較早期的汙水管道流量計（jì）用50 Hz工（gōng）頻（pín）市電勵磁,由於易（yì）受電磁幹擾和零點漂移（yí）等原因, 現已逐漸被低（dī）頻矩形勵磁所代替。但在（zài）測量泥漿、礦漿等液固兩相流時, 低頻矩形波勵磁（cí）方式不能克服固體擦過電*表麵產（chǎn）生的尖峰噪聲, 而工頻交流勵磁的儀表則不存在這一缺點, 所以國內外（wài）尚有一些汙水管道（dào）流量計仍采用交流（liú）工頻勵磁方式。
(3)低頻矩形波勵磁型
由（yóu）於（yú）低頻矩形波勵磁方式功耗（hào）小, 零點穩定性好, 所以它是目前汙（wū）水管道流量計的（de）主要勵磁方式。其波形有“正（zhèng）-負（fù）”二值和（hé）“正-零-負-零”三值兩種（zhǒng）。有的汙水管道流量計勵（lì）磁頻率可以由用（yòng）戶設定, 一般小口徑儀表用（yòng）較高頻率, 大口徑儀表用較低頻率。
(4)雙頻勵磁型勵磁電流的波（bō）形是（shì）在低頻矩形波（bō）上疊加高頻矩形波, 主要為克服（fú）二值矩形波勵磁存在的漿液噪聲和流動噪聲, 提高儀（yí）表的穩定性和響應特性, 因此廣泛用於製漿造紙及（jí）汙水處理等行業（yè）。
5、結束語
通過上（shàng）麵分析可知, 汙水管道流量計具有測量精度高、速度（dù）快、使用方便, 測量範圍廣、口徑（jìng）寬等諸（zhū）多優點（diǎn）, 但同時也存在著測量輸出信號易受工頻電磁幹擾, 流體電化學（xué）噪聲及電源（yuán）頻率變化影響的缺（quē）點（diǎn）。不同勵磁方式的汙（wū）水管道（dào）流量計具有不同（tóng）的抗幹擾技術和應用範圍。正確了解各種勵磁技術的（de）特點和不同汙（wū）水管道流（liú）量計的技術原理是（shì）正確使用汙（wū）水管道流量計的前提。

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