如何提高給水廠原水電磁流量計使用電磁兼容性的研究分析

給水廠原（yuán）水電磁（cí）流量計麵世至今，其（qí）技術已經成熟，在工業（yè）生產現場的許多地方（fāng）都有著廣泛的應用，由於給水廠原水電磁流量計的測量過程不受被測（cè）介質溫度、黏度、密度等因素影響, 具有測量速度快、精度高、測量口徑寬（kuān）、輸（shū）出線（xiàn）性度好, 與被測介質（zhì）不接觸, 耐腐蝕、抗磨損, 流體（tǐ）壓力損失小等優點（diǎn）, 因而廣泛應（yīng）用於造紙廠紙漿、助劑（jì）、水等流體的測量。不過, 給水廠原水電磁（cí）流量計（jì）也有其不足, 傳感器的輸出感應電動勢很小, 容易受到外（wài）界電磁幹擾, 而現場情況（kuàng）又都是千差萬別，無法做到每個測量環境都能夠達到標準要求（qiú），因（yīn）此如何提高給水廠原水電磁流量計（jì）的電磁兼容性, 使其能在惡劣的電磁環（huán）境正常使用是給水廠原水電磁流量計設（shè）計（jì）必須考慮（lǜ）的問題。文中以橫河公司的ADMAGAE係列給水廠原水電磁流（liú）量計為例, 結合筆者的工程實踐, 介紹有關給水廠原水電磁流量計的使用並分析其電磁兼容性(EMC)。介紹利用麵板及智（zhì）能終端進行給水廠原水電磁流（liú）量計參數（shù）設置和組態的方法（fǎ）, 以及（jí）提高給水廠原水電磁流量計的電磁兼（jiān）容性技術。給水廠原水電（diàn）磁流量計的（de）幹擾源主（zhǔ）要包括工頻電磁幹擾、流體電化學幹（gàn）擾（rǎo）噪聲和電源幹擾噪聲。目前給水廠原水電磁流量計主要采用低頻或雙頻矩形波勵磁技（jì）術、同步采（cǎi）樣技（jì）術、輸入（rù）保護、接地技（jì）術（shù）等來降（jiàng）低幹擾。實際應用表明, 這些技術有（yǒu）較好的抗幹擾效果。
1、給水廠原水電磁（cí）流量計（jì）的工作原理
給水廠原水電磁流量計的工（gōng）作（zuò）以電磁感應定律為基礎（chǔ）, 即當一個導體在電（diàn）磁場中運（yùn）動, 並且運動方向（xiàng）垂直於電磁場時就會產生感應電動勢, 所產（chǎn）生（shēng）的感應電動勢的方向垂直於導體運動和電磁場運動的方向, 感應電動勢的大小與（yǔ）導體的運動速度和磁場的（de）磁感（gǎn）應強（qiáng）度成正比。當（dāng）導電流體以平均流速V(m/s)通過一（yī）根內徑為（wéi）D(m)的管子（zǐ）時, 若管子內存在一個磁感應強度（dù）為B(T)的磁場, 那麽就可產生一個（gè）垂直於磁（cí）場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（rù）式（shì）(1)並（bìng）處（chù）理得:
E=(4B/πD)×Q　(V) (3)
如果（guǒ）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放大並轉換成標準的4 ～ 20 mA的信號或脈衝信（xìn）號（hào）, 作為對應的流量信號輸（shū）出。
2、給水廠原水電磁流量計的參數設置（zhì）方法及組態
流量計的參數設置(組態)有兩種方法, 一是利用顯示麵板（bǎn）上的按鍵, 二是利用手持智能終端（duān）。
2.1　使用麵板進行參數設定ADMAGAE係（xì）列給水廠原水電磁流量（liàng）計麵板上常用（yòng）的符號有:
(1)RED(紅)　正常工作時不亮, 有報警（jǐng）時閃（shǎn）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（shì）流量單位;
(4)顯（xiǎn）示數據　顯示流量數據、設定數據和報（bào）警的種類;
(5)小數點　表示（shì）數據中的小數（shù）點;
(6)設定鍵　這些鍵用來改變（biàn）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（jù）顯示模式、設（shè）定模式、報警顯示模（mó）式。
2.1.1　流量數據顯示模式
流量數據（jù）顯示模式表示的是瞬（shùn）時流量值和累（lèi）積流量值, 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, 詳細設定可參考流量計用戶手冊。
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, 可將該模式從正常的（de）操作模式中調出（chū）。
2.1.3　報（bào）警顯示模式
當報警（jǐng）發（fā）生時, 報警模式就會取代當前模式來顯示發生報警的類型, 但是這種（zhǒng）情況隻是發（fā）生在當前流量顯（xiǎn）示模式或設定模式中參數號被改變時(當正（zhèng）在該部數據項時, 不顯示報警)。
2.2　BT智能終端設定
具有智能通信功能（néng）的儀表可與智能終端通信。橫河（hé）的智能終（zhōng）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的調製信號（hào）迭（dié）加（jiā）到4 ～ 20 mA的模擬信號上用作信號（hào）傳輸。由於調製信號是交流（liú）信（xìn）號, 所以迭加不會影響模擬信號的數值（zhí）。
BT智能終端與流量計的連接有兩種方式:一是（shì）直接與流量計端蓋下麵（miàn）的BT端子（zǐ）相連, 這種（zhǒng）方（fāng）式適（shì）用於現場調試（shì）或流量（liàng）計（jì）不具備智能通信功能的情況;二是與4 ～ 20 mA直流（liú）信（xìn）號線連接, BT智能（néng）終端可以連接在從控製櫃到流量計信號線的任何位置,*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（jiù）可以可靠地通信。這種方式操作者不必去現場, 在控製室就（jiù）可對流量計進行設置和在線監測（cè）, 是使用*多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作, 可以**顯示和修改給水（shuǐ）廠原水電磁流量計的各種參數, 其基（jī）本的操作有流量計自檢、量程調（diào）整、顯示方式（shì）設置（zhì）、報警設置等。
2.3　給水廠原（yuán）水電磁流量計數據設定與組態
給水（shuǐ）廠原（yuán）水電磁流量計是根據與流體流速相對（duì）應的微小電動勢（shì）計（jì）算出體積流量（liàng）並輸（shū）出4 ～ 20 mA的信號（hào）。為保（bǎo）證獲得正確（què）的信號, 必須設（shè）定通徑、流量量程和儀表係數（shù）3個參數, 這3個參數中, 通徑和儀表係數早在儀表出廠前就設定（dìng）好的, 因此用戶不能設定這兩個參數（shù）。用（yòng）戶（hù）也可以在儀表出廠前將流量量（liàng）程設定（dìng）好, 這種設定隻有在用（yòng）戶要求改變量程時才可進行重（chóng）新設定。
3、電磁兼容性分析
給水廠（chǎng）原水電磁流量（liàng）計的工作以電磁感應定律為基礎, 產生（shēng）的正比（bǐ）於被（bèi）測流量的感應電動勢通常很（hěn）小, *易受到外界電（diàn）磁幹擾, 而它本身產生（shēng）的電磁幹擾（rǎo）很小,因此給水廠原水電磁流量計的電磁兼容性主（zhǔ）要體現在它如何在惡劣的電磁環境下正常工作（zuò）。在惡劣的電磁環境下, 電（diàn）磁耦合靜電感應是給水廠原水電磁流量計幹擾噪聲的主要來源;被測（cè）流體介質特性產生的電化學幹擾噪聲是給水廠原水電（diàn）磁流量計幹擾噪（zào）聲的*二來源;給水（shuǐ）廠原（yuán）水電磁流量計供電電源的電壓和頻率波（bō）動等電源幹擾噪聲是給（gěi）水廠原（yuán）水電磁流量（liàng）計幹擾噪聲的*三來源。為滿足儀（yí）表的EMC要求, 智能給水廠原水電磁流量計分別采用硬件（jiàn）和軟件抗幹擾技術 , 以提高給水廠原水電磁流量計抗幹擾能力。
3.1　工頻（pín）幹擾噪聲的特點及給（gěi）水廠原水電磁（cí）流量計（jì）抗幹擾技術
工頻幹（gàn）擾噪聲*先是由給水廠原水電磁流量計勵磁繞組（zǔ）和流體、電*、放大器輸入回路（lù）的電磁耦合形成, 其二（èr）是給水廠（chǎng）原水電磁（cí）流量計工作現場的工頻共模（mó）幹擾, 其三是（shì）供電電源引入的（de）工（gōng）頻串模幹擾等, 其產生的物理機理均是電（diàn）磁感應原理。
給水（shuǐ）廠（chǎng）原水電磁流（liú）量計勵磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電磁耦合產生的工頻幹（gàn）擾對給水廠（chǎng）原水電磁流量計工作影響*大, 而且（qiě）在不同的勵磁技術下其表現的形態、特性不同, 因而采取抗幹擾（rǎo）措施也不同。在工頻正弦波勵磁磁場下, 此種電磁耦合工頻幹擾噪聲（shēng）表現形式為正交幹擾, 又稱為變壓器電勢, 特點是幹擾噪聲幅值和工頻正弦波勵磁（cí）頻率成正比, 相位滯後流（liú）量信號電勢90°, 且幅值（zhí）較流量信號電（diàn）勢大（dà）幾個數量級。直流（liú）勵磁、低頻矩形波勵磁及雙頻矩形波勵磁技（jì）術, 可以（yǐ）基本消除正交幹擾的影響。工頻共模幹擾和工頻串（chuàn）模幹擾這兩種常見的幹（gàn）擾, 主要是由於電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合, 給水廠原水電（diàn）磁流量計接（jiē）地不良（liáng）等原因而產生, 給水廠原水（shuǐ）電磁流（liú）量計采（cǎi）用輸入保護技術、高輸入阻抗、高共模抑製比自（zì）舉（jǔ）前置放大（dà）器（qì）技術以及重複接地技術（shù）等提高抗工頻幹擾的能力。ADMAGAE係（xì）列給水廠原水電磁流量計配有接地環, 其作用（yòng）是通過與液體接觸, 建（jiàn）立液體接地, 確保基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（de）特點及給（gěi）水廠原水電磁流量（liàng）計（jì）抗（kàng）幹擾技（jì）術
3.2.1　電化學幹擾噪聲的特點
(1)電化學*化電勢幹擾是由於電*感生電動勢在兩**性不同而導致電解質在電*表麵*化產生。雖然采用正負交變勵磁磁場能（néng）顯著減弱（ruò）*化電勢的數量級, 但不能從根本上完全消除*化電勢幹擾。
(2)泥漿幹擾是在測量液固兩相導（dǎo）電性流體流量時, 固體顆粒或者氣泡擦過電*表（biǎo）麵時, 電*表麵的接（jiē）觸電化學電（diàn）勢突然變化, 電磁流量傳感器輸出信號出現尖（jiān）峰脈衝狀幹擾噪聲。
(3)流體流動噪聲是在測量低導率（lǜ）液體(100μS/cm以下)流量時（shí）, 電*的電（diàn）化學電勢定期波動,產生隨流量增加而頻率增加的隨（suí）機幹擾噪聲, 具有類似泥漿幹擾的1 /f頻譜特性。
3.2.2　給水廠原水電磁流量計抗電化學幹擾技術
給水廠原（yuán）水電（diàn）磁流量計在提高抗電化學幹擾能力方麵（miàn）采取的措施主要是（shì）低頻矩形波（bō）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不產（chǎn）生渦流效應、變壓器效應(正交幹擾)的特點, 又具（jù）有工頻正（zhèng）弦波勵磁基本不（bú）產生（shēng）*化效應, 便於放大（dà）信號處理,而能避免直流放大（dà）器（qì）零點漂移（yí）、噪聲、穩定性等問題的產生, 有較好的抗幹擾性能。
低頻矩形波勵（lì）磁雖然具有優良的零點穩定性,但在測（cè）量泥（ní）漿、紙漿等（děng）含纖維和固體顆粒的液（yè）固兩相導電性流體流量時無法克服泥漿幹擾和流體噪聲幹擾。研究分析表明, 泥漿幹擾和（hé）流動噪聲具有1 /f的頻譜特征。低頻時幅值（zhí）大（dà）, 高頻（pín）時幅值小, 如果采用較高頻率的低頻矩形波（bō）勵（lì）磁則能大大降低泥漿幹擾的數量級。因此提高勵磁頻率有助於（yú）降低泥漿（jiāng）幹擾和流動噪聲, 提高傳感器輸出（chū）信號的信噪比。
綜上所述, 要保（bǎo）證給水廠原（yuán）水電磁流量（liàng）計的零點穩定性, *好采用低頻矩形波勵磁;為了能較（jiào）準確地測量液固兩相導電性流（liú）體和低導電率流體的流（liú）量, 又必須（xū）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磁的方法是*佳方（fāng）案。
3.2.3　雙頻矩形波（bō）勵磁工作及抗幹擾原理（lǐ）
在給水廠原水電磁流量計測量管內形成含有兩個頻率分量的電磁場:高頻勵（lì）磁分量不受液體幹擾的影（yǐng）響, 而低頻勵磁分量（liàng）則有（yǒu）著*好的零點穩（wěn）定（dìng）性, 根據高、低頻定時檢測到的各分量（liàng）信（xìn）號經（jīng）過計算, 便可得到流量信號。
雙頻矩形（xíng）波勵磁（cí）測量原理如圖1所示（shì）,
一（yī）個由（yóu）高低頻分量迭加而成的電磁場通過勵磁線圈被施（shī）加到被測液體中, 勵磁波形是在（zài）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（xíng）。在產（chǎn）生（shēng）的（de）電動勢中, 低頻（pín）分量通過一個大時間常（cháng）數的積分電路獲得一個零點穩定性（xìng）好的平穩流量信號。而（ér）由（yóu）漿液或低電導率流體產生的低頻（pín）噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路（lù）所抑（yì）製（zhì）, 有著同樣（yàng）時間常數的流（liú）量信號經（jīng）過一個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得的信號結合（hé）起來可（kě）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雙頻矩形波勵磁測量原理圖
3.3　電源幹擾噪聲特點（diǎn）及給水（shuǐ）廠原水電磁流量計抗幹擾技術（shù）

圖2基本信號關係
給水廠原水電（diàn）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（biàn）化都會給給水廠原水電磁流量計（jì）帶來（lái）電源性幹擾噪聲。對電源電壓的幅值變化, 因采用（yòng）多級集（jí）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（xiǎng）不大。當電源（yuán）電壓的頻率波動時, 雖然其（qí）波動範圍有限, 但對給水廠原水電磁流（liú）量計測量（liàng）精度影響較大。為了解決工頻幹擾問題, 實現對流體流速感應電勢eab信號的準（zhǔn）確測量, 需利用以下基本關係（xì）:①勵磁周期為（wéi）工頻（pín）周期的整數倍（bèi）, 即勵磁頻率為50/nHz(n為偶數);②正負（fù）勵磁下的同相位采樣。圖2是對應低頻矩形波勵磁形式下的典型電勢信號形式（shì）, 按上述關係在一個勵磁周期下, 若假（jiǎ）設t1 和t2 點為工頻幹擾的等效幹擾點, 且采（cǎi）樣寬度T=T1 =T2 , 則eab的基本算（suàn）式為:
μ0 (t2)=1
2T ∫t1
+T1 t1
e(t1 )dt-∫t2
+T2 t2
e(t2 )dt=eab (4)
式(4)從理論上說明給水廠（chǎng）原水電磁流量計（jì）的工頻幹擾（rǎo）有可克服的途徑, 即同步采樣技術, 其方法是以同相位(t1=t2 )、同寬度采樣(T1 =T2 =T)為前提的, 采樣頻率要選為工頻周期的（de）整數倍。這樣即使混有幹擾信號, 因其采樣時間為完（wán）整的工頻周期, 其平均（jun1）值也為零, 幹擾電（diàn）壓不（bú）起作用。
4、給（gěi）水廠原水（shuǐ）電磁流量計選（xuǎn）型
4.1　給水廠原水（shuǐ）電磁流量計選型的一般原則
(1)被測介質是否為導電液體或漿液, 由此決（jué）定是否選用給（gěi）水廠原水電磁（cí）流量計;
(2)被測介質（zhì）的電（diàn）導率決定給水廠原水電磁流量計的（de）類型———是高電導率還是低電導率;
(3)工藝（yì）要（yào）求的*大（dà）、*小和常用流量工藝管道（dào）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（fǒu）需要變徑, *後確定流量（liàng）計的口徑;
(4)以工藝管道（dào）的布置情況, 來確定采（cǎi）用（yòng）一體型還是分體型流量計, 以（yǐ）及流量計的防護等（děng）級（jí）等;
(5)根據（jù）被測介質是否易結晶、結疤來選擇電*型式;
(6)根據（jù）被測介質的腐蝕性來選擇電（diàn）*材料;
(7)被測介質的腐（fǔ）蝕性、磨損性及溫（wēn）度來決定采用何種襯裏材料;
(8)被測（cè）介質的*高工作壓力決定流量計的公稱壓力（lì）;
(9)工藝管道的絕緣性決定接地環的型式。
4.2　根據給水廠原水（shuǐ）電磁流量計勵磁方式（shì）的的特點選型
(1)直流勵磁型
這種（zhǒng）給水廠原水電磁（cí）流量（liàng）計數量很少, 隻（zhī）用於測（cè）量液態金屬流量, 如常溫下（xià）的汞和（hé）高溫下的液（yè）態鈉、鉀等。
(2)交流工頻勵磁型
較早期的（de）給水廠原（yuán）水電磁流量計用50 Hz工頻市電勵磁,由於易受電磁幹擾和零點漂移等原因, 現已逐漸被低頻（pín）矩形勵磁所代替。但在測量泥漿、礦漿等液固（gù）兩相流時, 低頻矩形波勵磁方式不能克（kè）服固體擦過電*表（biǎo）麵產生的尖（jiān）峰噪聲, 而工頻交流勵磁的儀表則不存在這一缺點, 所以國內外尚有一些（xiē）給（gěi）水廠原水（shuǐ）電磁流量（liàng）計仍采用交流工頻勵磁方式（shì）。
(3)低頻矩形波（bō）勵磁型
由於低（dī）頻矩形（xíng）波勵磁方式功耗小, 零點穩定性好, 所以它是目前給水廠原水電磁流量計的（de）主要（yào）勵（lì）磁方式。其波形有“正-負”二（èr）值和“正-零-負-零”三值兩種。有的給水廠（chǎng）原（yuán）水電磁流量（liàng）計勵（lì）磁頻率可以由用戶設定, 一般小口徑儀表用較（jiào）高頻率, 大口徑儀表用較低（dī）頻率。
(4)雙頻勵磁型勵磁電流（liú）的波（bō）形是在低頻矩形波上疊加高頻矩（jǔ）形波, 主要為克服二值矩形波勵磁（cí）存在的漿液噪聲和流動噪聲, 提（tí）高儀表的穩定性和響應特性（xìng）, 因此廣（guǎng）泛用於製漿造（zào）紙（zhǐ）及汙水處理等行業。
5、結束語
通過上麵（miàn）分析可（kě）知（zhī）, 給水廠原水電（diàn）磁流（liú）量計具有測量精度高、速度快、使用方便, 測量範圍廣、口徑寬等諸多（duō）優點（diǎn）, 但同時也存在（zài）著測量輸（shū）出信號易受工頻電磁幹擾, 流體電化學噪聲（shēng）及電源（yuán）頻率變化影響的缺點（diǎn）。不同勵磁方式的給（gěi）水廠原水電磁流量計具有不同（tóng）的抗幹擾技（jì）術和應用範圍。正（zhèng）確了解各種勵磁技（jì）術的特點和不同給水廠原水（shuǐ）電磁流量計（jì）的技術原理是正確使用給（gěi）水廠原水電磁流量計的前提。

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