高壓渦輪流量計的勵磁幹擾分析與抗幹擾方法（fǎ）
點擊次數：1781 發布時間：2021-01-13 17:42:35
摘要：根據（jù）高壓渦輪流量計的測量原理，結合高（gāo）壓渦輪流（liú）量計實際應用中遇到的正交幹擾、微分幹擾、工頻幹擾等問題，分析幹擾（rǎo）產生的原因，提出采用同步（bù）采樣技術、采樣時間長度選擇、數字濾波技術等方（fāng）法，從根本上（shàng）對這些幹擾信號進行（háng）抑製和消除，使高（gāo）壓渦輪流量計更適（shì）應於現場應用。
1 低頻交流矩形波勵磁技術中幹擾的分析
1.1 正交幹擾與微分幹擾
傳感器就如同一（yī）個（gè）副（fù）邊隻有一匝的變壓器，由被測介質、電*、引出線和轉換器的輸入電路（lù）所組成的閉合回路組成。當采（cǎi）用正弦交（jiāo）流勵磁時（shí），將產生一個交變的磁場（chǎng），電（diàn）*上產生的（de）電勢為E=BmDvsin（ωt）。同時（shí），因為這個閉合回路實際上不能與磁力（lì）線完全（quán）平行，總會有一部分磁力線穿過（guò）該閉合回路，從而在回路內產生一個幹擾電動勢疊加在電*上，即高壓渦輪流量計變（biàn）壓器效應原理（lǐ），其大小為：et=-dB/dt，對於正弦交流勵磁，B=Bmsin（ωt），則有：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比較流速信號E與幹擾信號et，頻率（lǜ）相同，相位相差90°。因此，et為90°幹擾，又稱正交（jiāo）幹擾。對於低（dī）頻交流矩形波（bō）勵磁，則表現在由於（yú）勵磁電流突變而導致微分幹擾信號的產（chǎn）生，幹擾（rǎo）信（xìn）號會隨著電（diàn）流的穩定而逐步消失。
根據以上分析，采（cǎi）用低頻交（jiāo）流矩形波勵磁，電*走線（xiàn）偏離將會產生微分幹擾以及由其衍（yǎn）生的直流偏（piān）置。如圖2所示（shì）。兩個電*分別（bié）通過引線引到傳感器（qì）上部與變送器（qì）相連，正麵電*走線如圖所示，有（yǒu）標準、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背麵電*是標準走線。采用恒流500mA，5Hz交流矩形（xíng）波勵磁，相應的電*信號如圖3所（suǒ）示。可以看出，隨著偏離的程度增加，微分幹擾和直流偏置同趨（qū）勢增加。
1.2 工頻（pín）幹擾
工頻幹擾是高壓渦輪流量（liàng）計常見的幹擾源。當流量計處於電源形成電磁場（chǎng）中時，由於分布電容的存在，以電磁（cí）波的輻射形式幹擾電*信號，或者是（shì）由供電電（diàn）源引入的工頻串擾，工作（zuò）現場的工頻共模幹（gàn）擾（rǎo），其產生的物理機理均是電磁感應原（yuán）理。幅度（dù）與（yǔ）流量信號相比，往往（wǎng）要大幾個數量（liàng）級，頻（pín）率與供（gòng）電電源頻率相同。如圖4所示，線圈驅動頻率為5Hz的電*信號，被耦合了50Hz的工頻幹擾，幅度（dù）大概相當於1feet/s。
1.3 泥漿幹擾和流動噪聲
泥漿幹擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相導電性流體時（shí），固（gù）體（tǐ）顆粒或者氣泡擦（cā）過電*表（biǎo）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（hào）出現尖峰脈（mò）衝（chōng）狀幹擾噪聲。流體流動噪聲（shēng）是在測（cè）量低導率流體時，電*的（de）電化學電勢定期（qī）波動，產生隨流量增加而頻率（lǜ）增加的隨機幹擾噪聲（shēng），具（jù）有（yǒu）類似泥漿幹擾的1/f頻譜特性，因此提高勵（lì）磁頻率有助於降低流體流動噪聲的數量級，以提（tí）高電磁流量（liàng）傳感器測*低導電率流（liú）體流量的信噪比。
2 抗幹（gàn）擾方法
2.1 同步（bù）采樣技術
對於低頻（pín）方波勵磁我們可（kě）以采用同步采樣技術進行。根據線圈驅動給出的（de）同步信號，對電*信號在指（zhǐ）定時間開（kāi）始（shǐ）取樣，取指定的時間長度。例如隻取電*信號*後（hòu）的20％納入流量計算，這樣就有效（xiào）避免了微分（fèn）幹擾和建立穩（wěn）定磁場需要一定時間的問題。
2.2 采樣時間長（zhǎng）度
采樣時間長度要（yào）取工頻周期的整數倍，這樣即使混有（yǒu）工頻幹擾（rǎo）信號，因其采樣時間長度為完整的工頻周期，其平均（jun1）值也為零，幹擾不起作（zuò）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*兩端依然有電勢差。理論上此時應該沒有電勢差，但由於電（diàn）子部件的不對（duì）稱、傳（chuán）感器（qì）製造不對稱等原因，造成此電勢差，這（zhè）個值可以放在標定過程中（zhōng）去除。直流偏置是（shì）指電（diàn）*信號整體向上（shàng）或（huò）向下偏移（yí），不以0電平對稱，這是由於製造過程中線圈不對稱、電（diàn）*走線不標準、共模幹擾（rǎo）、電化（huà）學效應等因素造成。直流偏置在采（cǎi）用了低頻交流矩形（xíng）波勵磁後，不影響流（liú）量計的測量。
2.4 數字濾波（bō）技術（shù）
限幅濾波（bō）法，根據（jù）經驗判斷，確定兩次采樣（yàng）允許的*大偏差值。每次采樣測到的新（xīn）值與前一次值作比較，如（rú）果差值小於允許的*大偏差值則有效，否則無效，用前一次值代替。這樣就（jiù）可以有（yǒu）效過（guò）濾現場幹擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電*引起的過程噪聲等幹擾。算術（shù）平（píng）均濾波法，連續取N個采樣值進行（háng）算（suàn）術平均運算，N值較大時，信（xìn）號平滑度較高，但靈敏（mǐn）度較低；N值較小（xiǎo）時，信號（hào）平滑度較低，但（dàn）靈敏（mǐn）度較高。
舉例，如圖5所示，線圈（quān）采用5Hz驅動時的0feet/s，3.1feet/s，5.9feet/s流速（sù）下的電*信號，利用上述方法對信號進（jìn）行處理並計算（suàn）流速。取每半波*後的20％納入（rù）流速計（jì）算，正半波與負半波相減即（jí）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（sù）的計算。因線圈（quān）是5Hz驅動，半波的20％是20ms，正好是1個完整的工頻周期（qī），這樣就不受工頻幹擾的影響。正半波與負半波相減，這樣就避免了直流偏置（zhì）和（hé）共模幹擾的影響。再加上在數字（zì）濾（lǜ）波（bō）過程中使（shǐ）用限幅濾波和算數平均，保證了流量信號的有（yǒu）效提取。
4 接地
由於在電*上產（chǎn）生的流量信號是μV級，流量（liàng）計安裝地點附近經常有其他電器設備，環境複雜，容易（yì）受到附近（jìn）其他設備（bèi）的影（yǐng）響（xiǎng），變送器必須可靠接地；流量計經常被安裝在室（shì）外，風吹日曬，溫濕度變化（huà）比較大，夏天容易受到雷電的（de）衝擊，環境惡劣，接（jiē）地可以減少損壞的風險（xiǎn）；為了保證測量的精度和穩定性（xìng），對於（yú）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（liú）體保證零電位。必須強調，流量計一定（dìng）要單獨接地，因為（wéi）若與其他儀表或電氣裝置共同接地，接地線中的漏（lòu）電流可能對測量信號將產生串模幹擾，嚴重時流量計將無（wú）法工作。另外（wài），接地點應遠離大型用電器，避免地電流串入流量計，造成幹擾。
5 結束（shù）語（yǔ）
通過（guò）以上對幹擾的（de）分析，針（zhēn）對不同類型的幹擾（rǎo），分別（bié）采取不同的措施，有效提高信噪比，強調接地的作（zuò）用，提高了高壓渦輪流量計的抗幹（gàn）擾能力和穩定性，使其（qí）更加適應於（yú）工業應用現場。
1 低頻交流矩形波勵磁技術中幹擾的分析
1.1 正交幹擾與微分幹擾
傳感器就如同一（yī）個（gè）副（fù）邊隻有一匝的變壓器，由被測介質、電*、引出線和轉換器的輸入電路（lù）所組成的閉合回路組成。當采（cǎi）用正弦交（jiāo）流勵磁時（shí），將產生一個交變的磁場（chǎng），電（diàn）*上產生的（de）電勢為E=BmDvsin（ωt）。同時（shí），因為這個閉合回路實際上不能與磁力（lì）線完全（quán）平行，總會有一部分磁力線穿過（guò）該閉合回路，從而在回路內產生一個幹擾電動勢疊加在電*上，即高壓渦輪流量計變（biàn）壓器效應原理（lǐ），其大小為：et=-dB/dt，對於正弦交流勵磁，B=Bmsin（ωt），則有：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比較流速信號E與幹擾信號et，頻率（lǜ）相同，相位相差90°。因此，et為90°幹擾，又稱正交（jiāo）幹擾。對於低（dī）頻交流矩形波（bō）勵磁，則表現在由於（yú）勵磁電流突變而導致微分幹擾信號的產（chǎn）生，幹擾（rǎo）信（xìn）號會隨著電（diàn）流的穩定而逐步消失。
根據以上分析，采（cǎi）用低頻交（jiāo）流矩形波勵磁，電*走線（xiàn）偏離將會產生微分幹擾以及由其衍（yǎn）生的直流偏（piān）置。如圖2所示（shì）。兩個電*分別（bié）通過引線引到傳感器（qì）上部與變送器（qì）相連，正麵電*走線如圖所示，有（yǒu）標準、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背麵電*是標準走線。采用恒流500mA，5Hz交流矩形（xíng）波勵磁，相應的電*信號如圖3所（suǒ）示。可以看出，隨著偏離的程度增加，微分幹擾和直流偏置同趨（qū）勢增加。
1.2 工頻（pín）幹擾
工頻幹擾是高壓渦輪流量（liàng）計常見的幹擾源。當流量計處於電源形成電磁場（chǎng）中時，由於分布電容的存在，以電磁（cí）波的輻射形式幹擾電*信號，或者是（shì）由供電電（diàn）源引入的工頻串擾，工作（zuò）現場的工頻共模幹（gàn）擾（rǎo），其產生的物理機理均是電磁感應原（yuán）理。幅度（dù）與（yǔ）流量信號相比，往往（wǎng）要大幾個數量（liàng）級，頻（pín）率與供（gòng）電電源頻率相同。如圖4所示，線圈驅動頻率為5Hz的電*信號，被耦合了50Hz的工頻幹擾，幅度（dù）大概相當於1feet/s。
1.3 泥漿幹擾和流動噪聲
泥漿幹擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相導電性流體時（shí），固（gù）體（tǐ）顆粒或者氣泡擦（cā）過電*表（biǎo）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（hào）出現尖峰脈（mò）衝（chōng）狀幹擾噪聲。流體流動噪聲（shēng）是在測（cè）量低導率流體時，電*的（de）電化學電勢定期（qī）波動，產生隨流量增加而頻率（lǜ）增加的隨機幹擾噪聲（shēng），具（jù）有（yǒu）類似泥漿幹擾的1/f頻譜特性，因此提高勵（lì）磁頻率有助於降低流體流動噪聲的數量級，以提（tí）高電磁流量（liàng）傳感器測*低導電率流（liú）體流量的信噪比。
2 抗幹（gàn）擾方法
2.1 同步（bù）采樣技術
對於低頻（pín）方波勵磁我們可（kě）以采用同步采樣技術進行。根據線圈驅動給出的（de）同步信號，對電*信號在指（zhǐ）定時間開（kāi）始（shǐ）取樣，取指定的時間長度。例如隻取電*信號*後（hòu）的20％納入流量計算，這樣就有效（xiào）避免了微分（fèn）幹擾和建立穩（wěn）定磁場需要一定時間的問題。
2.2 采樣時間長（zhǎng）度
采樣時間長度要（yào）取工頻周期的整數倍，這樣即使混有（yǒu）工頻幹擾（rǎo）信號，因其采樣時間長度為完整的工頻周期，其平均（jun1）值也為零，幹擾不起作（zuò）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*兩端依然有電勢差。理論上此時應該沒有電勢差，但由於電（diàn）子部件的不對（duì）稱、傳（chuán）感器（qì）製造不對稱等原因，造成此電勢差，這（zhè）個值可以放在標定過程中（zhōng）去除。直流偏置是（shì）指電（diàn）*信號整體向上（shàng）或（huò）向下偏移（yí），不以0電平對稱，這是由於製造過程中線圈不對稱、電（diàn）*走線不標準、共模幹擾（rǎo）、電化（huà）學效應等因素造成。直流偏置在采（cǎi）用了低頻交流矩形（xíng）波勵磁後，不影響流（liú）量計的測量。
2.4 數字濾波（bō）技術（shù）
限幅濾波（bō）法，根據（jù）經驗判斷，確定兩次采樣（yàng）允許的*大偏差值。每次采樣測到的新（xīn）值與前一次值作比較，如（rú）果差值小於允許的*大偏差值則有效，否則無效，用前一次值代替。這樣就（jiù）可以有（yǒu）效過（guò）濾現場幹擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電*引起的過程噪聲等幹擾。算術（shù）平（píng）均濾波法，連續取N個采樣值進行（háng）算（suàn）術平均運算，N值較大時，信（xìn）號平滑度較高，但靈敏（mǐn）度較低；N值較小（xiǎo）時，信號（hào）平滑度較低，但（dàn）靈敏（mǐn）度較高。
舉例，如圖5所示，線圈（quān）采用5Hz驅動時的0feet/s，3.1feet/s，5.9feet/s流速（sù）下的電*信號，利用上述方法對信號進（jìn）行處理並計算（suàn）流速。取每半波*後的20％納入（rù）流速計（jì）算，正半波與負半波相減即（jí）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（sù）的計算。因線圈（quān）是5Hz驅動，半波的20％是20ms，正好是1個完整的工頻周期（qī），這樣就不受工頻幹擾的影響。正半波與負半波相減，這樣就避免了直流偏置（zhì）和（hé）共模幹擾的影響。再加上在數字（zì）濾（lǜ）波（bō）過程中使（shǐ）用限幅濾波和算數平均，保證了流量信號的有（yǒu）效提取。
4 接地
由於在電*上產（chǎn）生的流量信號是μV級，流量（liàng）計安裝地點附近經常有其他電器設備，環境複雜，容易（yì）受到附近（jìn）其他設備（bèi）的影（yǐng）響（xiǎng），變送器必須可靠接地；流量計經常被安裝在室（shì）外，風吹日曬，溫濕度變化（huà）比較大，夏天容易受到雷電的（de）衝擊，環境惡劣，接（jiē）地可以減少損壞的風險（xiǎn）；為了保證測量的精度和穩定性（xìng），對於（yú）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（liú）體保證零電位。必須強調，流量計一定（dìng）要單獨接地，因為（wéi）若與其他儀表或電氣裝置共同接地，接地線中的漏（lòu）電流可能對測量信號將產生串模幹擾，嚴重時流量計將無（wú）法工作。另外（wài），接地點應遠離大型用電器，避免地電流串入流量計，造成幹擾。
5 結束（shù）語（yǔ）
通過（guò）以上對幹擾的（de）分析，針（zhēn）對不同類型的幹擾（rǎo），分別（bié）采取不同的措施，有效提高信噪比，強調接地的作（zuò）用，提高了高壓渦輪流量計的抗幹（gàn）擾能力和穩定性，使其（qí）更加適應於（yú）工業應用現場。