電磁管道流量計的勵磁幹擾分析與抗幹擾方法

摘要：根據電磁管道（dào）流量計的測（cè）量原理，結合電磁管道流量計實際應用中遇到的正交（jiāo）幹擾、微分幹（gàn）擾、工頻幹擾等問題，分析幹擾（rǎo）產生的原因，提（tí）出采（cǎi）用同步采樣技術、采樣時間長度選擇、數字濾波技術等方法，從根（gēn）本（běn）上對這些幹擾信號進行抑製和消除，使電磁管道流量計更適應於現場應（yīng）用。
1 低頻交流矩形波勵磁技術中（zhōng）幹擾的分析
1.1 正交幹擾與微分幹擾
傳感器就如（rú）同（tóng）一個副邊隻有一匝的變壓器，由被測介質、電*、引出線（xiàn）和轉換（huàn）器的輸入電路所組成的（de）閉合回路組成。當采用正弦（xián）交流勵磁時，將（jiāng）產（chǎn）生一個交變的磁場，電*上產（chǎn）生的電勢為E=BmDvsin（ωt）。同時，因為這個閉合回路（lù）實際上不能與（yǔ）磁力（lì）線完全平行，總會有一部（bù）分磁力線穿過該（gāi）閉合回路，從而在回路內產生一個幹擾電動勢疊加（jiā）在電*上，即電磁管道流量計（jì）變壓器效應原理，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，頻率相同，相位相差90°。因此，et為（wéi）90°幹擾，又稱正交幹擾。對（duì）於低頻交流矩形波勵磁，則表現在由（yóu）於勵磁電流突變而導致微分幹擾（rǎo）信號的產生，幹擾信號會隨著電流（liú）的穩定而逐步消（xiāo）失。
根據以上分析，采用低頻交（jiāo）流矩形波勵磁，電*走（zǒu）線（xiàn）偏離將會產生微（wēi）分幹擾以及由（yóu）其衍生的直流偏置。如圖2所示。兩個電*分別通過引線引到傳感器上部與變送器相連，正麵電*走線如圖所示（shì），有標準、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背麵電*是標準走（zǒu）線。采用恒流500mA，5Hz交流矩形波勵磁，相應（yīng）的電*信號如圖3所示。可以看出，隨著偏離的程度增加，微分幹擾和直流偏置同趨勢增加。

1.2 工頻幹擾
工頻幹擾是電磁管（guǎn）道流量計常（cháng）見的幹擾源（yuán）。當流量計處於電源形成電磁場（chǎng）中時，由於（yú）分布電容的存在，以電（diàn）磁波的輻射形式幹擾（rǎo）電（diàn）*信號，或者是由供電電源引入的工頻串擾，工作現場的工頻共模幹擾，其產生的物理機理均是電磁感應原理。幅度與流量信號相（xiàng）比（bǐ），往往要大幾個（gè）數量（liàng）級，頻率與供電電源頻率相同。如圖4所示，線圈驅動頻率為5Hz的電*信號（hào），被（bèi）耦合了50Hz的工頻幹擾，幅度大概相當於1feet/s。
1.3 泥漿幹擾和流動噪聲
泥漿幹擾是（shì）在（zài）測量泥漿、纖（xiān）維漿等固液兩相導電性流（liú）體時，固（gù）體顆粒（lì）或者氣（qì）泡擦過電（diàn）*表麵時，電（diàn）*表麵的接觸（chù）電化學電勢突然變化，電磁流（liú）量傳感器輸出信號（hào）出現尖峰脈衝狀幹擾噪聲。流（liú）體（tǐ）流動噪聲是在測量低導率流體時，電（diàn）*的電化學電勢定期波動，產生（shēng）隨流量增加而頻率增加的（de）隨機幹擾噪聲（shēng），具有類似泥漿幹擾的（de）1/f頻譜特性，因（yīn）此提高勵磁頻率（lǜ）有（yǒu）助於（yú）降低流體流動噪聲的數量級，以提高電磁流量傳（chuán）感器測（cè）*低（dī）導電率（lǜ）流體流量（liàng）的信（xìn）噪（zào）比（bǐ）。
2 抗幹擾方法（fǎ）
2.1 同（tóng）步采樣技術
對於低頻方波（bō）勵（lì）磁我們可以采用（yòng）同步采樣技術進行（háng）。根據線圈驅動給出的同步信號，對電*信號在（zài）指定時間開始取（qǔ）樣，取指定（dìng）的時間長度。例如隻取電*信號*後的（de）20％納（nà）入流量計算，這樣就有效避免了微分（fèn）幹擾和建立穩定磁場需（xū）要一定時間（jiān）的問題。
2.2 采樣時間長度
采樣時間長度要取工頻（pín）周期的整數倍，這樣即（jí）使混有工頻幹擾信號，因其采樣時間長度為完整的工頻周期，其平均值也為零，幹擾不起作用。
2.3 零點偏（piān）移與直流偏置
零點偏移是（shì）指在流體流速為零時，電*兩端依然有電勢差。理論上此時應（yīng）該沒有電勢差，但由於電子部件的不對稱、傳感器製造不對稱等原因，造成（chéng）此電勢差，這個值可以放在標定過程中去除。直流偏置是指電（diàn）*信號整體向上或向下偏移，不（bú）以0電平對稱，這是由於（yú）製（zhì）造過程中線圈不對稱、電*走線不標準、共模幹擾、電化學效應等因（yīn）素造成。直流偏（piān）置在采用了低頻交流矩形波（bō）勵磁後，不影響流量計的測量（liàng）。

2.4 數字濾波技術
限（xiàn）幅濾波法，根據經驗（yàn）判斷，確定兩次采樣允許的*大偏差值。每次采樣（yàng）測到的新值（zhí）與前一次值（zhí）作比較，如（rú）果差值小於允許的*大偏差值（zhí）則有（yǒu）效，否則無效，用（yòng）前一次值代（dài）替。這樣（yàng）就可以有效過濾現場幹擾（rǎo）、毛刺、過程流體顆粒撞擊電*引起的（de）過程噪（zào）聲等幹擾。算術平均濾（lǜ）波法，連續取N個采樣值進行算術平（píng）均運算，N值較大時，信號平滑度較高，但靈敏度較低（dī）；N值較小時，信號平滑度較低，但靈敏度較高（gāo）。
舉例，如圖（tú）5所示，線圈采用5Hz驅動（dòng）時的0feet/s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的電*信號，利（lì）用上述方（fāng）法對（duì）信號進行處（chù）理並計算流（liú）速。取每半波*後的20％納入流（liú）速計算，正半波與負半波（bō）相減即是流速（sù）。如3.1feet/s–（-2.8feet/s）=5.9feet/s，雖（suī）然有＋0.15 feet/s的（de）直流偏置，但也不影響流速的計算。因線圈是5Hz驅動，半波的20％是20ms，正好是1個完整的工頻周期，這樣（yàng）就不受工頻幹擾的影響。正（zhèng）半波與負半波相減，這樣就（jiù）避免了直流偏置和共模幹（gàn）擾的影響。再加上在數字濾波過程中使用限幅濾波和算數平均，保證了流量信號的有效提取。

4 接地
由於在電*上產生的流量信號是μV級，流量計安（ān）裝地點附近經常有其（qí）他電（diàn）器（qì）設備，環境複雜，容易受（shòu）到附近其（qí）他設備的影響，變送器必須可靠接（jiē）地（dì）；流量計經常（cháng）被安裝在室外，風吹（chuī）日曬，溫濕度變化比較大，夏天容易受到雷電的衝擊，環境惡劣（liè），接地可以減少損壞（huài）的風險；為（wéi）了保證測量的精度和穩定性，對於（yú）非金屬管道（dào），傳感器的兩端必須采用接地環（huán）可靠接（jiē）地，使進入傳感器的流體保證零電位。必須強調，流（liú）量計一定要單獨（dú）接地，因為若與其他儀表或電氣裝置共同接地，接地線中（zhōng）的漏電流可能對（duì）測量信號將產生串模幹擾，嚴重時（shí）流量計將無法工作。另外，接地點應遠離大型用（yòng）電（diàn）器（qì），避免地電流串入流量計，造成幹擾。
5 結束語
通過以上對幹擾的分析，針對不同類型的幹（gàn）擾（rǎo），分別采取不同（tóng）的措施，有效提高信噪比，強調接地的作用，提高了電磁管道流量計的抗幹擾能力和穩定性（xìng），使其更加適應於工業應用現場。

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