電磁流量計(jì)原理、使用中問題及解決方案

【摘要】本文簡(jiǎn)要闡述了幾種電磁流量計(jì)的抗干擾技術(shù)。討論了電磁流量計(jì)幾種干擾產(chǎn)生的物理機(jī)理和特征。研究了電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的硬件和軟件抗干擾技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)的高精度、高可靠性、高抗干擾能力奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】電磁流量計(jì)； 干擾； 轉(zhuǎn)換器

引言

電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律來測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響；性能可靠，精度高；可雙向測(cè)量，具有多種輸出類型等等。但在實(shí)際測(cè)量過程中，干擾信號(hào)會(huì)與有用信號(hào)混在一起，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，在這種情況下如何有效地抑制并排除這些干擾，提高測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性就成為研制和使用電磁流量計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。

1、電磁流量計(jì)的工作原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在與磁場(chǎng)方向、運(yùn)動(dòng)方向相互垂直方向的導(dǎo)體兩端，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度和磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小成正比。

如圖一，當(dāng)導(dǎo)電流體以平均流速V（m/s）通過裝有一對(duì)測(cè)量電極的一根內(nèi)徑為D（m）的絕緣導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，該管道處于一個(gè)均勻的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B（T）的磁場(chǎng)中，那么在一對(duì)電極上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E（V），它的方向垂直于磁場(chǎng)和流體的方向。

法拉第電磁感應(yīng)定律為：E=B·D·V （1）

流量的體積流量為：Qv= （2）

由公式（1）和（2）可得到：QV= （3）

因此電動(dòng)勢(shì)可表示為： （4）

當(dāng)B是一個(gè)常數(shù)時(shí)，對(duì)某一個(gè)固定的口徑D也是一個(gè)已知數(shù)，公式（3）中

，那么公式（3）可改寫為： （5）

從公式（5）可以看出，流量Qv與電動(dòng)勢(shì)E成正比

2、電磁流量計(jì)使用中常見的問題分析

傳感器提供給轉(zhuǎn)換器的流量信號(hào)為電極間的電位差只有幾個(gè)毫伏，信號(hào)較小。在實(shí)際測(cè)量中，由于電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)以及電化學(xué)電勢(shì)等原因，電極上所得到的毫伏信號(hào)不僅僅是與流速成比例的電動(dòng)勢(shì)，也包含各種各樣的干擾成分在內(nèi)，造成流量計(jì)在使用中出現(xiàn)各種各樣的問題，歸納總結(jié)如下：

2.1測(cè)量信號(hào)數(shù)值不準(zhǔn)、不穩(wěn)、亂跳問題

通過現(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，電磁流量計(jì)工作環(huán)境中存在工頻信號(hào)，這些工頻信號(hào)耦合到激磁回路、電極、前端放大器中形成工頻干擾，而現(xiàn)有產(chǎn)品中信號(hào)處理電路通常采用的低通濾波往往很難將工頻干擾完全濾出，是造成測(cè)量信號(hào)數(shù)值不準(zhǔn)、不穩(wěn)、亂跳的主要原因。

其次，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中存在大量的隨機(jī)干擾，這些干擾信號(hào)混入到測(cè)量信號(hào)中也是造成測(cè)量信號(hào)數(shù)值不準(zhǔn)、不穩(wěn)、亂跳的原因之一。

2.2零點(diǎn)漂移問題

零點(diǎn)漂移，就是當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)為零時(shí)，放大器的輸出并不是零。零點(diǎn)漂移的信號(hào)會(huì)在各級(jí)放大的電路間傳遞，經(jīng)過多級(jí)放大后，在輸出端成為較大的信號(hào)，由于傳感器輸出的有用信號(hào)較弱，零點(diǎn)漂移就可能將有用信號(hào)淹沒，使電路無法正常工作。

通過現(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，由于電磁屏蔽缺陷，接地不良，雜散電容等引起返回電流不平衡產(chǎn)生共模干擾，導(dǎo)致電路某些參考電位變化，是造成流量計(jì)零點(diǎn)漂移的原因之一，

其次，流量計(jì)所處的環(huán)境溫度變化較大，造成電路受溫度影響產(chǎn)生變化，也是造成零點(diǎn)漂移問題的原因之一。

2.3現(xiàn)場(chǎng)顯示死機(jī)、亂碼問題

由于現(xiàn)場(chǎng)中存在大量的用電設(shè)備及控制設(shè)備，在對(duì)設(shè)備啟動(dòng)及控制時(shí)，會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生浪涌沖擊，造成流量計(jì)的供電電壓不穩(wěn)定，直接影響到流量計(jì)的控制電路，造成控制程序失控導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)顯示死機(jī)、亂碼問題。

3、解決方案

3.1測(cè)量信號(hào)數(shù)值不準(zhǔn)、不穩(wěn)、亂跳問題的解決方案

由上文可以看出，造成電磁流量計(jì)測(cè)量信號(hào)數(shù)值不準(zhǔn)、不穩(wěn)、亂跳問題的主要根源為工頻干擾，通過論證采用同步采樣技術(shù)可以有效抑制測(cè)量信號(hào)中的工頻干擾信號(hào)。同步采樣也稱為跟蹤采樣，即為了使采樣頻率fs始終與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的頻率f1保持固定的比例關(guān)系N=fs/f1，其采樣脈寬為工頻周期的整數(shù)倍，使流量信號(hào)電勢(shì)中工頻干擾平均值等于零，以消除工頻干擾的影響；對(duì)于隨機(jī)干擾信號(hào)可以采用數(shù)字濾波程序進(jìn)行處理，針對(duì)不同的干擾信號(hào)可以采用程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、加權(quán)滑動(dòng)平均值濾波等濾波方式可收到很好的效果。

3.2零點(diǎn)漂移問題的解決方案

共模干擾是指信號(hào)輸入通道上共有的干擾電壓。通常輸入通道設(shè)計(jì)中采用的是單端對(duì)地輸入方式，因此造成共模信號(hào)耦合到有用信號(hào)當(dāng)中，造成零點(diǎn)的漂移。通過改變輸入通道輸入方式，把單端對(duì)地輸入方式改為雙端不對(duì)地輸入方式即通常所說的差動(dòng)輸入方式，通過差動(dòng)輸入方式使共模干擾在輸入通道上的干擾電壓得以抵消，使得共模干擾產(chǎn)生零點(diǎn)漂移問題得以解決。

對(duì)于環(huán)境溫度變化造成的零點(diǎn)漂移問題，采用溫度補(bǔ)償技術(shù)使這一問題得到了很好的解決。即在電路中增加了環(huán)境溫度檢測(cè)部分，并把檢測(cè)到的溫度值實(shí)時(shí)傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采到的溫度變化，對(duì)電路中的一些參數(shù)進(jìn)行糾偏，大大減小了環(huán)境溫度變化對(duì)對(duì)電路產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移。

3.3現(xiàn)場(chǎng)顯示死機(jī)、亂碼問題的解決方案

對(duì)于程序失控造成的死機(jī)、亂碼問題，電路中增加了程序運(yùn)行監(jiān)控電路即看門狗，功能是當(dāng)單片機(jī)程序失控時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并是整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，使程序的運(yùn)行重新回到正確的軌道當(dāng)中，避免了死機(jī)、亂碼問題的發(fā)生。

此外產(chǎn)品中還運(yùn)用了掉電保護(hù)技術(shù)，軟件指令冗余措施，軟件陷阱抗干擾技術(shù)，這些措施的采用也有效地保護(hù)了電磁流量計(jì)單片機(jī)程序的失控。

4、結(jié)束語

電磁流量計(jì)在設(shè)計(jì)中采用了多種抗干擾的措施后，其測(cè)量精確度和運(yùn)行可靠性大幅提高，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果。

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