電磁流量計(jì)的精度提升及其抗干擾技術(shù)

趙芳

摘要：電磁流量計(jì)在我國工業(yè)、制造業(yè)及其他行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，在液體流量測(cè)量方面起到了不可替代的重要作用。由于流量計(jì)測(cè)量的精確程度直接影響到了生產(chǎn)質(zhì)量，測(cè)量誤差可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)過程造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，通過研究電磁流量計(jì)精度的影響因素，分析提升測(cè)量精度的方法和測(cè)量過程中的抗干擾能力具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：電磁流量計(jì)；精度；抗干擾；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH814文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.003

隨著我國科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，電磁流量計(jì)在我國的工業(yè)、技術(shù)檢測(cè)和管理等很多領(lǐng)域得到了廣泛的使用，電磁流量計(jì)具有良好的耐腐蝕性，并具備可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。近年來，各個(gè)領(lǐng)域在不斷探索新技術(shù)的同時(shí)，對(duì)電磁流量計(jì)的精確程度和穩(wěn)定性也提出了更高的要求。能夠影響電磁流量計(jì)精度的因素有很多，但只要明確了主要的干擾因素，就能夠有針對(duì)性地利用軟硬件技術(shù)來降低干擾因素對(duì)測(cè)量精度的影響，有效提升電磁流量計(jì)工作的可靠性。

1基本原理介紹

電磁流量計(jì)是以法拉第電磁感應(yīng)定律為理論基礎(chǔ)而制造的一種流量計(jì)。電磁流量計(jì)在工作時(shí)由磁路系統(tǒng)產(chǎn)生直流或交流磁場(chǎng)，用以提供測(cè)量所需的磁場(chǎng)環(huán)境，當(dāng)被測(cè)液體在導(dǎo)管中通過磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，會(huì)做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)就可以通過電極傳感器將導(dǎo)管內(nèi)的流量轉(zhuǎn)換成為感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將獲取的各種不同的流量信號(hào)進(jìn)行分析、對(duì)比和放大，最終轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸出給積算儀，積算儀通過對(duì)信號(hào)的處理，將測(cè)得的流量在儀表上顯示，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行一定的記錄，其基礎(chǔ)工作流程如圖1所示。

2電磁流量計(jì)精度影響因素分析

電磁流量計(jì)的干擾信號(hào)有很多，這些干擾信號(hào)會(huì)和實(shí)際的流量信號(hào)相混合，產(chǎn)生一種十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理情況。因此，要提高電磁流量計(jì)對(duì)液體的測(cè)量精確度，就必須對(duì)這些干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析與總結(jié)，以便有針對(duì)性地采取抗干擾措施，電磁流量計(jì)的常見影響因素如下。

2.1正交干擾

電磁流量計(jì)的磁路系統(tǒng)包含有兩個(gè)勵(lì)磁線圈，而導(dǎo)管內(nèi)的液體與傳感器電極及轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)組成了一個(gè)閉合的回路，如圖2所示。理論情況下，磁力線（圖中B）應(yīng)與閉合回路相平行，但是由于裝配過程中的誤差，導(dǎo)致磁力線不可能完全平行于這一閉合回路，出現(xiàn)部分磁力線成一定角度穿過回路的現(xiàn)象，這引起了即使沒有液體流動(dòng)的情況下，傳感器的電極上也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，就形成了正交干擾的基本形式。

當(dāng)磁力線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，由于傳感器電極的作用，在磁場(chǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程中，兩個(gè)電極所形成的閉合回路會(huì)產(chǎn)生相反的感應(yīng)電壓，當(dāng)磁場(chǎng)再次發(fā)生變化時(shí)，傳感器的電磁回路又會(huì)再次產(chǎn)生相反的感應(yīng)電壓。由于磁力線圈磁場(chǎng)的變化總是由一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)向另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，再由此狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓲顟B(tài)，因此，所引起的電極反向感應(yīng)電壓也具有相似的特質(zhì)，說明正交干擾的產(chǎn)生只與磁力線圈的磁場(chǎng)變化有關(guān)，與實(shí)際被測(cè)的液體流量無關(guān)。因此，磁力線圈的勵(lì)磁頻率是正交干擾強(qiáng)弱的主要影響因素。

2.2同相干擾

在電磁流量傳感器中，部分主磁通會(huì)在流體內(nèi)部形成正交干擾的閉合渦電流，由于交變電流的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)交變磁場(chǎng)，而引起與之正交相連的二次磁通產(chǎn)生，同時(shí)因二次磁通的影響，又會(huì)引起與二次磁通正交相連的渦電流產(chǎn)生，這就是同向干擾產(chǎn)生的主要原因。

下式是由正交干擾公式經(jīng)過微分得到的同向干擾公式，通過公示可知，同相干擾與流量信號(hào)相位相同，大小與流量無關(guān)，因此很難將同向干擾產(chǎn)生的信號(hào)與流量信號(hào)進(jìn)行分離，只能通過減少磁路系統(tǒng)的勵(lì)磁頻率來降低同向干擾信號(hào)的影響。

er=ω2Bmsinωt=（2πf）2Bmsinωt

式中：er為同相干擾電壓；f為為勵(lì)磁頻率；ω和t為常量。

2.3串模干擾與共模干擾

串模干擾是在單端信號(hào)輸入的同時(shí)，還有多種干擾信號(hào)與其疊加在一起成為前置放大器的輸入信號(hào)。若干擾信號(hào)過大，容易導(dǎo)致放大器飽和而無法正常工作。當(dāng)設(shè)備存在漏磁問題時(shí)，也會(huì)在周圍形成很強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，從而會(huì)引起串模干擾的形成。為了降低串模干擾產(chǎn)生的影響，現(xiàn)階段的流量傳感器通常將“零阻值”的被測(cè)流體作為轉(zhuǎn)換放大器的接地端，而傳感器的兩個(gè)電極作為放大器的輸入端，這就很好的抑制了幅度相等和極性相同的串模干擾。 共模干擾主要是由于靜電干擾引起的，一般情況下，共模干擾不會(huì)直接影響測(cè)量的結(jié)果，但是若轉(zhuǎn)換放大器的輸入?yún)?shù)存在不對(duì)稱問題時(shí)，共模干擾就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇８蓴_來影響最終的測(cè)量結(jié)果，將電解質(zhì)與金屬材料圈和電極進(jìn)行屏蔽能夠有效地降低共模干擾的影響。

2.4直流干擾

在被測(cè)液體與電極和接液部件接觸過程中，電解質(zhì)中的正負(fù)離子會(huì)分別作定向運(yùn)動(dòng)，這會(huì)使被測(cè)液體在電極和接液部件之間形成電位差，通常將這種現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象。如圖3所示，理論上來說，兩電極A和B對(duì)接液部件的電位e1、e2大小相等、方向相反，此時(shí)兩電極的電位差等于零。但是，若兩電極的材質(zhì)或表面狀態(tài)存在差異，此時(shí)A、B電極之間的電位差就不為零，這就形成了極化電壓，極化電壓與共模狀態(tài)的電壓e3一起疊加在流量信號(hào)中，被輸入轉(zhuǎn)換器的差動(dòng)放大器。當(dāng)極化電壓過大，則會(huì)對(duì)差動(dòng)放大器的輸入端造成較大影響，導(dǎo)致信號(hào)無法放大或流量信號(hào)的輸出波動(dòng)過大，從而降低了電磁流量計(jì)的測(cè)量精度。

3電磁流量計(jì)的抗干擾方式

由于電磁流量計(jì)測(cè)量精度的干擾因素很多，且電磁流量計(jì)的工作條件通常也比較惡劣，電磁流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確程度除受到系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)干擾外，還會(huì)不可避免的受到多種環(huán)境因素的影響，電磁流量計(jì)測(cè)量的誤差，會(huì)給生產(chǎn)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提升流量計(jì)的可靠性與測(cè)量精度，減少干擾對(duì)測(cè)量值的影響程度，是電磁流量計(jì)發(fā)展必須要做的工作。

3.1硬件抗干擾技術(shù)

（1）電源端所產(chǎn)生的干擾是電子產(chǎn)品較為常見的精度干擾因素，由于這種干擾無法完全被去除，只能通過減小干擾脈沖的幅度來降低其影響。在實(shí)際工作中常采用在交流進(jìn)線端串接入低通LC濾波器的方式來實(shí)現(xiàn)，這種方法在實(shí)際的工作中產(chǎn)生了顯著地效果。

（2）傳輸電纜所產(chǎn)生的雜散電磁場(chǎng)會(huì)通過感應(yīng)和輻射的方式進(jìn)入信道而產(chǎn)生干擾，利用雙芯屏蔽電纜能夠?qū)崿F(xiàn)較長(zhǎng)線路傳輸?shù)目垢蓴_功能。對(duì)于環(huán)境更為惡劣的情況，為提高抗干擾能力，可采用光電隔離方式將系統(tǒng)控制部分與I/O口部分分開，并采用雙電源供電來降低干擾產(chǎn)生的精度影響。

（3）除了有針對(duì)性的抵抗干擾之外，還可以采取增加硬件的方式提升系統(tǒng)的整體抗干擾能力。例如：選擇和使用抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)；使用硬件看門狗電路；使用電壓檢測(cè)電路；盡可能使用單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。

3.2軟件抗干擾技術(shù)

（1）通過在系統(tǒng)程序的關(guān)鍵位置插入部分單字節(jié)指令或?qū)巫止?jié)指令進(jìn)行重寫，從而達(dá)到恢復(fù)“跑飛”程序的目的，這種方法稱之為指令冗余。指令冗余的主要方法包括以下兩點(diǎn)：一是在雙字節(jié)指令和3字節(jié)指令之后插入兩個(gè)單字節(jié)NOP指令，以保證其后的指令不被拆散。二是對(duì)于程序流向起決定作用的指令和某些對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)有重要作用的指令的后面，可重復(fù)寫上這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。

（2）若“跑飛”程序進(jìn)入非程序區(qū)或者表格區(qū)時(shí)，指令冗余則無法起到抗干擾的目的，此時(shí)可采用設(shè)置軟件陷阱對(duì)“跑飛”程序進(jìn)行攔截，軟件陷阱能將“跑飛”程序引向某一位置，再通過編制的程序?qū)Α芭茱w”程序進(jìn)行恢復(fù)。

（3）某些程序被干擾后容易陷入死循環(huán)模式，通過程序監(jiān)視技術(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行超時(shí)的程序，并采用相應(yīng)的方式使程序復(fù)位，保證程序的正常運(yùn)行。

4結(jié)語

總之，在保證電磁流量計(jì)基本使用功能的前提下，通過對(duì)現(xiàn)階段技術(shù)的影響因素進(jìn)行分析，就能夠有針對(duì)性地降低干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響，從而保證電磁流量計(jì)工作過程的可靠性，避免因測(cè)量不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失和事故發(fā)生。

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