如何有效（xiào）提高硫酸流（liú）量計（jì）使用電磁兼容性的研究（jiū）分析

硫酸流量計麵世至（zhì）今，其技術已經成熟（shú），在（zài）工業生產現場的許多地方都有著廣泛的應用，由於硫酸流（liú）量計的測量（liàng）過程（chéng）不受被測介質溫度、黏度、密度（dù）等因素影響, 具有測量速度快、精度高（gāo）、測量口徑（jìng）寬、輸出線性度好, 與被測介質不接觸, 耐腐蝕、抗磨損, 流體壓力損失小等優點, 因而廣（guǎng）泛應用於（yú）造紙廠紙（zhǐ）漿、助劑、水等流體的測量。不過, 硫酸流量計也有其不足（zú）, 傳感器的輸出感應電動勢很小, 容易受到外界電磁幹擾（rǎo）, 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，因此如何提高硫酸流（liú）量計的電（diàn）磁兼容性, 使其（qí）能在惡劣的電磁環境正常使用是硫（liú）酸流量計設計必須考（kǎo）慮的問題。文中（zhōng）以橫河公司的ADMAGAE係列硫（liú）酸流量計為例, 結（jié）合（hé）筆者的工程實踐, 介紹有關硫酸流量計的使用並分析其電磁兼容性(EMC)。介紹利用麵板及（jí）智能終端進行硫酸流量計參數設置和組態的方法, 以（yǐ）及提高硫（liú）酸流（liú）量計的電磁兼容性技術。硫酸流量計的幹擾源主要包括工頻電磁幹擾、流體（tǐ）電化學（xué）幹擾噪聲和電源幹擾噪聲。目（mù）前（qián）硫酸流量計主要（yào）采用低頻或（huò）雙頻矩形波勵磁技術、同步采樣技術、輸入保護、接地技術等來降低幹擾（rǎo）。實際應用（yòng）表明, 這些技術有較好的（de）抗幹擾效果。
1、硫（liú）酸流量計的工作原理
硫（liú）酸流量計的工作以電磁感應定律為基礎, 即當一個導體在電磁場中運動（dòng）, 並（bìng）且運動（dòng）方向垂直於（yú）電磁場時就會產（chǎn）生感應電（diàn）動勢, 所產生的感應電動（dòng）勢（shì）的方向垂直於導（dǎo）體運動和電磁場運動的方向, 感應（yīng）電（diàn）動勢的大小與導體的運動速度和磁場的磁感應強度成正比。當導（dǎo）電（diàn）流體（tǐ）以平均流速V(m/s)通過一根（gēn）內徑為D(m)的管子時, 若管子內存在一個磁感應強度為B(T)的（de）磁場（chǎng）, 那麽就可產生一個垂直於磁場方向和流體流動方向的電動勢E:
E = DVB　(V) (1)
容積流量（liàng）Q為:
Q =πD2 V/4　(m3 / s) (2)
將式(2)代入式(1)並處理得:
E=(4B/πD)×Q　(V) (3)
如果B和D是常數, 那（nà）麽從式(3)可看出, E與
Q成正（zhèng）比。電（diàn）磁流量轉換器把電動勢E放大並轉換成標準的4 ～ 20 mA的信號或脈衝信號（hào）, 作為對應的流量信號輸出。

2、硫酸流量計的參數設置方法及組態
流量計的參數設置(組態)有兩種方法, 一是利用顯（xiǎn）示麵板上的按鍵, 二是利用手持智能終端。
2.1　使用麵板進行參數設定ADMAGAE係列硫酸流量計（jì）麵板上常用（yòng）的符（fú）號有（yǒu）:
(1)RED(紅)　正常工（gōng）作時不亮, 有報警時閃爍;
(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　顯示流量單位;
(4)顯示（shì）數據　顯示流（liú）量數據（jù）、設定數據和報警的種（zhǒng）類;
(5)小數點　表（biǎo）示數據中的小數點;
(6)設定鍵　這些鍵用來（lái）改變數據顯示和（hé）設定數據的類型。數據顯示類型共有3 種:流量數據顯示模式、設定模式、報警顯示模式。
2.1.1　流量數（shù）據顯示模式
流量數據顯示模式表示的是瞬時流量值和累積流量值, ADMAGAE可顯示12種類（lèi）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（xì）設定（dìng）可參考流量計用戶手（shǒu）冊。
2.1.2　設（shè）定模式
設定模（mó）式用來檢查參數內容和重（chóng）寫（xiě）數據。隻要按下（xià）“SET”鍵（jiàn）, 可（kě）將該模式（shì）從正常的操作模式中調（diào）出。
2.1.3　報警顯（xiǎn）示模式
當報警發生（shēng）時, 報警模式就會取代當（dāng）前模式（shì）來顯（xiǎn）示發生報警（jǐng）的類型, 但是這種情況（kuàng）隻是（shì）發生在當前流量顯示模式或設定模式中參數號（hào）被（bèi）改變時(當正在該部數據項時, 不顯示報警)。
2.2　BT智（zhì）能終端設定
具有智能通信功能的儀表可與智能終（zhōng）端通（tōng）信。橫河的智能終端有BT100、BT200 等型號（hào）, 簡（jiǎn）稱BT智能終端, 它（tā）們采用BRAIN協議, 將1個±2 mA、2.4 kHz的調（diào）製信號迭加到4 ～ 20 mA的模擬信號上用作信號（hào）傳輸。由（yóu）於調製（zhì）信號是交流信號, 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:一是直接與流量計端蓋下麵的（de）BT端子相連, 這種方式適用於現場調試或流量（liàng）計不具備智能通信功能（néng）的（de）情況;二（èr）是與4 ～ 20 mA直流信號線連接（jiē）, BT智能終（zhōng）端可以連接在從（cóng）控製櫃到流量計信號線的任（rèn）何位置,*大距離可達2 km, 隻（zhī）要保證整個回路的負（fù）載電（diàn）阻在250 ～ 750 Ψ之間（jiān）, 就可以可靠地（dì）通信。這種方式操作者不必去現（xiàn）場, 在（zài）控製室就可對流量計進行設置和在線監測, 是使（shǐ）用*多的（de）一種方式。BT智能終端采用菜單式操作（zuò）, 可以**顯示（shì）和修（xiū）改硫酸流量計的各種參數, 其基本的操作有流量計（jì）自檢（jiǎn）、量程調（diào）整（zhěng）、顯示方式設置、報警設置等。
2.3　硫酸流量計數據設定與組態
硫酸流量計是根據與流體流速相對應的微小電（diàn）動勢計算出體積流量並輸出4 ～ 20 mA的信號。為保證獲得正確的信號, 必須設定通徑、流量量程和（hé）儀表係數3個參數, 這3個參數中, 通徑和（hé）儀表係數早（zǎo）在儀表出廠前就設定好的, 因此用戶不能設定這兩個參數（shù）。用戶也（yě）可以在儀表出廠前將流量量程設定好, 這種設定隻有在用戶要求改變量程時才可進行重新設定。
3、電磁兼容性分析
硫酸流量計的工作以（yǐ）電磁（cí）感應定律為基礎, 產生的正比於被測流量的感應電動勢通常很小, *易受到外界電磁幹擾（rǎo）, 而它（tā）本身產生的電磁幹擾很小,因此硫酸流量計的（de）電磁兼容性主要體現在它如何在惡劣的電磁（cí）環境下正常工作。在惡劣的電磁（cí）環境（jìng）下, 電磁耦合靜電感應是硫酸流量計幹擾噪聲的主要來源;被測流體介質特性產生的（de）電化學幹擾噪聲是硫酸流量計幹擾（rǎo）噪聲的*二來源;硫酸流量計供電電源的電壓和頻率波動等電源幹擾噪聲是硫酸流量計幹擾噪聲的*三來源。為滿足（zú）儀表的EMC要求, 智能硫酸流量計分別采用硬件和軟件抗幹擾技術 , 以提（tí）高硫酸流量計抗幹擾能力。
3.1　工頻幹（gàn）擾噪聲的（de）特點及硫酸流量計抗幹擾技術
工頻幹擾噪聲*先是由硫酸流量計勵磁繞組和流體、電*、放大（dà）器輸入回路的電磁耦合形成, 其二是硫酸流量計工作現場的工頻共模（mó）幹擾, 其三是（shì）供電（diàn）電源引入的工頻串（chuàn）模幹（gàn）擾等, 其產生的物理機理均是電（diàn）磁感應原理。
硫酸流量計勵磁繞組和流體、電*、放大（dà）器輸入（rù）回路的電（diàn）磁耦合產生的工頻幹擾對硫酸流量計工（gōng）作影響*大, 而且在不同的勵磁技術（shù）下（xià）其表現的（de）形（xíng）態、特性不同, 因而采取抗幹擾措施也不同。在（zài）工頻正弦波勵磁磁場下, 此種電磁耦合工頻幹擾噪聲表現形式為（wéi）正交幹擾, 又稱為變壓器電勢, 特點（diǎn）是幹擾噪聲幅（fú）值和工頻正弦波勵磁頻率成正比, 相（xiàng）位滯後（hòu）流量信（xìn）號電（diàn）勢90°, 且幅值較流量信號電勢大幾個數量級。直流勵磁、低頻（pín）矩形波勵（lì）磁及雙頻（pín）矩形波勵磁技（jì）術（shù）, 可（kě）以基本（běn）消除正交幹擾的（de）影（yǐng）響。工頻共模幹擾和（hé）工頻串模幹（gàn）擾這兩種常見的幹擾, 主要是由於電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合（hé）, 硫酸流量計接地不良等原因而產生, 硫酸流量（liàng）計采用輸入保護技術、高輸入阻抗、高（gāo）共模抑製比自舉（jǔ）前置放（fàng）大器技術以及（jí）重複接地技術等提高抗工頻幹擾的能力。ADMAGAE係列硫酸（suān）流量計（jì）配（pèi）有接地環, 其作用是通過與液（yè）體接觸, 建立液體接地, 確保基準電位（wèi）與被測液體相同, 並且保護流量（liàng）計內襯。
3.2　電化學幹擾噪聲的特點及硫酸流量計抗幹擾技術（shù）
3.2.1　電化學幹擾噪聲的特點
(1)電（diàn）化學*化電勢幹擾是由於電*感生（shēng）電動勢在（zài）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顯著減弱*化電勢的數量級（jí）, 但不能從根本（běn）上完全消除*化電勢（shì）幹擾。
(2)泥漿幹擾是在測量液固兩相導電性流體流量時, 固體顆粒或者氣泡擦過電*表（biǎo）麵（miàn）時, 電*表麵的接觸電化學（xué）電勢突（tū）然變化, 電磁流量傳感（gǎn）器（qì）輸出信號出現尖峰脈衝狀幹擾噪聲。
(3)流體流動噪聲是（shì）在測量低導率液體(100μS/cm以下)流量時, 電*的電（diàn）化學電勢定期波動,產（chǎn）生隨流量（liàng）增加而頻率增加的隨機幹擾噪聲, 具有類似泥漿幹擾的（de）1 /f頻譜特性。
3.2.2　硫酸流量計抗電（diàn）化學幹擾技術
硫酸流量計在提高抗電化學幹擾能力方麵采取的措施主要是低頻矩形波（bō）勵磁和雙頻勵（lì）磁技術。低頻矩（jǔ）形波勵磁既具有直流（liú）勵磁技術不產生渦流（liú）效應、變壓器效應(正交幹擾)的特點, 又具有工（gōng）頻正弦波勵磁基（jī）本不產生*化（huà）效應, 便於（yú）放大信（xìn）號處（chù）理,而能避免直流放大器零點漂移、噪聲、穩定性等問題的產（chǎn）生, 有較好的抗幹擾性能。
低頻矩形波勵磁雖（suī）然具有（yǒu）優（yōu）良的零點穩（wěn）定性,但在測量泥漿、紙漿等含纖維（wéi）和固體顆粒的液固兩相導電性（xìng）流體流量時無法克服泥（ní）漿（jiāng）幹擾和流體噪聲幹（gàn）擾。研究分析表明（míng）, 泥漿幹擾和流動噪聲具有1 /f的頻譜特征。低頻時幅值大, 高頻時幅值小, 如果采用（yòng）較高頻率的低（dī）頻矩形波勵磁則能（néng）大大降低泥漿幹（gàn）擾的數量級。因此提高勵磁頻率有助（zhù）於降低泥漿幹擾和流（liú）動噪聲, 提高傳感器輸出信號的信噪比。
綜上所述, 要保證（zhèng）硫酸流量計（jì）的零點（diǎn）穩定性, *好采用低頻矩形波勵（lì）磁;為了能較準確地測量液（yè）固兩相導電性流體和（hé）低導電率流體的流量, 又必須采用較（jiào）高頻率的矩形波勵磁。采用（yòng）圖1所示的雙頻矩形波勵（lì）磁的方法是*佳方案。
3.2.3　雙頻矩形（xíng）波勵磁工作及抗幹擾原理
在硫酸流量計測量管內形成含有（yǒu）兩（liǎng）個（gè）頻率分量的電磁場:高頻勵磁分量不受液體幹擾的影響, 而（ér）低頻勵磁分量則（zé）有著*好（hǎo）的零（líng）點（diǎn）穩定性, 根據高、低頻定時檢測到的各分量信號（hào）經過計（jì）算, 便可得到流量信號（hào）。
雙頻矩形波勵磁測量原理如圖1所示,
一個由高低頻分量迭加（jiā）而成的電磁場通過勵磁線圈被施加到被測液體中, 勵磁波形是在一個低（dī）頻矩形波上迭加（jiā）一個高於（yú）市（shì）電（diàn）頻率的矩形波而得到的波形（xíng）。在產生的電動勢（shì）中, 低頻分量（liàng）通過一（yī）個大時間常數（shù）的積分電（diàn）路獲（huò）得一個零點穩定性好（hǎo）的平穩（wěn）流（liú）量信號（hào）。而由漿液或（huò）低電導率流體產生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所抑製, 有著同樣時間常數的流量信號經過一個差分電路以（yǐ）確定流速信號的變化, 把這兩種不同頻率采樣所（suǒ）得的信號結合起來可獲得一個穩定流（liú）速（sù）信號, 該信號不受噪聲幹擾, 且有較高的零點穩（wěn）定性。

圖1雙頻矩形波勵磁測（cè）量原理圖
3.3　電源幹擾噪聲特點及硫酸流量（liàng）計（jì）抗幹擾技術

圖2基本信號關係
硫酸流量計一般都采用工頻交流電源供電, 其電源（yuán）電壓的幅值和頻率的變化都會給硫酸流量計帶來電源性幹擾噪聲。對電源電壓的幅值變化, 因采用多級集成穩壓, 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。當電源電壓（yā）的頻率波動時, 雖然其（qí）波動範（fàn）圍有限, 但對硫酸流量計測量精度影響較大（dà）。為（wéi）了解決工頻幹擾問題, 實現對流體流速感應電勢eab信號的準確（què）測量, 需利用以（yǐ）下基本關（guān）係:①勵（lì）磁周期為工頻周期（qī）的整數倍, 即勵磁頻率為50/nHz(n為偶數);②正負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, 按上述（shù）關係在一個勵磁周期下, 若假設t1 和t2 點為（wéi）工頻幹擾的等（děng）效幹擾點, 且采樣（yàng）寬度T=T1 =T2 , 則eab的基本算式為:
μ0 (t2)=1
2T ∫t1
+T1 t1
e(t1 )dt-∫t2
+T2 t2
e(t2 )dt=eab (4)
式（shì）(4)從理論上說明硫酸流量計的工頻幹擾有（yǒu）可克服的（de）途徑, 即同步采（cǎi）樣技術, 其方法是以同相（xiàng）位(t1=t2 )、同寬度采樣(T1 =T2 =T)為前提的, 采（cǎi）樣頻率要選為工頻周期的整數倍。這樣（yàng）即使混有幹（gàn）擾信號, 因其采樣時間為完整的工頻周期, 其（qí）平（píng）均值也為零, 幹擾電壓不起作用。
4、硫酸流量計選型（xíng）
4.1　硫酸流量計選（xuǎn）型的（de）一般原則
(1)被（bèi）測介質是否為導電液體（tǐ）或漿液, 由此決定是否（fǒu）選用硫酸流量計;
(2)被測介（jiè）質的電導率決定硫酸流量計（jì）的類型———是高電導率（lǜ）還是低電導率;
(3)工藝（yì）要求的*大、*小和常用流量工藝管道的公稱通徑, 決定介質的流（liú）速是否處在較（jiào）經濟的流速（sù）點上, 管道是（shì）否需要（yào）變徑, *後確定流量計的口（kǒu）徑;
(4)以工藝（yì）管道（dào）的（de）布置情況, 來確定采用一體型還是（shì）分體型流量計（jì）, 以（yǐ）及流量計的防護等級等;
(5)根據被測介質是否易結晶、結（jié）疤（bā）來選擇電*型式;
(6)根據被測介質的（de）腐蝕性來選擇電*材料;
(7)被測介質的腐蝕性、磨損性及溫度（dù）來決定采用何種襯裏材料（liào）;
(8)被測介質的*高工作（zuò）壓力決定流量計的（de）公稱壓力;
(9)工藝管道的絕緣性決定接地（dì）環的型式。
4.2　根據硫酸流（liú）量計勵磁方式（shì）的的特點選型
(1)直流勵磁型
這種硫酸（suān）流量計數（shù）量很少, 隻用於（yú）測量液態金屬流量, 如常溫下的汞和高溫下的液態鈉、鉀（jiǎ）等。
(2)交（jiāo）流工頻（pín）勵（lì）磁（cí）型
較早期的硫酸流量計用（yòng）50 Hz工（gōng）頻市電勵磁,由於（yú）易受電磁幹擾和零點（diǎn）漂（piāo）移等原因, 現已逐漸被低頻矩形勵磁所代替。但在測量泥漿、礦漿等液固兩相流時, 低頻矩形（xíng）波勵磁方式不能克服固體擦過電*表麵產生的尖峰噪（zào）聲, 而工頻（pín）交流勵磁的儀表（biǎo）則不存在這一缺點, 所以國內外尚有一些（xiē）硫酸流量計仍采用交流工（gōng）頻勵磁方式。
(3)低（dī）頻矩形波勵磁型（xíng）
由於（yú）低頻矩形波（bō）勵磁方式功耗小（xiǎo）, 零點穩定性好, 所以它是目前硫酸（suān）流量計的主要勵磁方式。其波形有（yǒu）“正-負”二值和“正-零-負（fù）-零”三值兩種。有的硫酸流量計勵磁頻率可以由用戶設（shè）定, 一般小口徑儀表用較高頻率, 大口徑儀（yí）表用較低頻率。
(4)雙頻勵磁型勵（lì）磁電流的波形是在低（dī）頻矩形波上疊加高頻矩形波, 主要為克服二值矩形波勵磁（cí）存在的漿液噪聲和流（liú）動噪（zào）聲, 提高（gāo）儀表的穩定性和響應（yīng）特性, 因此（cǐ）廣泛用於製漿造紙及汙水處理等行業。
5、結（jié）束語
通過上麵分析可知, 硫酸流量（liàng）計具有測量精度高、速度快、使（shǐ）用方便（biàn）, 測量範圍廣、口徑寬等諸（zhū）多優點, 但（dàn）同時也存在著測量輸出信號易受工頻電磁幹擾, 流體電化學噪聲及電源頻率變化影響的缺點。不同勵磁（cí）方式的硫（liú）酸流（liú）量計具有不同的抗幹擾技術和應用範圍。正確了（le）解各種勵磁技術的特點和不同硫酸流量計的技術原（yuán）理是正確使用硫酸流量計的前提。

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