如（rú）何有（yǒu）效提高汙水處理廢水流量計（jì）使用電磁兼容性的研究分析

汙水處理廢水流量計麵世至今，其技術已經成熟，在工業生產現場的許多地方都有著廣泛的應用，由於汙水處（chù）理廢水流量計的測量過程不受被（bèi）測介質溫度、黏度、密度等因素（sù）影響, 具有測量速（sù）度快、精度高、測量口徑寬、輸出線性（xìng）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（yōu）點, 因而廣泛應（yīng）用於造紙廠紙漿、助劑、水等流體的（de）測（cè）量。不過, 汙水處理廢水流量計也有（yǒu）其不足, 傳感器的輸出感應電動勢很小, 容易受到外界電磁幹擾, 而現（xiàn）場情況又都是千差萬別，無法（fǎ）做到每個測量環境都能（néng）夠達到標準要求，因此如何提高汙水處理廢水流量計的電磁兼容性, 使其能在惡劣的電磁（cí）環境（jìng）正常使用是汙水（shuǐ）處理廢水流量計設計必須考慮的問題。文（wén）中以橫河公司的ADMAGAE係列汙水處理廢（fèi）水流量計為例, 結合筆者的工程實踐, 介紹有關汙水處理廢水流量計的使（shǐ）用並分析其電磁兼容性(EMC)。介紹利用（yòng）麵板及（jí）智能終端進（jìn）行汙水處理廢水流量計參數設置和組態的方法, 以（yǐ）及提高汙水（shuǐ）處理廢水流量計的電（diàn）磁兼容性技術。汙水處理廢水流量計的幹擾源主要包括工頻電磁幹擾、流體電化學幹擾噪聲和電源幹擾噪聲。目前汙水處理廢（fèi）水流（liú）量計主要采用低頻（pín）或雙頻矩形波勵磁技術、同步采樣（yàng）技術、輸入保護、接（jiē）地技術等來降低幹擾。實際應用（yòng）表明, 這些技術有較（jiào）好的抗幹擾效果。
1、汙水處理（lǐ）廢水流量計的工作原理
汙水處理廢水流量（liàng）計的工作以電磁感應定律為（wéi）基礎, 即當一個導體在電磁場中運動, 並且運動方向垂直於電磁場時（shí）就會產生感應電動勢, 所產生的感應電動（dòng）勢的方向垂直於導體運動和電磁場運動的方向, 感應電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（bǐ）。當導電流體以平均流速V(m/s)通過一根內徑為（wéi）D(m)的管子時, 若管子內存在一個（gè）磁（cí）感應強度為B(T)的磁（cí）場, 那麽就可產生一個垂直於磁（cí）場方向和流體（tǐ）流動方向的電動勢E:
E = DVB　(V) (1)
容積流量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（guǒ）B和D是常數, 那麽從式(3)可（kě）看出, E與
Q成正比。電磁流量轉換器（qì）把（bǎ）電動（dòng）勢E放大並轉（zhuǎn）換成標（biāo）準的4 ～ 20 mA的信號或脈衝信號, 作為對（duì）應的流量信號輸出。
2、汙水處（chù）理廢水（shuǐ）流量計的參（cān）數設置（zhì）方法及組態
流量計的參數設置(組態)有兩種方法, 一是（shì）利用顯示麵板上的按鍵（jiàn）, 二是利用手（shǒu）持智能終端。
2.1　使（shǐ）用麵板進行（háng）參數設定ADMAGAE係（xì）列（liè）汙水處理廢（fèi）水流量計麵板上常用（yòng）的符號有:
(1)RED(紅)　正常工作時不亮, 有報警時閃爍;
(2)定（dìng）義符（fú）　定義符（fú）用（yòng）冒號“:” , 表示所顯示的數據正處於待設定狀態;
(3)單位顯（xiǎn）示　顯示流量（liàng）單（dān）位;
(4)顯示數據　顯示流量數據、設定數據和報警的種類;
(5)小（xiǎo）數（shù）點　表（biǎo）示數據中的小數點（diǎn）;
(6)設定鍵（jiàn）　這些鍵用來改變數據（jù）顯示和設定數（shù）據的（de）類型（xíng）。數據顯示類型（xíng）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　流量數據顯示模式
流量數據（jù）顯示模式表示的是瞬時流量（liàng）值和累積流量值, ADMAGAE可顯示12種類型的流量數據。進入流量顯示模式用（yòng）“d1”參數來改變顯示項, 詳細設定可參考流量計用戶手冊。
2.1.2　設定模式
設定模（mó）式用來檢查參數內（nèi）容和重寫數據。隻要按下（xià）“SET”鍵, 可將該模式從正常的操作模（mó）式中調出。
2.1.3　報警顯示模式
當報警發生時, 報警模式就（jiù）會取代當前模式來顯示（shì）發生報警（jǐng）的類型（xíng）, 但是這種情況（kuàng）隻（zhī）是發生在當前流量顯示模（mó）式或設定模式中參數號被改變時（shí）(當正在該部數據項時, 不顯示報警)。
2.2　BT智能（néng）終端設定（dìng）
具有智能通信功能的儀表可與智能終端通信。橫河的智能終端（duān）有BT100、BT200 等型號, 簡稱BT智能終端（duān）, 它們采用BRAIN協議, 將1個±2 mA、2.4 kHz的調製信號迭加到4 ～ 20 mA的模擬信號上用（yòng）作信號傳輸。由於調製信號是交流信（xìn）號, 所以迭加不會影響模擬（nǐ）信號的數值。
BT智能終端與流量計的連接有兩種方式:一（yī）是（shì）直接與流量計（jì）端蓋下麵的BT端子相連, 這種方式適用於現場調試或流量計不具備智能通信功能（néng）的情況;二是與4 ～ 20 mA直流（liú）信號線連接, BT智能終端可以連接（jiē）在從控製櫃到流量計信號線的任何位置,*大距離（lí）可達（dá）2 km, 隻要保（bǎo）證整個回路的負載電阻在250 ～ 750 Ψ之間, 就可以可靠地通信。這種方式操作者不必去現場, 在（zài）控製室就可對流量計進行設置和在線監測, 是使用*多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作, 可以**顯示和修（xiū）改汙水處理廢水流量計的各種參數, 其基本的操作有流量計自檢、量（liàng）程調整、顯示方式設置（zhì）、報警設置等。
2.3　汙水處理廢水流量計數據（jù）設定與組態
汙水處理廢水流量計是根據與流體流速相對應的微小電動勢計算（suàn）出體積流量（liàng）並輸（shū）出（chū）4 ～ 20 mA的信號。為保證獲得正確的信號, 必須設定通徑（jìng）、流量量程和儀表係數3個參數, 這3個參數中, 通徑和儀（yí）表係數（shù）早在儀表（biǎo）出（chū）廠前就（jiù）設定好的, 因此用戶（hù）不能設定這兩個參數。用戶也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（yào）求改變量程時才可進行重新設定。
3、電磁兼容性分析
汙水處理廢水流量計的（de）工作以（yǐ）電磁感（gǎn）應（yīng）定律為基礎（chǔ）, 產生的正比於被測流量的感應電動勢通常很小, *易受（shòu）到外界電（diàn）磁幹擾, 而它本身產生的電磁幹擾很小,因（yīn）此汙水處（chù）理（lǐ）廢水流量計的電磁兼容性主要體現在它如（rú）何在惡劣的（de）電磁環境下正常（cháng）工作。在惡劣（liè）的電磁環境下, 電磁耦（ǒu）合靜電感應是汙水（shuǐ）處理廢水流量計幹擾噪聲的主要來（lái）源;被測流體介質特性產生的電化學幹擾噪聲是汙水處理廢水流量計幹擾噪聲的*二（èr）來源;汙水處理廢水流量計供（gòng）電（diàn）電源的電壓和頻率波（bō）動（dòng）等電源幹擾噪聲是（shì）汙水處理廢水流（liú）量計幹擾噪（zào）聲的*三來源。為滿足儀表的EMC要求, 智能汙水處理廢（fèi）水流量計分別（bié）采用硬件和軟件抗幹擾技術 , 以提高汙水處理廢水流量計（jì）抗幹擾能力。
3.1　工頻幹擾噪聲的特點及汙水處理廢水流量計抗幹擾技術
工頻幹擾噪聲*先是由汙（wū）水處理廢水（shuǐ）流量計勵磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電（diàn）磁（cí）耦合形成, 其二（èr）是汙水處（chù）理廢水流量計工（gōng）作現場的工頻共模幹（gàn）擾, 其（qí）三是供電電源（yuán）引入的工頻串模幹擾（rǎo）等, 其產生的物理機理（lǐ）均是電磁感（gǎn）應原理。
汙水處理廢水流量計勵磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電磁耦合產生的工頻幹擾對汙水處（chù）理（lǐ）廢水流量（liàng）計工作影響*大, 而且在不同的勵磁（cí）技術下其表現的形（xíng）態、特性不同, 因而采取抗幹擾措施也不同。在工頻正（zhèng）弦波勵磁磁場下, 此種電磁耦合（hé）工（gōng）頻幹擾噪聲表現形式為正交幹擾（rǎo）, 又稱為變壓器電勢, 特點是幹擾噪聲幅值和工頻正弦波勵磁頻（pín）率成正比, 相位滯後流（liú）量信號電勢90°, 且幅值較流量信號電勢大幾個數（shù）量級。直流勵磁、低頻矩（jǔ）形波勵磁及雙頻矩形波勵磁技術, 可以基本消除正交幹擾（rǎo）的影響。工頻共模幹（gàn）擾和工頻串模幹擾這兩種常見的幹擾, 主要是（shì）由於電磁（cí）屏蔽缺陷, 分布電容（róng）耦合, 汙（wū）水處理廢水流量（liàng）計接地不良等原因而產（chǎn）生, 汙水處理廢水流量計采用輸入保護技術、高輸入（rù）阻抗、高共模抑製（zhì）比自舉（jǔ）前置放大器技術以及重複接地技術等提高抗工頻幹擾的（de）能（néng）力。ADMAGAE係列汙水處理廢水流量計配有接地環, 其作用是（shì）通過與液體接觸, 建立液體接地, 確保基準電位與（yǔ）被測（cè）液體相同, 並且保（bǎo）護流量計內襯（chèn）。
3.2　電化學幹擾噪聲（shēng）的特點及汙水處（chù）理廢水流量計（jì）抗幹擾技術（shù）
3.2.1　電化學幹擾噪聲的特點
(1)電化學*化電勢幹擾是由於電*感生電動（dòng）勢在兩**性不同而導致電（diàn）解質在電*表麵*化產生。雖然采用正（zhèng）負交變勵磁磁場能顯著減弱*化電勢的數（shù）量級, 但不能（néng）從根本上完（wán）全消除*化電勢幹擾。
(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*表麵時, 電*表麵的接觸電化學電勢突然變化, 電磁流量傳（chuán）感器輸出信號出現尖峰脈衝狀幹擾噪聲。
(3)流體流動噪（zào）聲是在測量（liàng）低導率（lǜ）液體(100μS/cm以下)流量時, 電*的電化學電勢定期波動,產生（shēng）隨流量增加而頻率增加的隨機幹擾噪聲, 具有類似泥漿幹擾的1 /f頻譜特性。
3.2.2　汙水處理廢水流量計抗電化學幹擾技術
汙水處理（lǐ）廢水流量計在提（tí）高抗電化學（xué）幹擾能力（lì）方麵采取的措施主（zhǔ）要是低頻矩形波勵（lì）磁和雙頻勵（lì）磁技術。低（dī）頻矩形波勵磁既具有直流勵磁技術不產生渦流效應、變壓器效應(正交幹擾)的特點, 又具有工頻（pín）正弦波勵磁基本不產生*化效應, 便於（yú）放大信號處理,而能避免直流放大器零點漂移、噪聲、穩定（dìng）性等問題的（de）產生, 有較好的抗（kàng）幹擾（rǎo）性能。
低頻矩形波勵磁雖（suī）然具有優良的零點（diǎn）穩定性,但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體（tǐ）顆粒的液固兩相導電性流體流量時無法（fǎ）克服泥漿幹擾和流體噪聲幹擾。研究分析表明, 泥漿幹擾和流動噪聲具有1 /f的頻譜特征。低頻時（shí）幅值大, 高頻時幅值小, 如果采用較（jiào）高頻率的低（dī）頻矩形波（bō）勵磁則能大大（dà）降低泥漿（jiāng）幹擾的數（shù）量級。因此提（tí）高勵磁頻率（lǜ）有助於降低泥漿幹擾和流動噪聲, 提高傳感器輸出信號的信噪比。
綜上所述, 要保（bǎo）證汙水（shuǐ）處理（lǐ）廢水流量計的零點穩定性, *好采用低頻矩（jǔ）形波勵磁;為了能較準確地測（cè）量液固（gù）兩相導電性流體和低導電率流體的流量, 又必須采用較高頻率的矩形波勵磁。采用圖1所示的雙頻矩（jǔ）形波勵磁的方法（fǎ）是*佳方案。
3.2.3　雙頻矩形波勵磁工作及（jí）抗幹擾原理
在汙水處理廢水流量計測量管內形成含有兩個頻率分量的電磁場:高（gāo）頻勵磁分量不受液體幹擾的影響, 而低頻勵磁分量則有著*好的（de）零點穩定性, 根據（jù）高、低頻定時檢測到的（de）各分量信（xìn）號經過計算, 便可得到（dào）流量信號。
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而成的電磁（cí）場通過勵磁線圈被（bèi）施（shī）加到被測液體中, 勵磁波形是在一個（gè）低頻矩形波上迭加一（yī）個高於市電頻率的矩形波（bō）而得到的波形。在產生的電動勢（shì）中, 低頻（pín）分量通過一個大時間常數的積分電路獲得一個零點穩定性好的平穩流量（liàng）信號。而由漿（jiāng）液或低電導率流體產生的低頻噪（zào）聲可被不受噪（zào）聲影響的高頻采樣電路所抑製, 有著（zhe）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（yàng）所得的信號結合起來可獲得一個穩定流速信號, 該（gāi）信（xìn）號不受噪聲（shēng）幹擾, 且有較高的零點穩定性。

圖1雙頻矩形波勵磁（cí）測量原理圖
3.3　電源幹擾噪聲特（tè）點及汙（wū）水處理廢水流量計抗幹擾技術

圖2基本信（xìn）號關係
汙水（shuǐ）處理廢水流量計一般都采用（yòng）工頻交流電源供電, 其（qí）電源電壓的幅值和（hé）頻率的變化都會給汙水處理廢水流量計帶來電源（yuán）性幹（gàn）擾噪聲。對電（diàn）源電壓的幅（fú）值變化, 因采用多級集成穩壓, 一般而言（yán）電源電壓的幅值變化對電磁流量的測量精度影響不大。當電源電壓的頻率波動（dòng）時（shí）, 雖然其波動範圍有限, 但（dàn）對汙水處理廢水流量計測量精度影響較（jiào）大。為（wéi）了解決工頻幹擾問題, 實現對流（liú）體（tǐ）流速感應電勢eab信號的準（zhǔn）確測量, 需利用以下（xià）基本關係:①勵磁周期為工頻周期的整數倍, 即勵磁（cí）頻率為50/nHz(n為偶數);②正（zhèng）負勵磁（cí）下的同相位（wèi）采樣。圖2是對應低（dī）頻矩形波勵磁形（xíng）式下（xià）的（de）典型電勢信號形式, 按上述關係在一個勵磁周期下, 若假設t1 和t2 點為工頻幹擾的等效幹擾點, 且采樣寬度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(4)從理論上說明汙水處理廢水流量計（jì）的工頻幹（gàn）擾有可克（kè）服的途（tú）徑, 即同步（bù）采樣技術, 其（qí）方法是以同相位(t1=t2 )、同寬度采樣(T1 =T2 =T)為前提的, 采樣頻率（lǜ）要選為工頻周期的（de）整數倍。這樣即使混有幹擾信號（hào）, 因其采樣時間為完（wán）整的工頻（pín）周期, 其平均值也為（wéi）零, 幹擾電（diàn）壓不起作用。
4、汙水處理廢水流量計選型
4.1　汙水（shuǐ）處理廢水流量計選型的一（yī）般原則
(1)被測介質是否為導電液體或漿液, 由此決定是否（fǒu）選（xuǎn）用汙水處理廢（fèi）水流量（liàng）計;
(2)被測介質的（de）電導率決定汙水處理廢水（shuǐ）流量計的類型———是高電（diàn）導率還是低（dī）電導率;
(3)工藝要求的（de）*大、*小和常用流（liú）量工藝（yì）管道的公稱通徑, 決定介質的流（liú）速是否處（chù）在較經濟的流速點上, 管道是（shì）否需要變徑, *後確定流量計的口徑;
(4)以工藝管道的（de）布置情況, 來確定采用一體型還（hái）是分體型流量計, 以及（jí）流量計的（de）防護等級等;
(5)根據被測介質是否易結晶、結（jié）疤來選擇電*型式;
(6)根據被測介質的腐蝕性來選擇電*材料;
(7)被測（cè）介質的腐蝕性、磨損性及溫度來決定采用何種襯裏材料;
(8)被測介質的*高工（gōng）作壓力（lì）決（jué）定流量計的公稱壓力;
(9)工藝管道的絕緣性決（jué）定接地環的（de）型式。
4.2　根據（jù）汙水（shuǐ）處理廢水流量計勵磁方式（shì）的的特點選型
(1)直流勵（lì）磁型
這種汙水處（chù）理廢（fèi）水流量計（jì）數量很（hěn）少（shǎo）, 隻用（yòng）於測量液態金屬流量, 如常溫下（xià）的汞和高溫下的液態（tài）鈉（nà）、鉀等（děng）。
(2)交流工頻勵磁型
較早（zǎo）期的汙水處理（lǐ）廢（fèi）水流量計用50 Hz工頻市電勵磁,由於易（yì）受電磁（cí）幹擾（rǎo）和零點漂移等原因, 現已逐漸被低頻矩形勵磁（cí）所（suǒ）代替。但在測量泥漿、礦漿等液固兩相流時, 低頻矩形波勵磁方式不能克服固體擦過電*表麵產生的尖峰噪聲, 而工頻（pín）交流（liú）勵磁的（de）儀表則（zé）不存在這一缺點, 所以國內外尚有一些汙水處理（lǐ）廢（fèi）水流量計仍（réng）采用交流工頻勵磁方式。
(3)低頻矩（jǔ）形波勵磁型（xíng）
由於低頻矩形（xíng）波勵磁（cí）方式功耗小, 零點穩定性好, 所（suǒ）以它是目前汙水處（chù）理廢水流（liú）量計的主要（yào）勵（lì）磁方式。其波形（xíng）有“正-負（fù）”二值和“正-零-負-零”三值兩種。有的汙水處理廢水流量計勵磁（cí）頻率可以由用戶設（shè）定（dìng）, 一般小口徑儀表用較高（gāo）頻率, 大口徑儀表用較低頻率。
(4)雙頻勵（lì）磁型勵磁電（diàn）流的波形是在低頻矩（jǔ）形波上疊加高頻（pín）矩形波（bō）, 主要為克服二值矩形波勵磁存在的漿液噪聲和流動噪聲, 提高儀表的穩定性和響應特（tè）性, 因此廣泛用於製漿（jiāng）造紙及汙水處理等行業。
5、結束語
通過上麵分析可知, 汙水（shuǐ）處理廢水流量計具有測量精度高、速（sù）度快、使用方便, 測量範圍廣、口徑寬等諸多優點, 但同時也（yě）存在著測（cè）量輸出（chū）信（xìn）號易受工頻電磁幹擾, 流（liú）體（tǐ）電化學噪（zào）聲及電源頻率變化影響（xiǎng）的缺點。不同（tóng）勵磁方式的汙水（shuǐ）處理廢水（shuǐ）流量計具有不同的抗幹擾技術（shù）和應用範圍。正確了解各種勵磁技術的特（tè）點和不同汙水處理廢水流量計的（de）技術原理是正確使用汙水處理廢水流量計的前提。

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