硫酸管道流量計的勵磁幹擾分析與抗幹擾方法

摘要：根據（jù）硫酸管道流量計的測量原理，結（jié）合硫酸管道流量計實際應用中遇到的正交幹擾（rǎo）、微分幹擾、工頻幹擾等問題，分析幹擾（rǎo）產生的原因，提出采用同步采樣技術、采樣時間長度選擇、數字濾波技術等方法，從根本上對這（zhè）些幹擾信號進行抑製和消除，使硫酸管道流量計更適應（yīng）於現場應（yīng）用。
1 低頻交流矩形波勵磁技術中幹擾的分析
1.1 正交幹擾（rǎo）與（yǔ）微分（fèn）幹擾
傳感器就如同一個副邊隻有（yǒu）一匝的變壓器，由被測介質、電*、引出線和轉換器的（de）輸入電路所組成的閉合（hé）回（huí）路組成。當采用正弦交流勵磁時，將產生一個交變的磁場，電*上產生的（de）電勢為E=BmDvsin（ωt）。同時，因為這（zhè）個閉合回路實際（jì）上不能與磁力線（xiàn）完全平行，總會（huì）有一部分磁力線穿過該閉合（hé）回路，從而在回路內（nèi）產生一個幹擾（rǎo）電動勢疊（dié）加在電*上，即硫酸管道流量計變壓器效應原理，其大（dà）小為：et=-dB/dt，對於正弦交流勵磁，B=Bmsin（ωt），則有（yǒu）：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比較流速信（xìn）號（hào）E與幹（gàn）擾信號et，頻率相同，相位相差90°。因此，et為90°幹擾，又稱正交幹擾。對於低頻交流矩形（xíng）波勵磁，則表現在由於勵（lì）磁電流突變而導致微分幹（gàn）擾信號的產生，幹擾信號會隨著電流的穩定而逐（zhú）步消失。
根據以上分析（xī），采用低頻交流矩形波勵磁，電（diàn）*走（zǒu）線偏（piān）離將會產生微分（fèn）幹（gàn）擾以及由其衍生的直流（liú）偏置。如（rú）圖2所（suǒ）示。兩個電*分別通過（guò）引線引到傳感器上部與變送器相連，正麵電（diàn）*走線如圖所示，有標準、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背麵電*是（shì）標準走線。采用恒流（liú）500mA，5Hz交流矩形波勵（lì）磁，相應的電*信號如圖3所（suǒ）示。可以看出，隨著偏離的程（chéng）度（dù）增加（jiā），微分（fèn）幹擾和直流偏置同趨勢（shì）增加。

1.2 工（gōng）頻幹擾
工頻（pín）幹擾是（shì）硫酸（suān）管道流量計常見的幹擾源。當流量（liàng）計（jì）處於電源形成電磁場中時，由（yóu）於分布電（diàn）容的存（cún）在，以電磁波的輻射形式幹擾電*信號，或者是（shì）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（liú）量信號相比，往往要大幾個（gè）數量級，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，被耦合了50Hz的工頻幹擾，幅度大概相當於（yú）1feet/s。
1.3 泥漿幹擾和（hé）流動（dòng）噪聲
泥漿幹擾是在測量泥漿、纖維漿等（děng）固液兩相導電性流體時，固體顆粒或者氣泡擦過電*表（biǎo）麵時，電*表麵的接觸電化學電勢突然（rán）變化（huà），電磁流量傳感器輸出信號出現尖峰脈（mò）衝狀幹擾噪聲（shēng）。流體（tǐ）流動（dòng）噪聲（shēng）是在（zài）測量低導率流體時（shí），電*的電化學電勢定期（qī）波動，產生隨流量增加而（ér）頻率增加的隨機（jī）幹擾噪聲，具有類似泥漿幹（gàn）擾的1/f頻譜（pǔ）特性，因此提高勵磁頻（pín）率有助於降（jiàng）低流（liú）體流動噪（zào）聲的數量級（jí），以提高電（diàn）磁流量傳感器測*低（dī）導電率流體（tǐ）流量的信噪比。
2 抗（kàng）幹擾方法
2.1 同步采樣技術
對於低頻方波勵（lì）磁我們可以采用同步采（cǎi）樣技術進（jìn）行。根據線圈（quān）驅動給出的（de）同步信號，對電*信號在指定時間開始取（qǔ）樣，取指定的時間長（zhǎng）度。例如隻（zhī）取電*信號*後的20％納入流量計算，這樣就有（yǒu）效避免了（le）微分幹擾（rǎo）和建（jiàn）立穩定磁場需要一定時間的問題。
2.2 采樣（yàng）時間長度
采樣時間長度要取工頻周期的（de）整數倍，這樣即使混有（yǒu）工（gōng）頻幹擾信號，因其（qí）采樣時間長度為完整的工頻周期，其（qí）平均值也為零，幹擾不起作用。
2.3 零點偏移與直流偏置（zhì）
零點偏（piān）移是指在流體流速為零時，電*兩端依然有電勢（shì）差。理論上此時應（yīng）該沒有電勢差，但由於電（diàn）子（zǐ）部件的不對稱、傳感器製造不對（duì）稱等原因，造成此電（diàn）勢差，這個值可以放（fàng）在標定過（guò）程（chéng）中去除。直流偏置是（shì）指電*信號整體向上或向下偏移，不以（yǐ）0電平對稱，這是由於（yú）製造過程中（zhōng）線圈（quān）不對稱、電*走（zǒu）線不（bú）標準、共模幹擾、電化學效應等因素造成。直流偏置在采用了低頻交流矩形波勵磁後，不影（yǐng）響流量計的測量。

2.4 數字濾波技術
限幅濾波法，根（gēn）據經驗判斷，確定兩次采樣允許的*大偏差值。每次采樣測到的新值與前一次值作比較，如（rú）果（guǒ）差值小於允許的*大偏差值則有效，否則無效，用前一次值代替。這（zhè）樣就可（kě）以有效過濾現場幹擾、毛（máo）刺、過程流體顆粒撞擊電*引起的過程（chéng）噪聲等幹擾。算（suàn）術平均濾波法，連續取N個采樣值進行（háng）算術平均運算，N值較大時，信號平滑度較（jiào）高，但（dàn）靈敏度（dù）較低；N值較小時，信號平滑度較低，但靈敏度較高。
舉例，如（rú）圖5所示，線圈（quān）采用5Hz驅動時的0feet/s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的電*信號，利用上述方法對信號進行處（chù）理並計算（suàn）流速。取每半波*後的20％納入流速計算（suàn），正半波與負（fù）半波相（xiàng）減即（jí）是流（liú）速。如3.1feet/s–（-2.8feet/s）=5.9feet/s，雖然有＋0.15 feet/s的直流偏置，但（dàn）也不影響流速的（de）計算。因線圈是（shì）5Hz驅動，半波的20％是（shì）20ms，正好是1個完整的工頻周期，這樣就不受工（gōng）頻幹擾的影響。正半波與負半波相減，這樣（yàng）就避免了直流偏置和共模幹擾的影響。再加上在數字濾波過程中使用限（xiàn）幅濾波和算數平均，保證（zhèng）了流量信號的有效提取。

4 接地
由於（yú）在電*上產生的（de）流量信號是μV級，流（liú）量計安裝地（dì）點附（fù）近經常有其（qí）他（tā）電器設備，環境複雜，容易受到附近其他設備的影響，變送器必須（xū）可靠接地；流量（liàng）計經（jīng）常被安（ān）裝在室（shì）外，風吹日曬，溫濕度變化比較大，夏天容（róng）易受到雷電的衝擊（jī），環境惡劣，接地可以減少損（sǔn）壞的風險；為了保證測量的精（jīng）度和穩定性，對於非金屬管道，傳感器的兩端必須采（cǎi）用接地環可靠接地，使進入傳感器的流體（tǐ）保證零電（diàn）位。必須強調，流量計一定（dìng）要單獨接（jiē）地，因為若與其他儀表或電氣裝置共同接（jiē）地，接地線中的漏電流可能對（duì）測量信號將產生串模（mó）幹擾，嚴重（chóng）時流量（liàng）計將無法工作。另外，接地點應遠離大型用電器，避免地（dì）電流串入流量計，造成（chéng）幹擾。
5 結束語
通（tōng）過以上對幹擾的分析，針對不同類型的（de）幹擾，分別采取不同的措施，有效提高信噪比，強調接地的作用，提（tí）高了硫酸管道流量計的抗幹擾能力和穩定性，使其更加適應於工業應用現場。

上一篇：液體電磁流量計無信號輸出的原因分析及檢查（chá）程序與處理方法

下一篇：高壓泥漿流（liú）量（liàng）計的基本原（yuán）理技術特點與使用安裝要求