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    降低電磁流量計的外部電磁干擾及若何進行流量計的電磁兼容性剖析

    發表時間:2018-06-19   點擊次數:654 技術维持:1560-1403-222
    電磁流量計 的工作真理是基于法拉第的電磁感應意思,工業生產中的電力設施和電器設備良多,會對于電磁流量計的電磁感應產生的影響,嚴重的可會影響到電磁流量計的準確測量。根據經驗總結,電磁流量計的干擾源主要來自于工頻電磁干擾、流體電化學干擾噪聲和電源干擾噪聲。如今電磁流量計主要选择低頻或雙頻矩形波勵磁技術、同步采樣技術、輸入保護、接地技術等來降低干擾。實際應用说明,這些技術有較好的抗干擾效果。有效的降低外部環境對于電磁流量計的干擾,對于保證流量計的穩定與精準的測量是一件格外重要的工作。本文就是介紹运用面板及智能終端進行電磁流量計參數設置和組態的主意,以及提高電磁流量計的電磁兼容性技術。

    電磁流量計的測量過程不受被測介質溫度、黏度、密度等因素影響,具有測量速度快、精度高、測量口徑寬、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,因而廣泛應用于造紙廠紙漿、助劑、水等流體的測量。但是,電磁流量計也有其不足,傳感器的輸出感應電動勢很小,容易受到外界電磁干擾,如何提高電磁流量計的電磁兼容性,使其能在惡劣的電磁環境正常使用是電磁流量計設計必須考慮的問題。文中以LD系列電磁流量計為例,結合編者的工程實踐,介紹有關電磁流量計的使用并分析其電磁兼容性(EMC)。

    1電磁流量計的工作原理
    電磁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,而且運動宗旨垂直于電磁場時會產生感應電動勢,所產生的感應電動勢的目标垂直于導體運動和電磁場運動的宗旨,感應電動勢的大小與導體的運動速率比磁場的磁感應強度成。當導電流體以平均流速y「m/s」通過一根內徑為D「m」的管子時,若管子內存在一個磁感應強度為曰「T」的磁場,那么可產生一個垂直于磁場目标和流體流動对象的電動勢E:
    E=DVB(V)(1)
    容積流量Q為:
    Q=,rrD2V/4(m’/s)(2)
    將式「2」代入式「1」并處理得:
    E=(4B/,rrO)×Q(V)(3)
    如果君和D是常數,那么從式(3)可看出,E與Q成正比。電磁流量轉換器把電動勢層放大并轉換成標準的4—20mA的信號或脈沖信號,作為對應的流量信號輸出。

    2電磁流量計的參數設置方法及組態
    流量計的參數設置「組態」有兩種主意,一是运用顯示面板上的按鍵,二是运用手持智能終端。
    2.1使用面板進行參數設定
    ADMAGAE系列電磁流量計面板上常用的符號有:
    「1」RED「紅」工作時不亮,有報警時閃爍;
    「2」定義符定義符用冒號“:”,表示所顯示的數據處于待設定狀態;
    (3)單位顯示顯示流量單位;
    「4」顯示數據顯示流量數據、設定數據和報警的種類;
    「5」小數點表示數據中的小數點;
    「6」設定鍵這些鍵用來改變數據顯示和設定數據的類型。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可顯示一十二種類型的流量數據。進入流量顯示模式用“dl”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
    設定模式用來檢查參數內容和重寫數據。只要按下“SET”鍵,可該模式從的操作模式中調出。
    2.1.3報警顯示模式
    當報警發生時,報警模式會取代當前模式來顯示發生報警的類型,但是這種情況只是發生在當前流量顯示模式或設定模式中參數號被改變時「當正在該部數據項時,不顯示報警」。
    2.2 BT智能終端設定
    具有智能通讯功能的儀表可與智能終端通信。橫河的智能終端有BTl00、BT200等型號,簡稱BT智能終端,它們采取BRAIN協議,1個4-2mA、2.4kHz的調制信號迭加到4~20mA的模擬信號上用作信號傳輸。因为調制信號是交流信號,是以迭加不會影響模擬信號的數值。
    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面的BT端子,這種方式適用于現場調試或流量計不具備智能通讯功能的情況;二是與4—20mA直流信號線連接,BT智能終端可以連接在從控制柜到流量計信號線的任何地方,大距離可達2km,只要保證整個回路的負載電阻在250—750Q之間,可能可靠的通信。這種方式操作者不必去現場,在控制室可對流量計進行設置和在線監測,是利用多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作,不妨顯示和编削電磁流量計的各種參數,其基本的操作有流量計自檢、量程調整、顯示方式設置、報警設置等。
    2.3電磁流量計數據設定與組態
    電磁流量計是根據與流體流速相對應的微小電動勢計算出體積流量并輸出4~20mA的信號。為保證獲得正確的信號,必須設定通徑、流量量程和儀表系數3個參數,這3個參數中,通徑和儀表系數早在儀表出廠前就設定好的,因此用戶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,這種設定只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
    電磁流量計 的工作以電磁感應定律為基礎,產生的正比于被測流量的感應電動勢很小,極易受到外界電磁干擾,而它自己產生的電磁干擾很小,所以電磁流量計的電磁兼容性主要體現在它奈何在惡劣的電磁環境下正常工作。在惡劣的電磁環境下,電磁耦合靜電感應是電磁流量計干擾噪聲的主要來源;被測流體介質特性產生的電化學干擾噪聲是電磁流量計干擾噪聲的二來源;電磁流量計供電電源的電壓、頻率波動等電源干擾噪聲是電磁流量計干擾噪聲的第三來源。為滿足儀表的EMC要求,智能電磁流量計分选拔硬件和軟件抗干擾技術?,以提高電磁流量計抗干擾才能。
    3.1工頻干擾噪聲的特點及電磁流量計抗干擾技術工頻干擾噪聲*先是由電磁流量計勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合形成,其二是電磁流量汁工作現場的工頻共模干擾,其三是供電電源引入的工頻串模干擾等,其產生的物理機理是電磁感應意思。
    電磁流量計勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產生的工頻干擾對電磁流量計工作影響大,并且在区别的勵磁技術下其表現的形態、特性差异,因而选取抗干擾措施也差别。在工頻正弦波勵磁磁場下,此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現阵势為正交干擾,稱為變壓器電勢,特點是干擾噪聲幅值比工頻正弦波勵磁頻率成正,相位滯后流量信號電勢90。,且幅值流量信號電勢大幾個數量級舊’。直流勵磁、低頻矩形波勵磁及雙頻矩形波勵磁技術,可能基本消除正交干擾的影響。
    工頻共模干擾和工頻串模干擾這兩種常見的干擾,主要是由于電磁屏障瑕疵,漫衍電容耦合,電磁流量計接地不良等原由而產生,電磁流量計拔取輸人保護技術、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術以及重復接地技術等提高抗工頻干擾的能力。ADMAGAE系列電磁流量計配有接地環,其作用是通過與液體接觸,成立液體接地,確保基準電位與被測液體,而且保護流量計內襯。

    3.2電化學干擾噪聲的特點及電磁流量計抗干擾技術
    3.2.1電化學干擾噪聲的特點
    「1」電化學極化電勢干擾是因为電極感生電動勢在兩極極性分歧而導致電解質在電極外貌極化產生。雖然选拔負交變勵磁磁場能顯著減弱極化電勢的數量級,但不能從根本上整体排除極化電勢干擾。
    「2」泥漿干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極外表時,電極表面的接觸電化學電勢猝然變化,電磁流量傳感器輸出信號出現尖峰脈沖狀干擾噪聲。
    「3」流體流動噪聲是在測量低導率液體「100IxS/cm以下」流量時,電極的電化學電勢定期波動,產生流量补充而頻率增加的干擾噪聲,具有類似泥漿干擾的1/f頻譜特征。
    3.2.2電磁流量計抗電化學干擾技術
    電磁流量計在提高抗電化學干擾本领方面选拔的步调主要是低頻矩形波勵磁和雙頻勵磁技術。低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「正交干擾」的特點,具有工頻正弦波勵磁基本不產生極化效應,便于放大信號處理,而能避免直流放大器零點漂移、噪聲、穩定性等問題的產生,有較好的抗干擾职能。
    低頻矩形波勵磁雖然具有優良的零點穩定性。但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導電性流體流量時無法征服泥漿干擾和流體噪聲干擾。研究分析表明,泥漿干擾和流動噪聲具有1/f的頻譜特性。低值大,高頻時幅值小,若是采用高頻率的低頻矩形波勵磁則能大大降低泥漿干擾的數量級。于是提高勵磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動噪聲,提高傳感器輸出信號的信噪比。綜上所述,要保證電磁流量計的零點穩定性,好选取低頻矩形波勵磁;為了能準確的測量液固兩相導電性流體和低導電率流體的流量,拔取高頻率的矩形波勵磁。拔取圖一所示的雙頻矩形波勵磁的想法是佳方案。
    3.2.3雙頻矩形波勵磁工作及抗干擾道理在電磁流量計測量管內造成含有兩個頻率分量的電磁場:高頻勵磁分量不受液體干擾的影響,而低頻勵磁分量則有著極好的零點穩定性,根據高、低頻定時檢測到的各分量信號經過計算,可得到流量信號。
    雙頻矩形波勵磁測量意思如圖l所示,一個由凹凸頻分量迭加而成的電磁場通過勵磁線圈被施加被測液體中,勵磁波形是在一個低頻矩形波上迭加一個高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產生的電動勢中,低頻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信號。而由漿液或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制,有著同樣時間常數的流量信號經過一個差分電路以確定流速信號的變化,把這兩種分歧頻率采樣所得的信號結合起來可獲得一個穩定流速信號,該信號不受噪聲干擾,且有較高的零點穩定性。

    電磁流量計
    圖l雙頻矩形波勵磁測量原理圖
    3.3電源干擾噪聲特點及電磁流量計抗干擾技術
    電磁流量計
    圖2基本信號關系
    電磁流量計一般选取工頻交流電源供電,其電源電壓的幅值和頻率的變化會給電磁流量計帶來電源性干擾噪聲。對電源電壓的幅值變化,因选拔多級集成穩壓,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不大。當電源電壓的頻率波動時,雖然其波動范圍有限,但對電磁流量計測量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題,實現對流體流速感應電勢e柚信號的準確測量,需运用以下基本關系:①勵磁周期為工頻周期的整數倍,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阵势下的典型電勢信號形式,按上述關系在一個勵磁周期下,若假設t。、t:點為工頻干擾的等效干擾點,且采樣寬度T=T1=T2,e –ab的基本算式為:,
    電磁流量計
    式(4)從理論上說明電磁流量計的工頻干擾有可克服的途徑,即同步采樣技術,其方法是以同相位(t1=t2)、同寬度采樣(T1=T2=T)為前提的,采樣頻率要選為工頻周期的整數倍。這樣即使混有干擾信號,因其采樣時間為完整的工頻周期,其平均值也為零,干擾電壓不起作用。

    4電磁流量計選型
    4.1電磁流量計選型的一般原則H1
    「1」被測介質是否為導電液體或漿液,由此決定是否選用電磁流量計;
    「2」被測介質的電導率決定電磁流量計的類型—是高電導率是低電導率;
    「3」工藝要求的大、小和常用流量工藝管道的公稱通徑,決定介質的流速是否處在經濟的流速點上,管道是否需要變徑,后確定流量計的口徑;1
    「4」以工藝管道的安置情況,來確定采取一體型是分體型流量計,以及流量計的防護等級等;
    「5」根據被測介質是否易結晶、結疤來選擇電極型式;
    「6」根據被測介質的腐蝕性來選擇電極质料;
    「7」被測介質的腐蝕性.磨損性及溫度來決定选拔何種襯里材料;
    「8」被測介質的高工作壓力決定流量計的公稱壓力;
    「9」工藝管道的絕緣性決定接地環的型式。

    4.2根據電磁流量計勵磁方式的的選型
    (1)直流勵磁型
    這種
    電磁流量計 數量很少,用于測量液態金屬流量,如常溫下的汞和高溫下的液態鈉、鉀等。
    (2)交流工頻勵磁型
    較早期的電磁流量計用50Hz工頻市電勵磁,因为易受電磁干擾、零點漂移等原由,現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,低頻矩形波勵磁方式不能战胜固體擦過電極外表產生的尖峰噪聲,而工頻交流勵磁的儀表不存在這一缺點,所以國內外还有一些電磁流量計拔取交流工頻勵磁方式。
    (3)低頻矩形波勵磁型1.·
    因为低頻矩形波勵磁方式功耗小,零點穩定性好,所以它是而今電磁流量計的主要勵磁方式。其波形有“正一負”二值和“一零一負一零”三值兩種。有的電磁流量計勵磁頻率能够由用戶設定,一般小口徑儀表用較高頻率,大口徑儀表用低頻率。
    (4)雙頻勵磁型
    勵磁電流的波形是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波,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性,因此廣泛用于制漿造紙及污水處理等行業。

    5結束語
    通過上面分析可知,電磁流量計具有測量精度高、速率快、使用方便,測量范圍廣、口徑寬等諸多優點,但同時存在著測量輸出信號易受工頻電磁干擾,流體電化學噪聲及電源頻率變化影響的缺點。区别勵磁方式的電磁流量計具有差别的抗干擾技術和應用范圍。正確了解各種勵磁技術的特點和分歧電磁流量計的技術道理是正確使用電磁流量計的前提。


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