冷熱水流量計(jì)的外部電磁干擾及如何進(jìn)行的電磁兼容性分析

冷熱水流量計(jì)的工作原理是基于法拉*的電磁感應(yīng)原理，工業(yè)生產(chǎn)中的電力設(shè)施和電器設(shè)備又很多，必然會(huì)對于冷熱水流量計(jì)的電磁感應(yīng)產(chǎn)生或多或少的影響，嚴(yán)重的可會(huì)影響到冷熱水流量計(jì)的準(zhǔn)確測量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，冷熱水流量計(jì)的干擾源主要來自于工頻電磁干擾、流體電化學(xué)干擾噪聲和電源干擾噪聲。目前冷熱水流量計(jì)主要采用低頻或雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)、同步采樣技術(shù)、輸入保護(hù)、接地技術(shù)等來降低干擾。實(shí)際應(yīng)用表明，這些技術(shù)有較好的抗干擾效果。有效地降低外部環(huán)境對于冷熱水流量計(jì)的干擾，對于保證流量計(jì)的穩(wěn)定與精準(zhǔn)的測量是一件非常重要的工作。本文就是介紹利用面板及智能終端進(jìn)行冷熱水流量計(jì)參數(shù)設(shè)置和組態(tài)的方法，以及提高冷熱水流量計(jì)的電磁兼容性技術(shù)。
冷熱水流量計(jì)的測量過程不受被測介質(zhì)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(zhì)不接觸，耐腐蝕、抗磨損，流體壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于造紙廠紙漿、助劑、水等流體的測量。但是，冷熱水流量計(jì)也有其不足，傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢很小，容易受到外界電磁干擾，如何提高冷熱水流量計(jì)的電磁兼容性，使其能在惡劣的電磁環(huán)境正常使用是冷熱水流量計(jì)設(shè)計(jì)必須考慮的問題。文中以LD系列冷熱水流量計(jì)為例，結(jié)合編者的工程實(shí)踐，介紹有關(guān)冷熱水流量計(jì)的使用并分析其電磁兼容性(EMC)。
1、冷熱水流量計(jì)的工作原理
冷熱水流量計(jì)的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，即當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體在電磁場中運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)方向垂直于電磁場時(shí)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向垂直于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)和電磁場運(yùn)動(dòng)的方向，感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度和磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。當(dāng)導(dǎo)電流體以平均流速y(m／s)通過一根內(nèi)徑為D(m)的管子時(shí)，若管子內(nèi)存在一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為曰(T)的磁場，那么就可產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場方向和流體流動(dòng)方向的電動(dòng)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(shù)，那么從式(3)可看出，E與Q成正比。電磁流量轉(zhuǎn)換器把電動(dòng)勢層放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4—20mA的信號(hào)或脈沖信號(hào)，作為對應(yīng)的流量信號(hào)輸出。
2、冷熱水流量計(jì)的參數(shù)設(shè)置方法及組態(tài)
流量計(jì)的參數(shù)設(shè)置(組態(tài))有兩種方法，一是利用顯示面板上的按鍵，二是利用手持智能終端。
2.1使用面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)定
ADMAGAE系列冷熱水流量計(jì)面板上常用的符號(hào)有：
(1)RED(紅)正常工作時(shí)不亮，有報(bào)警時(shí)閃爍；
(2)定義符定義符用冒號(hào)“：”，表示所顯示的數(shù)據(jù)正處于待設(shè)定狀態(tài)；
(3)單位顯示顯示流量單位；
(4)顯示數(shù)據(jù)顯示流量數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)和報(bào)警的種類；
(5)小數(shù)點(diǎn)表示數(shù)據(jù)中的小數(shù)點(diǎn)；
(6)設(shè)定鍵這些鍵用來改變數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定數(shù)據(jù)的類型。數(shù)據(jù)顯示類型共有3種：流量數(shù)據(jù)顯示模式、設(shè)定模式、報(bào)警顯示模式。
2.1.1流量數(shù)據(jù)顯示模式，
流量數(shù)據(jù)顯示模式表示的是瞬時(shí)流量值和累積流量值，ADMAGAE可顯示12種類型的流量數(shù)據(jù)。進(jìn)入流量顯示模式用“dl”參數(shù)來改變顯示項(xiàng)，詳細(xì)設(shè)定可參考流量計(jì)用戶手冊。
2.1.2設(shè)定模式
設(shè)定模式用來檢查參數(shù)內(nèi)容和重寫數(shù)據(jù)。只要按下“SET”鍵，可將該模式從正常的操作模式中調(diào)出。
2.1.3報(bào)警顯示模式
當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，報(bào)警模式就會(huì)取代當(dāng)前模式來顯示發(fā)生報(bào)警的類型，但是這種情況只是發(fā)生在當(dāng)前流量顯示模式或設(shè)定模式中參數(shù)號(hào)被改變時(shí)(當(dāng)正在該部數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，不顯示報(bào)警)。
2.2　BT智能終端設(shè)定
具有智能通信功能的儀表可與智能終端通信。橫河的智能終端有BTl00、BT200等型號(hào)，簡稱BT智能終端，它們采用BRAIN協(xié)議，將1個(gè)4-2mA、2.4kHz的調(diào)制信號(hào)迭加到4～20mA的模擬信號(hào)上用作信號(hào)傳輸。由于調(diào)制信號(hào)是交流信號(hào)，所以迭加不會(huì)影響模擬信號(hào)的數(shù)值。
BT智能終端與流量計(jì)的連接有兩種方式：一是直接與流量計(jì)端蓋下面的BT端子相連，這種方式適用于現(xiàn)場調(diào)試或流量計(jì)不具備智能通信功能的情況；二是與4—20mA直流信號(hào)線連接，BT智能終端可以連接在從控制柜到流量計(jì)信號(hào)線的任何位置，*大距離可達(dá)2km，只要保證整個(gè)回路的負(fù)載電阻在250—750Q之間，就可以可靠地通信。這種方式操作者不必去現(xiàn)場，在控制室就可對流量計(jì)進(jìn)行設(shè)置和在線監(jiān)測，是使用*多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作，可以**顯示和修改冷熱水流量計(jì)的各種參數(shù)，其基本的操作有流量計(jì)自檢、量程調(diào)整、顯示方式設(shè)置、報(bào)警設(shè)置等。
2.3冷熱水流量計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定與組態(tài)
冷熱水流量計(jì)是根據(jù)與流體流速相對應(yīng)的微小電動(dòng)勢計(jì)算出體積流量并輸出4～20mA的信號(hào)。為保證獲得正確的信號(hào)，必須設(shè)定通徑、流量量程和儀表系數(shù)3個(gè)參數(shù)，這3個(gè)參數(shù)中，通徑和儀表系數(shù)早在儀表出廠前就設(shè)定好的，因此用戶不能設(shè)定這兩個(gè)參數(shù)。用戶也可以在儀表出廠前將流量量程設(shè)定好，這種設(shè)定只有在用戶要求改變量程時(shí)才可進(jìn)行重新設(shè)定。
3、電磁兼容性分析
冷熱水流量計(jì)的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，產(chǎn)生的正比于被測流量的感應(yīng)電動(dòng)勢通常很小，*易受到外界電磁干擾，而它本身產(chǎn)生的電磁干擾很小，因此冷熱水流量計(jì)的電磁兼容性主要體現(xiàn)在它如何在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作。在惡劣的電磁環(huán)境下，電磁耦合靜電感應(yīng)是冷熱水流量計(jì)干擾噪聲的主要來源；被測流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是冷熱水流量計(jì)干擾噪聲的*二來源；冷熱水流量計(jì)供電電源的電壓和頻率波動(dòng)等電源干擾噪聲是冷熱水流量計(jì)干擾噪聲的*三來源。為滿足儀表的EMC要求，智能冷熱水流量計(jì)分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù)?，以提高冷熱水流量計(jì)抗干擾能力。
3.1工頻干擾噪聲的特點(diǎn)及冷熱水流量計(jì)抗干擾技術(shù)工頻干擾噪聲*先是由冷熱水流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體、電*、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(xiàn)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(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。
冷熱水流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對冷熱水流量計(jì)工作影響*大，而且在不同的勵(lì)磁技術(shù)下其表現(xiàn)的形態(tài)、特性不同，因而采取抗干擾措施也不同。在工頻正弦波勵(lì)磁磁場下，此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為正交干擾，又稱為變壓器電勢，特點(diǎn)是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵(lì)磁頻率成正比，相位滯后流量信號(hào)電勢90。，且幅值較流量信號(hào)電勢大幾個(gè)數(shù)量級舊’。直流勵(lì)磁、低頻矩形波勵(lì)磁及雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)，可以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，主要是由于電磁屏蔽缺陷，分布電容耦合，冷熱水流量計(jì)接地不良等原因而產(chǎn)生，冷熱水流量計(jì)采用輸人保護(hù)技術(shù)、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術(shù)以及重復(fù)接地技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。ADMAGAE系列冷熱水流量計(jì)配有接地環(huán)，其作用是通過與液體接觸，建立液體接地，確?；鶞?zhǔn)電位與被測液體相同，并且保護(hù)流量計(jì)內(nèi)襯。
3.2電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)及冷熱水流量計(jì)抗干擾技術(shù)
3.2.1電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)
(1)電化學(xué)*化電勢干擾是由于電*感生電動(dòng)勢在兩**性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電*表面*化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場能顯著減弱*化電勢的數(shù)量級，但不能從根本上完全消除*化電勢干擾。
(2)泥漿干擾是在測量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)，固體顆?；蛘邭馀莶吝^電*表面時(shí)，電*表面的接觸電化學(xué)電勢突然變化，電磁流量傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。
(3)流體流動(dòng)噪聲是在測量低導(dǎo)率液體(100IxS／cm以下)流量時(shí)，電*的電化學(xué)電勢定期波動(dòng)，產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機(jī)干擾噪聲，具有類似泥漿干擾的1／f頻譜特性。
3.2.2冷熱水流量計(jì)抗電化學(xué)干擾技術(shù)
冷熱水流量計(jì)在提高抗電化學(xué)干擾能力方面采取的措施主要是低頻矩形波勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁技術(shù)。低頻矩形波勵(lì)磁既具有直流勵(lì)磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、變壓器效應(yīng)(正交干擾)的特點(diǎn)，又具有工頻正弦波勵(lì)磁基本不產(chǎn)生*化效應(yīng)，便于放大信號(hào)處理，而能避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問題的產(chǎn)生，有較好的抗干擾性能。
低頻矩形波勵(lì)磁雖然具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)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(dǎo)電性流體流量時(shí)無法克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(dòng)噪聲具有1／f的頻譜特征。低頻時(shí)幅值大，高頻時(shí)幅值小，如果采用較高頻率的低頻矩形波勵(lì)磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級。因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動(dòng)噪聲，提高傳感器輸出信號(hào)的信噪比。綜上所述，要保證冷熱水流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性，*好采用低頻矩形波勵(lì)磁；為了能較準(zhǔn)確地測量液固兩相導(dǎo)電性流體和低導(dǎo)電率流體的流量，又必須采用較高頻率的矩形波勵(lì)磁。采用圖1所示的雙頻矩形波勵(lì)磁的方法是*佳方案。
3.2.3雙頻矩形波勵(lì)磁工作及抗干擾原理在冷熱水流量計(jì)測量管內(nèi)形成含有兩個(gè)頻率分量的電磁場：高頻勵(lì)磁分量不受液體干擾的影響，而低頻勵(lì)磁分量則有著*好的零點(diǎn)穩(wěn)定性，根據(jù)高、低頻定時(shí)檢測到的各分量信號(hào)經(jīng)過計(jì)算，便可得到流量信號(hào)。
雙頻矩形波勵(lì)磁測量原理如圖l所示，一個(gè)由高低頻分量迭加而成的電磁場通過勵(lì)磁線圈被施加到被測液體中，勵(lì)磁波形是在一個(gè)低頻矩形波上迭加一個(gè)高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產(chǎn)生的電動(dòng)勢中，低頻分量通過一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的積分電路獲得一個(gè)零點(diǎn)穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號(hào)。而由漿液或低電導(dǎo)率流體產(chǎn)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(shí)間常數(shù)的流量信號(hào)經(jīng)過一個(gè)差分電路以確定流速信號(hào)的變化，把這兩種不同頻率采樣所得的信號(hào)結(jié)合起來可獲得一個(gè)穩(wěn)定流速信號(hào)，該信號(hào)不受噪聲干擾，且有較高的零點(diǎn)穩(wěn)定性。

3.3電源干擾噪聲特點(diǎn)及冷熱水流量計(jì)抗干擾技術(shù)

冷熱水流量計(jì)一般都采用工頻交流電源供電，其電源電壓的幅值和頻率的變化都會(huì)給冷熱水流量計(jì)帶來電源性干擾噪聲。對電源電壓的幅值變化，因采用多級集成穩(wěn)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(dāng)電源電壓的頻率波動(dòng)時(shí)，雖然其波動(dòng)范圍有限，但對冷熱水流量計(jì)測量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題，實(shí)現(xiàn)對流體流速感應(yīng)電勢e柚信號(hào)的準(zhǔn)確測量，需利用以下基本關(guān)系：①勵(lì)磁周期為工頻周期的整數(shù)倍，即勵(lì)磁頻率為50／nHz(n為偶數(shù))；②正負(fù)勵(lì)磁下的同相位采樣。圖2是對應(yīng)低頻矩形波勵(lì)磁形式下的典型電勢信號(hào)形式，按上述關(guān)系在一個(gè)勵(lì)磁周期下，若假設(shè)t。和t：點(diǎn)為工頻干擾的等效干擾點(diǎn)，且采樣寬度T=T1=T2，則e –ab的基本算式為：，

式(4)從理論上說明冷熱水流量計(jì)的工頻干擾有可克服的途徑，即同步采樣技術(shù)，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(shù)倍。這樣即使混有干擾信號(hào)，因其采樣時(shí)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、冷熱水流量計(jì)選型
4.1冷熱水流量計(jì)選型的一般原則H1
(1)被測介質(zhì)是否為導(dǎo)電液體或漿液，由此決定是否選用冷熱水流量計(jì)；
(2)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率決定冷熱水流量計(jì)的類型——是高電導(dǎo)率還是低電導(dǎo)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(zhì)的流速是否處在較經(jīng)濟(jì)的流速點(diǎn)上，管道是否需要變徑，*后確定流量計(jì)的口徑；1
(4)以工藝管道的布置情況，來確定采用一體型還是分體型流量計(jì)，以及流量計(jì)的防護(hù)等級等；
(5)根據(jù)被測介質(zhì)是否易結(jié)晶、結(jié)疤來選擇電*型式；
(6)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性來選擇電*材料；
(7)被測介質(zhì)的腐蝕性.磨損性及溫度來決定采用何種襯里材料；
(8)被測介質(zhì)的*高工作壓力決定流量計(jì)的公稱壓力；
(9)工藝管道的絕緣性決定接地環(huán)的型式。
4.2根據(jù)冷熱水流量計(jì)勵(lì)磁方式的的特點(diǎn)選型
(1)直流勵(lì)磁型
這種冷熱水流量計(jì)數(shù)量很少，只用于測量液態(tài)金屬流量，如常溫下的汞和高溫下的液態(tài)鈉、鉀等。
(2)交流工頻勵(lì)磁型
較早期的冷熱水流量計(jì)用50Hz工頻市電勵(lì)磁，由于易受電磁干擾和零點(diǎn)漂移等原因，現(xiàn)已逐漸被低頻矩形勵(lì)磁所代替。但在測量泥漿、礦漿等液固兩相流時(shí)，低頻矩形波勵(lì)磁方式不能克服固體擦過電*表面產(chǎn)生的尖峰噪聲，而工頻交流勵(lì)磁的儀表則不存在這一缺點(diǎn)，所以國內(nèi)外尚有一些冷熱水流量計(jì)仍采用交流工頻勵(lì)磁方式。
(3)低頻矩形波勵(lì)磁型1.·
由于低頻矩形波勵(lì)磁方式功耗小，零點(diǎn)穩(wěn)定性好，所以它是目前冷熱水流量計(jì)的主要?jiǎng)?lì)磁方式。其波形有“正一負(fù)”二值和“正一零一負(fù)一零”三值兩種。有的冷熱水流量計(jì)勵(lì)磁頻率可以由用戶設(shè)定，一般小口徑儀表用較高頻率，大口徑儀表用較低頻率。
(4)雙頻勵(lì)磁型
勵(lì)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(lì)磁存在的漿液噪聲和流動(dòng)噪聲，提高儀表的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性，因此廣泛用于制漿造紙及污水處理等行業(yè)。
5、結(jié)束語
通過上面分析可知，冷熱水流量計(jì)具有測量精度高、速度快、使用方便，測量范圍廣、口徑寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著測量輸出信號(hào)易受工頻電磁干擾，流體電化學(xué)噪聲及電源頻率變化影響的缺點(diǎn)。不同勵(lì)磁方式的冷熱水流量計(jì)具有不同的抗干擾技術(shù)和應(yīng)用范圍。正確了解各種勵(lì)磁技術(shù)的特點(diǎn)和不同冷熱水流量計(jì)的技術(shù)原理是正確使用冷熱水流量計(jì)的前提。

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