電磁管道流量計的勵磁干擾分析與抗干擾方法
點(diǎn)擊次數(shù):2164 發(fā)布時間:2021-01-01 12:09:44
摘要:根據(jù)電磁管道流量計的測量原理,結(jié)合電磁管道流量計實際應(yīng)用中遇到的正交干擾、微分干擾、工頻干擾等問題,分析干擾產(chǎn)生的原因,提出采用同步采樣技術(shù)、采樣時間長度選擇、數(shù)字濾波技術(shù)等方法,從根本上對這些干擾信號進(jìn)行抑制和消除,使電磁管道流量計更適應(yīng)于現(xiàn)場應(yīng)用。
1 低頻交流矩形波勵磁技術(shù)中干擾的分析
1.1 正交干擾與微分干擾
傳感器就如同一個副邊只有一匝的變壓器,由被測介質(zhì)、電*、引出線和轉(zhuǎn)換器的輸入電路所組成的閉合回路組成。當(dāng)采用正弦交流勵磁時,將產(chǎn)生一個交變的磁場,電*上產(chǎn)生的電勢為E=BmDvsin(ωt)。同時,因為這個閉合回路實際上不能與磁力線完全平行,總會有一部分磁力線穿過該閉合回路,從而在回路內(nèi)產(chǎn)生一個干擾電動勢疊加在電*上,即電磁管道流量計變壓器效應(yīng)原理,其大小為:et=-dB/dt,對于正弦交流勵磁,B=Bmsin(ωt),則有:et=-Bmωcos(ωt)=-Bmωsin(ωt+90°)
比較流速信號E與干擾信號et,頻率相同,相位相差90°。因此,et為90°干擾,又稱正交干擾。對于低頻交流矩形波勵磁,則表現(xiàn)在由于勵磁電流突變而導(dǎo)致微分干擾信號的產(chǎn)生,干擾信號會隨著電流的穩(wěn)定而逐步消失。
根據(jù)以上分析,采用低頻交流矩形波勵磁,電*走線偏離將會產(chǎn)生微分干擾以及由其衍生的直流偏置。如圖2所示。兩個電*分別通過引線引到傳感器上部與變送器相連,正面電*走線如圖所示,有標(biāo)準(zhǔn)、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種,背面電*是標(biāo)準(zhǔn)走線。采用恒流500mA,5Hz交流矩形波勵磁,相應(yīng)的電*信號如圖3所示??梢钥闯觯S著偏離的程度增加,微分干擾和直流偏置同趨勢增加。
1.2 工頻干擾
工頻干擾是電磁管道流量計常見的干擾源。當(dāng)流量計處于電源形成電磁場中時,由于分布電容的存在,以電磁波的輻射形式干擾電*信號,或者是由供電電源引入的工頻串?dāng)_,工作現(xiàn)場的工頻共模干擾,其產(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。幅度與流量信號相比,往往要大幾個數(shù)量級,頻率與供電電源頻率相同。如圖4所示,線圈驅(qū)動頻率為5Hz的電*信號,被耦合了50Hz的工頻干擾,幅度大概相當(dāng)于1feet/s。
1.3 泥漿干擾和流動噪聲
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相導(dǎo)電性流體時,固體顆?;蛘邭馀莶吝^電*表面時,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出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。流體流動噪聲是在測量低導(dǎo)率流體時,電*的電化學(xué)電勢定期波動,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,因此提高勵磁頻率有助于降低流體流動噪聲的數(shù)量級,以提高電磁流量傳感器測*低導(dǎo)電率流體流量的信噪比。
2 抗干擾方法
2.1 同步采樣技術(shù)
對于低頻方波勵磁我們可以采用同步采樣技術(shù)進(jìn)行。根據(jù)線圈驅(qū)動給出的同步信號,對電*信號在指定時間開始取樣,取指定的時間長度。例如只取電*信號*后的20%納入流量計算,這樣就有效避免了微分干擾和建立穩(wěn)定磁場需要一定時間的問題。
2.2 采樣時間長度
采樣時間長度要取工頻周期的整數(shù)倍,這樣即使混有工頻干擾信號,因其采樣時間長度為完整的工頻周期,其平均值也為零,干擾不起作用。
2.3 零點(diǎn)偏移與直流偏置
零點(diǎn)偏移是指在流體流速為零時,電*兩端依然有電勢差。理論上此時應(yīng)該沒有電勢差,但由于電子部件的不對稱、傳感器制造不對稱等原因,造成此電勢差,這個值可以放在標(biāo)定過程中去除。直流偏置是指電*信號整體向上或向下偏移,不以0電平對稱,這是由于制造過程中線圈不對稱、電*走線不標(biāo)準(zhǔn)、共模干擾、電化學(xué)效應(yīng)等因素造成。直流偏置在采用了低頻交流矩形波勵磁后,不影響流量計的測量。
2.4 數(shù)字濾波技術(shù)
限幅濾波法,根據(jù)經(jīng)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,如果差值小于允許的*大偏差值則有效,否則無效,用前一次值代替。這樣就可以有效過濾現(xiàn)場干擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電*引起的過程噪聲等干擾。算術(shù)平均濾波法,連續(xù)取N個采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算,N值較大時,信號平滑度較高,但靈敏度較低;N值較小時,信號平滑度較低,但靈敏度較高。
舉例,如圖5所示,線圈采用5Hz驅(qū)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(jìn)行處理并計算流速。取每半波*后的20%納入流速計算,正半波與負(fù)半波相減即是流速。如3.1feet/s–(-2.8feet/s)=5.9feet/s,雖然有+0.15 feet/s的直流偏置,但也不影響流速的計算。因線圈是5Hz驅(qū)動,半波的20%是20ms,正好是1個完整的工頻周期,這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負(fù)半波相減,這樣就避免了直流偏置和共模干擾的影響。再加上在數(shù)字濾波過程中使用限幅濾波和算數(shù)平均,保證了流量信號的有效提取。
4 接地
由于在電*上產(chǎn)生的流量信號是μV級,流量計安裝地點(diǎn)附近經(jīng)常有其他電器設(shè)備,環(huán)境復(fù)雜,容易受到附近其他設(shè)備的影響,變送器必須可靠接地;流量計經(jīng)常被安裝在室外,風(fēng)吹日曬,溫濕度變化比較大,夏天容易受到雷電的沖擊,環(huán)境惡劣,接地可以減少損壞的風(fēng)險;為了保證測量的精度和穩(wěn)定性,對于非金屬管道,傳感器的兩端必須采用接地環(huán)可靠接地,使進(jìn)入傳感器的流體保證零電位。必須強(qiáng)調(diào),流量計一定要單獨(dú)接地,因為若與其他儀表或電氣裝置共同接地,接地線中的漏電流可能對測量信號將產(chǎn)生串模干擾,嚴(yán)重時流量計將無法工作。另外,接地點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大型用電器,避免地電流串入流量計,造成干擾。
5 結(jié)束語
通過以上對干擾的分析,針對不同類型的干擾,分別采取不同的措施,有效提高信噪比,強(qiáng)調(diào)接地的作用,提高了電磁管道流量計的抗干擾能力和穩(wěn)定性,使其更加適應(yīng)于工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場。
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1 低頻交流矩形波勵磁技術(shù)中干擾的分析
1.1 正交干擾與微分干擾
傳感器就如同一個副邊只有一匝的變壓器,由被測介質(zhì)、電*、引出線和轉(zhuǎn)換器的輸入電路所組成的閉合回路組成。當(dāng)采用正弦交流勵磁時,將產(chǎn)生一個交變的磁場,電*上產(chǎn)生的電勢為E=BmDvsin(ωt)。同時,因為這個閉合回路實際上不能與磁力線完全平行,總會有一部分磁力線穿過該閉合回路,從而在回路內(nèi)產(chǎn)生一個干擾電動勢疊加在電*上,即電磁管道流量計變壓器效應(yīng)原理,其大小為:et=-dB/dt,對于正弦交流勵磁,B=Bmsin(ωt),則有:et=-Bmωcos(ωt)=-Bmωsin(ωt+90°)
比較流速信號E與干擾信號et,頻率相同,相位相差90°。因此,et為90°干擾,又稱正交干擾。對于低頻交流矩形波勵磁,則表現(xiàn)在由于勵磁電流突變而導(dǎo)致微分干擾信號的產(chǎn)生,干擾信號會隨著電流的穩(wěn)定而逐步消失。
根據(jù)以上分析,采用低頻交流矩形波勵磁,電*走線偏離將會產(chǎn)生微分干擾以及由其衍生的直流偏置。如圖2所示。兩個電*分別通過引線引到傳感器上部與變送器相連,正面電*走線如圖所示,有標(biāo)準(zhǔn)、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種,背面電*是標(biāo)準(zhǔn)走線。采用恒流500mA,5Hz交流矩形波勵磁,相應(yīng)的電*信號如圖3所示??梢钥闯觯S著偏離的程度增加,微分干擾和直流偏置同趨勢增加。
1.2 工頻干擾
工頻干擾是電磁管道流量計常見的干擾源。當(dāng)流量計處于電源形成電磁場中時,由于分布電容的存在,以電磁波的輻射形式干擾電*信號,或者是由供電電源引入的工頻串?dāng)_,工作現(xiàn)場的工頻共模干擾,其產(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。幅度與流量信號相比,往往要大幾個數(shù)量級,頻率與供電電源頻率相同。如圖4所示,線圈驅(qū)動頻率為5Hz的電*信號,被耦合了50Hz的工頻干擾,幅度大概相當(dāng)于1feet/s。
1.3 泥漿干擾和流動噪聲
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相導(dǎo)電性流體時,固體顆?;蛘邭馀莶吝^電*表面時,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出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。流體流動噪聲是在測量低導(dǎo)率流體時,電*的電化學(xué)電勢定期波動,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,因此提高勵磁頻率有助于降低流體流動噪聲的數(shù)量級,以提高電磁流量傳感器測*低導(dǎo)電率流體流量的信噪比。
2 抗干擾方法
2.1 同步采樣技術(shù)
對于低頻方波勵磁我們可以采用同步采樣技術(shù)進(jìn)行。根據(jù)線圈驅(qū)動給出的同步信號,對電*信號在指定時間開始取樣,取指定的時間長度。例如只取電*信號*后的20%納入流量計算,這樣就有效避免了微分干擾和建立穩(wěn)定磁場需要一定時間的問題。
2.2 采樣時間長度
采樣時間長度要取工頻周期的整數(shù)倍,這樣即使混有工頻干擾信號,因其采樣時間長度為完整的工頻周期,其平均值也為零,干擾不起作用。
2.3 零點(diǎn)偏移與直流偏置
零點(diǎn)偏移是指在流體流速為零時,電*兩端依然有電勢差。理論上此時應(yīng)該沒有電勢差,但由于電子部件的不對稱、傳感器制造不對稱等原因,造成此電勢差,這個值可以放在標(biāo)定過程中去除。直流偏置是指電*信號整體向上或向下偏移,不以0電平對稱,這是由于制造過程中線圈不對稱、電*走線不標(biāo)準(zhǔn)、共模干擾、電化學(xué)效應(yīng)等因素造成。直流偏置在采用了低頻交流矩形波勵磁后,不影響流量計的測量。
2.4 數(shù)字濾波技術(shù)
限幅濾波法,根據(jù)經(jīng)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,如果差值小于允許的*大偏差值則有效,否則無效,用前一次值代替。這樣就可以有效過濾現(xiàn)場干擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電*引起的過程噪聲等干擾。算術(shù)平均濾波法,連續(xù)取N個采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算,N值較大時,信號平滑度較高,但靈敏度較低;N值較小時,信號平滑度較低,但靈敏度較高。
舉例,如圖5所示,線圈采用5Hz驅(qū)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(jìn)行處理并計算流速。取每半波*后的20%納入流速計算,正半波與負(fù)半波相減即是流速。如3.1feet/s–(-2.8feet/s)=5.9feet/s,雖然有+0.15 feet/s的直流偏置,但也不影響流速的計算。因線圈是5Hz驅(qū)動,半波的20%是20ms,正好是1個完整的工頻周期,這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負(fù)半波相減,這樣就避免了直流偏置和共模干擾的影響。再加上在數(shù)字濾波過程中使用限幅濾波和算數(shù)平均,保證了流量信號的有效提取。
4 接地
由于在電*上產(chǎn)生的流量信號是μV級,流量計安裝地點(diǎn)附近經(jīng)常有其他電器設(shè)備,環(huán)境復(fù)雜,容易受到附近其他設(shè)備的影響,變送器必須可靠接地;流量計經(jīng)常被安裝在室外,風(fēng)吹日曬,溫濕度變化比較大,夏天容易受到雷電的沖擊,環(huán)境惡劣,接地可以減少損壞的風(fēng)險;為了保證測量的精度和穩(wěn)定性,對于非金屬管道,傳感器的兩端必須采用接地環(huán)可靠接地,使進(jìn)入傳感器的流體保證零電位。必須強(qiáng)調(diào),流量計一定要單獨(dú)接地,因為若與其他儀表或電氣裝置共同接地,接地線中的漏電流可能對測量信號將產(chǎn)生串模干擾,嚴(yán)重時流量計將無法工作。另外,接地點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大型用電器,避免地電流串入流量計,造成干擾。
5 結(jié)束語
通過以上對干擾的分析,針對不同類型的干擾,分別采取不同的措施,有效提高信噪比,強(qiáng)調(diào)接地的作用,提高了電磁管道流量計的抗干擾能力和穩(wěn)定性,使其更加適應(yīng)于工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場。
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