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电磁流量计

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影响电磁流量计精度的因素

来源:编辑:发表时间:2020-04-17 10:01:22

        电磁流量计中流量信号和干扰信号同时出现且相互存在,因此在进行检测的过程中需要将干扰信号排除才能提取到更为准确的流量信号,以进行精度更高的电磁流量计算。

 
        经过大量反复的试验后发现,电磁流量计在工作过程中会受到来自多方的干扰,影响电磁流量计精度的因素主要有三种:(1)流动电化学所产生的干扰噪声;(2)电磁耦合过程中所产生的静电感应;(3)电源所产生的干扰噪声[41]。:各种干扰成分充斥在流量信号的边边角角,因此传感器测出的电压信号中包含了较多的噪声,此部分噪声的电压信号可以表示为下述式子 2.6:
噪声的电压 信号表达公式
2.3.1   各种干扰产生机理及对策分析 
        1.正交干扰
变压器效应示意图
 
        从上图 2.5 中可以观察到两个电极、励磁线圈、转换器内阻之间形成了一个闭合回路,将此回路称之为初级绕组,从理论上进行分析,磁力线 B 应当平行于励磁线圈所产生的磁感应线,但在实际的应用过程中由于工艺差异,因此无法达到理想状态,会产生磁力线穿过励磁线圈磁感应线的情况,此时将会产生相应的感应电动势,将此部分感应电动势称为变压器效应。此效应同样满足于楞次定律,利用楞次定律进行计算可得如下电动势: 
 

楞次定律

 
        从(2.3)中可以观察到正交干扰信号与流量信号相比,之间相差了 90°。电流经过励磁线圈时其稳态会发生阶段性的改变,电磁感应充斥在电磁流量计工作的所有流程中,因此流经励磁线圈的电流稳态在转变时需要经过一个较长的过程。电流磁场稳态的改变与励磁电流改变的方向息息相关,两电极形成的回路则会产生相应的感应电压we 。随后当磁场方向再次发生转变时,两电极所产生的感应电压方向也会产生相应的变化,此时所产生的感应电压与上一次产生感应电压的方向相反,两个电压在循环往复的过程中进行碰撞,因此此时电极形成回路中所产生的微分干扰电压视为零。 
 
        从式子(2.3)中可以了解到正交干扰电压 we与励磁频率之间呈现出一定的线性关系。观察二者之间的线性关系又可以了解到利用低频励磁方式能够帮助减小磁场中的正交干扰。而在磁场中还有磁场本身所产生的涡电流效应也会导致出现正交干扰。 
 
2.同相干扰 
        电场和磁场可以通过电磁感应进行及时转换。流体在磁场中流动时将会不断切割磁感应线,此时便会形成闭合的正交干扰涡电流,除此之外还会形成二次磁通,此时二次磁通在流体内部又会形成另一个闭合的正交干扰涡电流。将此种情况称为同相干扰电压Te 。
公式2.9
        由式(2.4)了解到将正交干扰进行再次微分即可得到同相干扰 ,式中同相干扰与流量信号的相位相同,且与励磁频率的平方形成正比,此时无法将其从流量信号中进行分离,只能是利用低频励磁的方式将产生的同相干扰降低。为了能更好的降低电磁工作过程中所产生的干扰,需要将传感器的电极、励磁线圈的形状、性能参数等等都进行平衡,屏蔽互相所产生的干扰信号。 
 
3.串模干扰 
        上世纪六十年代之前,电磁流量计中的传感器通常使用单端信号的传输方式,采用两个测量电极进行信号的传输,从一个电极传输到另一个电极,此种传输方式在进行信号传输的过程中会将多种干扰信号进行叠加后传输,此时会出现两种情况,一种是多种信号进行叠加导致前置放大器的工作进行饱和状态而无法正常过程,另一种情况是在进行信号提取的过程中需要更多的时间进行干扰排除。 
 
        当代电磁流量计中传感器更换了信号传输方式,利用差动方式进行信号传输,将被测流体作为一个信号传输端,而将两个电极作为另一个信号传输端,此种传输方式能够有效的抑制电磁回路中所产生的串模干扰情况。 
 
        所谓的串模干扰主要是由于电磁流量传感器周围的磁场设备所引起,当传感器在工作的过程中,周围一旦存在较大的磁场设备便会出现漏磁现象,由于另一个磁感应线的运动,第二个磁场应运而生,而此磁场与传感器回路中的磁感应线相互切割会产生相应的电流,从而形成感应电动势,此过程被称为串模干扰。造成串模干扰的另一个原因是印刷电路板的兼容性不够大,此时会造成信号质量的下降。解除串模干扰的方式多种多样,其中可以在前置放大器前再放置一个低通滤波器进行高频电势的抑制。也可以对电磁流量计进行静电屏蔽来降低串模干扰。 在转换器的双端通过电流时也会形成一个完整的闭合回路,此时亦会产生串模干扰。
 
        通常而言,回路中所产生的串模干扰和供电的电源频率保持一致,根据此现象,可以利用将采样时间设置为供电电源周期的整数倍,以保证串模干扰的平均值为零,对串模干扰起到良好的抑制作用。 
 
4.共模干扰 
        所谓的共模干扰主要是由于转换器前端的放大器上同时出现同样的干扰所造成。共模干扰在正常情况下对测量结果不会造成明显的影响,但若是出现转换器前端放大器中的参数不对等情况时,则会由共模干扰转变成为串模干扰,此时将会对测量结果造成较大的影响。 
 
        引起共模干扰**主要的原因是静电干扰,因此可以通过屏蔽静电干扰的方式来有效的降低共模干扰对电磁传感器造成的影响。 
 
5.直流干扰 
        直流干扰主要来源于电磁流量计工作时出现的电化学噪声。当电解质和接液部件一旦接触,电解质中的正负离子将会即刻出现定向运动,即使没有通电,电解质中的正负离子会产生一个定向运动,此时在电解液中会形成一个明显的电位差,出现的此种现象被称为极化现象。可从图 2.6 中进行观察,两个电极若是产生了大小相等,方向相反的电位e1=e 2时,两个电极之间的电位差可视为零;当两个电极之间的电位呈现出e1 ≠e2 的关系时则表示两个电位之间存在一个明显的电位差,产生的电位差之间则会出现相应的电流从而形成极化电压。此电压与共模电压3e 将会共同被转换器前的放大器摄取,此时极有可能会出现放大器无法工作的情况,此种情况主要是由于极化电压过大所导致,当极化电压较大时将会把放大器的输入端堵塞,此时放大器无法正常工作。为了能有效的避免发生此种情况需要控制降低在电磁场中所产生的极化电压。 
极化电压与接地点
        流动噪声主要出现在低电导率流体的检测中,由输出端输出的直流极化电压时常出现左右摆动的现象,而此种摆动的电压被称为流动噪声。上式(2.5)中可以观察了解到流体电导率和流动噪声呈现出负相关关系,由此可以了解到在进行低电导率的计算中需要重点考虑位移电流。 
低电导率的计算公式
        极化现象还有外电场频率变化所导致,此种情况主要是由于当电场频率变化时,转向极化未能完全同步所导致。 
 
2.3.2   励磁技术对精度的影响 
        励磁电流的工作过程中将会产生对应的磁场,此时便会产生相应的感应电动势,为了能更好的对电磁流量计进行计算,需要选择更合适的励磁方式[。 
 
        励磁技术经过了一个漫长的历程,其中如直流励磁、低频矩形波励磁、双频矩形波励磁等。
 
1.直流励磁 
        直流励磁的产生主要来源于直流电流励磁产生的稳定磁场和永磁体产生的恒定磁场。下图 2.7 中展示了直流励磁波的波形图,从图中可以直接观察到此种励磁方式较为稳定,受到的干扰较小。
直流励磁
        在现实的工作过程中直流励磁方式中包含了较多的干扰信号,较为常见的有三种形式。很好种是由于直流信号促使测量管内流体极化,从而叠加干扰的极化电压信号。第二种是极化电压容易受到温度的影响导致其跟随变化。第三种是需要利用到更大的直流放大器,此放大器进行信号放大的过程将会更加困难。 
 
2.交流励磁
交流励磁
        交流励磁主要是在交流电流中所产生的励磁方式,通常会在 60Hz 正弦波电流作用下产生。上图 2.8 中展示了交流励磁的波形图,此种励磁方式**大的优点是能够有效的降低电流对电极所带来的计划作用。除此之外还能利用交流励磁感应更大的电动势,能够有效提高磁感应强度。还有就是能够将信号直接放大,不需要再设置前端放大器。 
 
        由于交流励磁的种种优势促使其在上世纪二十年代到五十年代风靡世界,但在交流励磁的工作方式中也出现了较多明显的缺点,其中如交流励磁会产生明显的正交和同相干扰、产生磁滞损失和涡流损失等等。 
 
        在针对浆液和脉动流的检测中,使用交流励磁仍能起到更可快速、便捷的检测方式。 
 
3.低频矩形波励磁 
低频矩形波励磁
        低频矩形波励磁方式能够弥补交流励磁所带来的缺陷,因此从上世纪七十年起成为新的测量方式风靡全球。 
 
        低频矩形波立此方式能够有效减弱电磁感应产生的干扰,同时也不容易出现极化现象。上图 2.9 中展示了低频矩形波的波形图,从图中可以直观的观察到dφ/ dt 发生极有规律,能够保证在一定的转换时间内使得流量信号达到平稳状态,同时图中的波形稳定时间较长,因此保证能够具有稳定的信号采样过程。 
 
        值得重视的是若是使用其进行浆液性流体测量时,流体会产生一定的噪声,从而形成新的干扰,对于检测结果会造成一定的影响。
 
总结
        本内容针对国内外研究电磁流量计的历程进行了回顾,简单先容了电磁流量计工作的基本原理,分析了其基本结构,包括传感器和转化器,然后重点研究了影响电磁流量计精度的因素,并分析了各种干扰因素的产生机理及其对策,其中包括正交、串模干扰等;除此之外还分析了不同励磁技术对电磁流量计检测精度的影响,重点先容了直流、交流、低频矩形波三种励磁技术;**后,基于这些影响电磁流量计精度的因素,针对性提出了抗干扰措施,其中,硬件方面包括电源设计、传输线路、隔离技术、接地技术、电路设计以及 PCB 印刷技术中的抗干扰措施;App方面包括数字滤波、CPU 抗干扰、程序监控系统、故障自诊断技术等。 
 
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