影響電磁流量計(jì)精度的因素產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策分析

上海自動(dòng)化儀表有限公司電磁流量計(jì)中流量信號(hào)和干擾信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)且相互存在，因此在進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中需要將干擾信號(hào)排除才能提取到更為準(zhǔn)確的流量信號(hào)，以進(jìn)行精度更高的電磁流量計(jì)算。

經(jīng)過(guò)大量反復(fù)的試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，電磁流量計(jì)在工作過(guò)程中會(huì)受到來(lái)自多方的干擾，主要有三種:（1）流動(dòng)電化學(xué)所產(chǎn)生的干擾噪聲；（2）電磁耦合過(guò)程中所產(chǎn)生的靜電感應(yīng)；（3）電源所產(chǎn)生的干擾噪聲[41]。各種干擾成分充斥在流量信號(hào)的邊邊角角，因此傳感器測(cè)出的電壓信號(hào)中包含了較多的噪聲，此部分噪聲的電壓信號(hào)可以表示為下述式子 2.6：

一、各種干擾產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策分析

1.正交干擾

可以觀察到兩個(gè)電極、勵(lì)磁線圈、轉(zhuǎn)換器內(nèi)阻之間形成了一個(gè)閉合回路，將此回路稱之為初級(jí)繞組，從理論上進(jìn)行分析，磁力線 B 應(yīng)當(dāng)平行于勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)線，但在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中由于工藝差異，因此無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生磁力線穿過(guò)勵(lì)磁線圈磁感應(yīng)線的情況，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將此部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為變壓器效應(yīng)。電流經(jīng)過(guò)勵(lì)磁線圈時(shí)其穩(wěn)態(tài)會(huì)發(fā)生階段性的改變，電磁感應(yīng)充斥在電磁流量計(jì)工作的所有流程中，因此流經(jīng)勵(lì)磁線圈的電流穩(wěn)態(tài)在轉(zhuǎn)變時(shí)需要經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。

2.同相干擾

電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以通過(guò)電磁感應(yīng)進(jìn)行及時(shí)轉(zhuǎn)換。流體在磁場(chǎng)中流動(dòng)時(shí)將會(huì)不斷切割磁感應(yīng)線，此時(shí)便會(huì)形成閉合的正交干擾渦電流，除此之外還會(huì)形成二次磁通，此時(shí)二次磁通在流體內(nèi)部又會(huì)形成另一個(gè)閉合的正交干擾渦電流。

3.串模干擾

上世紀(jì)六十年代之前，電磁流量計(jì)中的傳感器通常使用單端信號(hào)的傳輸方式，采用兩個(gè)測(cè)量電極進(jìn)行信號(hào)的傳輸，從一個(gè)電極傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電極，此種傳輸方式在進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)將多種干擾信號(hào)進(jìn)行疊加后傳輸，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一種是多種信號(hào)進(jìn)行疊加導(dǎo)致前置放大器的工作進(jìn)行飽和狀態(tài)而無(wú)法正常過(guò)程，另一種情況是在進(jìn)行信號(hào)提取的過(guò)程中需要更多的時(shí)間進(jìn)行干擾排除。

當(dāng)代電磁流量計(jì)中傳感器更換了信號(hào)傳輸方式，利用差動(dòng)方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，將被測(cè)流體作為一個(gè)信號(hào)傳輸端，而將兩個(gè)電極作為另一個(gè)信號(hào)傳輸端，此種傳輸方式能夠有效的抑制電磁回路中所產(chǎn)生的串模干擾情況。

4.共模干擾

所謂的共模干擾主要是由于轉(zhuǎn)換器前端的放大器上同時(shí)出現(xiàn)同樣的干擾所造成。共模干擾在正常情況下對(duì)測(cè)量結(jié)果不會(huì)造成明顯的影響，但若是出現(xiàn)轉(zhuǎn)換器前端放大器中的參數(shù)不對(duì)等情況時(shí)，則會(huì)由共模干擾轉(zhuǎn)變成為串模干擾，此時(shí)將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大的影響。

引起共模干擾最主要的原因是靜電干擾，因此可以通過(guò)屏蔽靜電干擾的方式來(lái)有效的降低共模干擾對(duì)電磁傳感器造成的影響。

5.直流干擾

直流干擾主要來(lái)源于電磁流量計(jì)工作時(shí)出現(xiàn)的電化學(xué)噪聲。當(dāng)電解質(zhì)和接液部件一旦接觸，電解質(zhì)中的正負(fù)離子將會(huì)即刻出現(xiàn)定向運(yùn)動(dòng)，即使沒有通電，電解質(zhì)中的正負(fù)離子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)定向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在電解液中會(huì)形成一個(gè)明顯的電位差，出現(xiàn)的此種現(xiàn)象被稱為極化現(xiàn)象。

二、勵(lì)磁技術(shù)對(duì)精度的影響

勵(lì)磁電流的工作過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為了能更好的對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行計(jì)算，需要選擇更合適的勵(lì)磁方式[35]。 勵(lì)磁技術(shù)經(jīng)過(guò)了一個(gè)漫長(zhǎng)的歷程，其中如直流勵(lì)磁、低頻矩形波勵(lì)磁、雙頻矩形波勵(lì)磁等。

1.直流勵(lì)磁

直流勵(lì)磁的產(chǎn)生主要來(lái)源于直流電流勵(lì)磁產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場(chǎng)和永磁體產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)。展示了直流勵(lì)磁波的波形圖，可以直接觀察到此種勵(lì)磁方式較為穩(wěn)定，受到的干擾較小。

在現(xiàn)實(shí)的工作過(guò)程中直流勵(lì)磁方式中包含了較多的干擾信號(hào)，較為常見的有三種形式。很好種是由于直流信號(hào)促使測(cè)量管內(nèi)流體極化，從而疊加干擾的極化電壓信號(hào)。第二種是極化電壓容易受到溫度的影響導(dǎo)致其跟隨變化。第三種是需要利用到更大的直流放大器，此放大器進(jìn)行信號(hào)放大的過(guò)程將會(huì)更加困難。

2.交流勵(lì)磁

交流勵(lì)磁主要是在交流電流中所產(chǎn)生的勵(lì)磁方式，通常會(huì)在 60Hz 正弦波電流作用下產(chǎn)生。上圖 2.8 中展示了交流勵(lì)磁的形圖，此種勵(lì)磁方式最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效的降低電流對(duì)電極所帶來(lái)的計(jì)劃作用。除此之外還能利用交流勵(lì)磁感應(yīng)更大的電動(dòng)勢(shì)，能夠有效提高磁感應(yīng)強(qiáng)度。還有就是能夠?qū)⑿盘?hào)直接放大，不需要再設(shè)置前端放大器。

由于交流勵(lì)磁的種種優(yōu)勢(shì)促使其在上世紀(jì)二十年代到五十年代風(fēng)靡世界，但在交流勵(lì)磁的工作方式中也出現(xiàn)了較多明顯的缺點(diǎn)，其中如交流勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生明顯的正交和同相干擾、產(chǎn)生磁滯損失和渦流損失等等。在針對(duì)漿液和脈動(dòng)流的檢測(cè)中，使用交流勵(lì)磁仍能起到更可快速、便捷的檢測(cè)方式。

3.低頻矩形波勵(lì)磁

低頻矩形波勵(lì)磁方式能夠彌補(bǔ)交流勵(lì)磁所帶來(lái)的缺陷，因此從上世紀(jì)七十年起成為新的測(cè)量方式風(fēng)靡全球。低頻矩形波立此方式能夠有效減弱電磁感應(yīng)產(chǎn)生的干擾，同時(shí)也不容易出現(xiàn)極化現(xiàn)象。上圖 2.9 中展示了低頻矩形波的波形圖，從圖中可以直觀的觀察到dφ/ dt 發(fā)生極有規(guī)律，能夠保證在一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)使得流量信號(hào)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，同時(shí)圖中的波形穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，因此保證能夠具有穩(wěn)定的信號(hào)采樣過(guò)程。 值得重視的是若是使用其進(jìn)行漿液性流體測(cè)量時(shí)，流體會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，從而形成新的干擾，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果會(huì)造成一定的影響。

小結(jié)

重點(diǎn)研究了影響電磁流量計(jì)精度的因素，并分析了各種干擾因素的產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)策，其中包括正交、串模干擾等；除此之外還分析了不同勵(lì)磁技術(shù)對(duì)電磁流量計(jì)檢測(cè)精度的影響，重點(diǎn)介紹了直流、交流、低頻矩形波三種勵(lì)磁技術(shù)；上海自動(dòng)化儀表有限公司基于這些影響電磁流量計(jì)精度的因素，針對(duì)性提出了抗干擾措施，其中，硬件方面包括電源設(shè)計(jì)、傳輸線路、隔離技術(shù)、接地技術(shù)、電路設(shè)計(jì)以及 PCB 印刷技術(shù)中的抗干擾措施；軟件方面包括數(shù)字濾波、CPU 抗干擾、程序監(jiān)控系統(tǒng)、故障自診斷技術(shù)等。