電磁流量計干擾分析與對策

根據電磁流量計的測量原理 結合電磁流量計實際應用中遇到的正交干擾、微分干擾、工頻干擾等問題，分析干擾產生的原因，提出采用同步采樣技術、采樣時間長度選擇、數字濾波技術等方法，從根本上對這些干擾信號進行抑制和消除，使電磁流量計更適應于現場應用。

1序言

電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電性液體體積流量的儀表。由于其具有無壓損、可測流量范圍寬、被測液體溫度范圍寬、成本低等特點,已被廣泛應用于水和廢水處理、礦業和冶金、食品和飲料、造紙、電力等工業領域中,用來測量自來水、污水、礦漿、啤酒、果汁、紙漿、泥漿等各種酸、堿、鹽溶液。由于應用場合比較復雜,現場工頻干擾、電磁干擾、流體噪聲有時同時存在,而流體產生的流量信號相對弱、小,所以線圈驅動和電極信號處理成為電磁流量計的關鍵技術。隨著電子技術的發展,電磁流量計的勵磁方式經歷了直流勵磁、交流勵磁、低頻交流矩形波勵磁、雙頻勵磁幾個階段,同時技術性能有了進一步的提高。在現有的電磁流量計中,交流低頻矩形波勵磁已成為主要的勵磁方式。目前,傳感器流速信號電極電壓一般在0.2~0.4mV/m/s范圍之間,往往各種干擾信號與流量信號混在一起,它們不僅成分復雜,而且比流量信號大,尤其在低流速時,很難有效提取流量信號,保證測量的精度和重復性。在這種情況下,怎樣抑制和排除干擾,提高信噪比就成為研制和使用電磁流量計的一個關鍵技術問題。

2測量原理

根據法拉第電磁感應定律，，當導體在磁場中運動且切割磁力線時，在導體兩端便會產生感應電動勢。如圖1所示。

設在均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導磁材料制成，內表面加絕緣襯里。當導電的液體在管道中流動時，導電液體就切割磁力線，因而在和磁場及流動方向垂直的方向上將產生感應電動勢。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，可以證明，只要管道內流速v為軸對稱分布，兩極之間就會產生感應電動勢：

E=BDv

由此可得管道的體積流量為：Q=πD2v/4

綜合上述兩式得：E=4BQ/πD=KQ

式中：K為儀表常數，在管道直徑D已確定并維持磁感應強度B恒定時，K是一個常數。此時感應電動勢與體積量具有線性關系。

3 低頻交流矩形波勵磁

低頻交流矩形波勵磁具有較好的零點穩定性和精度，其結合了直流勵磁和交流勵磁技術的優點，同時避免了它們缺點的一種勵磁技術，被廣泛采用。其在半個周期內，磁場是恒定的直流磁場，它有直流勵磁的特點，受電磁干擾影響很小；從整個周期過程來看，矩形波信號又是一個交變的信號，能克服直流勵磁易產生的極化現象。勵磁頻率通常為工頻的1/4~1/10，如5Hz，6.25Hz，12.5Hz。

高頻交流矩形波勵磁具有較強的抗干擾能力，但零點穩定性和精度要差一些，并且不適用于大口徑，目前一般提供給用戶選擇，當現場噪聲較大測量不穩定時，可以切換至高頻進行驅動，頻率范圍通常為幾十赫茲，如37.5Hz，75Hz。

在線圈參數、口徑確定的情況下，磁場強度正比于線圈的驅動電流；為了得到恒定的磁場，電磁流量計線圈采用恒流驅動方式，驅動電流一般在

100~500mA之間，如125mA、200mA、250mA、500mA等。驅動電流的大小跟線圈設計有關，如果

線圈圈數少一些，則驅動電流大一些；如果線圈圈數多一些，則驅動電流小一些，最終目的是為了達到一定的磁場強度。

4 低頻交流矩形波勵磁技術中干擾的分析

4.1 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、電極、引出線和轉換器的輸入電路所組成的閉合回路組成。當采用正弦交流勵磁時，將產生一個交變的磁場，電極上產生的電勢為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，從而在回路內產生一個干擾電動勢疊加在電極上，即電磁流量計變壓器效應原理，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，則表現在由于勵磁電流突變而導致微分干擾信號的產生，干擾信號會隨著電流的穩定而逐步消失。

根據以上分析，采用低頻交流矩形波勵磁，電極走線偏離將會產生微分干擾以及由其衍生的直流偏置。如圖2所示。

兩個電極分別通過引線引到傳感器上部與變送器相連，正面電極走線如圖所示，有標準、偏1/3、偏

2/3、完全偏離4種，背面電極是標準走線。

采用恒流500mA，5Hz交流矩形波勵磁，相應

直流偏置是指電極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、電極走線不標準、共模干擾、電化學效應等因素造成。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。

數字濾波技術限幅濾波法，根據經驗判斷，確定兩次采樣允

許的最大偏差值。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最大偏差值則有效，否則無效，用前一次值代替。這樣就可以有效過濾現場干擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電極引起的過程噪聲等干擾。

算術平均濾波法，連續取N個采樣值進行算術平均運算，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驅動時的0feet/ s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的電極信號，利用上述方法對信號進行處理并計算流速。取每半波最后的20％納入流速計算，正半波與負半波相減即是流速。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。再加上在數字濾波過程中使用限幅濾波和算數平均，保證了流量信號的有效提取。

6 接地

由于在電極上產生的流量信號是μV級，流量計安裝地點附近經常有其他電器設備，環境復雜，容易受到附近其他設備的影響，變送器必須可靠接地；流量計經常被安裝在室外，風吹日曬，溫濕度變化比較大，夏天容易受到雷電的沖擊，環境惡劣，接地可以減少損壞的風險；為了保證測量的精度和穩定性，對于非金屬管道，傳感器的兩端必須采用接地環可靠接地，使進入傳感器的流體保證零電位。必須強調，流量計一定要單獨接地，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生串模干擾，嚴重時流量計將無法工作。另外，接地點應遠離大型用電器，避免地電流串入流量計，造成干擾。

7 結束語

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，強調接地的作用，提高了電磁流量計的抗干擾能力和穩定性，使其更加適應于工業應用現場。