引言

　 電磁流量計(jì)的測(cè)量過程不受被測(cè)介質(zhì)溫度 、黏度 、密度等因素影響, 具有測(cè)量速度快 、精度高 、測(cè)量口徑寬 、輸出線性度好 ,與被測(cè)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(cè)量 。但是, 電磁流量計(jì)也有其不足,傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小 ,容易受到外界電磁干擾, 如何提高電磁流量計(jì)的電磁兼容性, 使其能在惡劣的電磁環(huán)境正常使用是電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)必須考慮的問題 。文中以橫河公司的ADMAGAE系列電磁流量計(jì)為例, 結(jié)合筆者的工程實(shí)踐, 介紹有關(guān)電磁流量計(jì)的使用并分析其電磁兼容性(EMC)。

 

　 電磁流量計(jì)的工作原理

　 電磁流量計(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(chǎng)中運(yùn)動(dòng), 并且運(yùn)動(dòng)方向垂直于電磁場(chǎng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向垂直于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)和電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向, 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度和磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。當(dāng)導(dǎo)電流體以平均流速 V(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 B(T)的磁場(chǎng), 那么就可產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場(chǎng)方向和流體流動(dòng)方向的電動(dòng)勢(shì) E:

E=DVB　 (V) (1)

容積流量 Q為 :

Q =πD2V/4　 (m3/ s) (2)

將式 (2)代入式 (1)并處理得:

E=(4B/πD)×Q　 (V) (3)

如果 B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(shì) E放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 4 ～ 20 mA的信號(hào)或脈沖信號(hào) , 作為對(duì)應(yīng)的流量信號(hào)輸出 。

 

2、電磁流量計(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系列電磁流量計(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 “d1”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(cè)。

 

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 BT100、BT200等型號(hào) , 簡(jiǎn)稱 BT智能終端, 它們采用 BRAIN協(xié)議 , 將 1個(gè) ±2 mA、2.4 kHz的調(diào)制信號(hào)迭加到 4 ～ 20 mA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(chǎng)調(diào)試或流量計(jì)不具備智能通信功能的情況;

 

二是與 4 ～ 20 mA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,最大距離可達(dá) 2 km,只要保證整個(gè)回路的負(fù)載電阻在 250 ～ 750 Ψ之間 ,就可以可靠地通信 。這種方式操作者不必去現(xiàn)場(chǎng) ,在控制室就可對(duì)流量計(jì)進(jìn)行設(shè)置和在線監(jiān)測(cè) ,是使用最多的一種方式 。 BT智能終端采用菜單式操作 ,可以隨時(shí)顯示和修改電磁流量計(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　 電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定與組態(tài)

電磁流量計(jì)是根據(jù)與流體流速相對(duì)應(yīng)的微小電動(dòng)勢(shì)計(jì)算出體積流量并輸出 4 ～ 20 mA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

　 電磁流量計(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(cè)流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通常很小, 極易受到外界電磁干擾 ,而它本身產(chǎn)生的電磁干擾很小,因此電磁流量計(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)是電磁流量計(jì)干擾噪聲的主要來源;被測(cè)流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量計(jì)干擾噪聲的第二來源 ;電磁流量計(jì)供電電源的電壓和頻率波動(dòng)等電源干擾噪聲是電磁流

量計(jì)干擾噪聲的第三來源。為滿足儀表的 EMC要求, 智能電磁流量計(jì)分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù)[ 1], 以提高電磁流量計(jì)抗干擾能力 。

 

3.1　 工頻干擾噪聲的特點(diǎn)及電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)

工頻干擾噪聲首先是由電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體 、電極 、放大器輸入回路的電磁耦合形成, 其二是電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場(chǎng)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 。

 

電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體 、電極 、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對(duì)電磁流量計(jì)工作影響最大 ,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(chǎng)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(shì) ,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(shì) 90°, 且幅值較流量信號(hào)電勢(shì)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)[ 2]。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 , 電磁流量計(jì)接地不良等原因而產(chǎn)生 ,電磁流量計(jì)采用輸入保護(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系列電磁流量計(jì)配有接地環(huán) , 其作用是通過與液體接觸 ,建立液體接地 ,確保基準(zhǔn)電位與被測(cè)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)及電磁流量計(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)極化電勢(shì)干擾是由于電極感生電動(dòng)勢(shì)在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生 。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場(chǎng)能顯著減弱極化電勢(shì)的數(shù)量級(jí) ,但不能從根本上完全消除極化電勢(shì)干擾 。

(2)泥漿干擾是在測(cè)量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí), 固體顆粒或者氣泡擦過電極表面時(shí) ,電極表面的接觸電化學(xué)電勢(shì)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(cè)量低導(dǎo)率液體 (100μS/cm以下 )流量時(shí), 電極的電化學(xué)電勢(shì)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　 電磁流量計(jì)抗電化學(xué)干擾技術(shù)

電磁流量計(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)生極化效應(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(cè)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(jí) 。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 ,要保證電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性 ,最好采用低頻矩形波勵(lì)磁;為了能較準(zhǔn)確地測(cè)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)磁的方法是最佳方案 。

 

3.2.3　 雙頻矩形波勵(lì)磁工作及抗干擾原理

在電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)形成含有兩個(gè)頻率分量的電磁場(chǎng) :高頻勵(lì)磁分量不受液體干擾的影響,而低頻勵(lì)磁分量則有著極好的零點(diǎn)穩(wěn)定性, 根據(jù)高、低頻定時(shí)檢測(cè)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(cè)量原理如圖 1所示 ,一個(gè)由高低頻分量迭加而成的電磁場(chǎng)通過勵(lì)磁線圈被施加到被測(cè)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(shì)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 。