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影響高壓電磁流量計精度的因素

發布時間:2020-12-22 ??點擊次數:

高壓電磁流量計中流量信號和干擾信號同時出現且相互存在,因此在進行檢測的過程中需要將干擾信號排除才能提取到更為準確的流量信號,以進行精度更高的高壓電磁流量計算。
經過大量反復的試驗后發現,高壓電磁流量計在工作過程中會受到來自多方的干擾,影響高壓電磁流量計精度的因素主要有三種:
(1)流動電化學所產生的干擾噪聲;
(2)電磁耦合過程中所產生的靜電感應;
(3)電源所產生的干擾噪聲。
各種干擾成分充斥在流量信號的邊邊角角,因此傳感器測出的電壓信號中包含了較多的噪聲,此部分噪聲的電壓信號可以表示為下述式:

2.3.1 各種干擾產生機理及對策分析
1.正交干擾

從上圖 2.5 中可以觀察到兩個電極、勵磁線圈、轉換器內阻之間形成了一個閉合回路,將此回路稱之為初級繞組,從理論上進行分析,磁力線 B 應當平行于勵磁線圈所產生的磁感應線,但在實際的應用過程中由于工藝差異,因此無法達到理想狀態,會產生磁力線穿過勵磁線圈磁感應線的情況,此時將會產生相應的感應電動勢,將此部分感應電動勢稱為變壓器效應。此效應同樣滿足于楞次定律,利用楞次定律進行計算可得如下電動勢:

從(2.3)中可以觀察到正交干擾信號與流量信號相比,之間相差了 90°。電流經過勵磁線圈時其穩態會發生階段性的改變,電磁感應充斥在高壓電磁流量計工作的所有流程中,因此流經勵磁線圈的電流穩態在轉變時需要經過一個較長的過程。電流磁場穩態的改變與勵磁電流改變的方向息息相關,兩電極形成的回路則會產生相應的感應電壓。隨后當磁場方向再次發生轉變時,兩電極所產生的感應電壓方向也會產生相應的變化,此時所產生的感應電壓與上一次產生感應電壓的方向相反,兩個電壓在循環往復的過程中進行碰撞,因此此時電極形成回路中所產生的微分干擾電壓視為零。
從式中可以了解到正交干擾電壓與勵磁頻率之間呈現出一定的線性關系。觀察二者之間的線性關系又可以了解到利用低頻勵磁方式能夠幫助減小磁場中的正交干擾。而在磁場中還有磁場本身所產生的渦電流效應也會導致出現正交干擾。
2.同相干擾
電場和磁場可以通過電磁感應進行及時轉換。流體在磁場中流動時將會不斷切割磁感應線,此時便會形成閉合的正交干擾渦電流,除此之外還會形成二次磁通,此時二次磁通在流體內部又會形成另一個閉合的正交干擾渦電流。將此種情況稱為同相干擾電壓Te 。

由式(2.4)了解到將正交干擾進行再次微分即可得到同相干擾 ,式中同相干擾與流量信號的相位相同,且與勵磁頻率的平方形成正比,此時無法將其從流量信號中進行分離,只能是利用低頻勵磁的方式將產生的同相干擾降低。為了能更好的降低電磁工作過程中所產生的干擾,需要將傳感器的電極、勵磁線圈的形狀、性能參數等等都進行平衡,屏蔽互相所產生的干擾信號。
3.串模干擾
上世紀六十年代之前,高壓電磁流量計中的傳感器通常使用單端信號的傳輸方式,采用兩個測量電極進行信號的傳輸,從一個電極傳輸到另一個電極,此種傳輸方式在進行信號傳輸的過程中會將多種干擾信號進行疊加后傳輸,此時會出現兩種情況,一種是多種信號進行疊加導致前置放大器的工作進行飽和狀態而無法正常過程,另一種情況是在進行信號提取的過程中需要更多的時間進行干擾排除。
當代高壓電磁流量計中傳感器更換了信號傳輸方式,利用差動方式進行信號傳輸,將被測流體作為一個信號傳輸端,而將兩個電極作為另一個信號傳輸端,此種傳輸方式能夠有效的抑制電磁回路中所產生的串模干擾情況。
所謂的串模干擾主要是由于電磁流量傳感器周圍的磁場設備所引起,當傳感器在工作的過程中,周圍一旦存在較大的磁場設備便會出現漏磁現象,由于另一個磁感應線的運動,第二個磁場應運而生,而此磁場與傳感器回路中的磁感應線相互切割會產生相應的電流,從而形成感應電動勢,此過程被稱為串模干擾。造成串模干擾的另一個原因是印刷電路板的兼容性不夠大,此時會造成信號質量的下降。解除串模干擾的方式多種多樣,其中可以在前置放大器前再放置一個低通濾波器進行高頻電勢的抑制。也可以對高壓電磁流量計進行靜電屏蔽來降低串模干擾。 在轉換器的雙端通過電流時也會形成一個完整的閉合回路,此時亦會產生串模干擾。
通常而言,回路中所產生的串模干擾和供電的電源頻率保持一致,根據此現象,可以利用將采樣時間設置為供電電源周期的整數倍,以保證串模干擾的平均值為零,對串模干擾起到良好的抑制作用。
4.共模干擾
所謂的共模干擾主要是由于轉換器前端的放大器上同時出現同樣的干擾所造成。共模干擾在正常情況下對測量結果不會造成明顯的影響,但若是出現轉換器前端放大器中的參數不對等情況時,則會由共模干擾轉變成為串模干擾,此時將會對測量結果造成較大的影響。
引起共模干擾最主要的原因是靜電干擾,因此可以通過屏蔽靜電干擾的方式來有效的降低共模干擾對電磁傳感器造成的影響。
5.直流干擾
直流干擾主要來源于高壓電磁流量計工作時出現的電化學噪聲。當電解質和接液部件一旦接觸,電解質中的正負離子將會即刻出現定向運動,即使沒有通電,電解質中的正負離子會產生一個定向運動,此時在電解液中會形成一個明顯的電位差,出現的此種現象被稱為極化現象??蓮膱D 2.6 中進行觀察,兩個電極若是產生了大小相等,方向相反的電位e1=e 2時,兩個電極之間的電位差可視為零;當兩個電極之間的電位呈現出e1 ≠e2 的關系時則表示兩個電位之間存在一個明顯的電位差,產生的電位差之間則會出現相應的電流從而形成極化電壓。此電壓與共模電壓3e 將會共同被轉換器前的放大器攝取,此時極有可能會出現放大器無法工作的情況,此種情況主要是由于極化電壓過大所導致,當極化電壓較大時將會把放大器的輸入端堵塞,此時放大器無法正常工作。為了能有效的避免發生此種情況需要控制降低在電磁場中所產生的極化電壓。

流動噪聲主要出現在低電導率流體的檢測中,由輸出端輸出的直流極化電壓時常出現左右擺動的現象,而此種擺動的電壓被稱為流動噪聲。上式(2.5)中可以觀察了解到流體電導率和流動噪聲呈現出負相關關系,由此可以了解到在進行低電導率的計算中需要重點考慮位移電流。

極化現象還有外電場頻率變化所導致,此種情況主要是由于當電場頻率變化時,轉向極化未能完全同步所導致。
2.3.2 勵磁技術對精度的影響
勵磁電流的工作過程中將會產生對應的磁場,此時便會產生相應的感應電動勢,為了能更好的對高壓電磁流量計進行計算,需要選擇更合適的勵磁方式。
勵磁技術經過了一個漫長的歷程,其中如直流勵磁、低頻矩形波勵磁、雙頻矩形波勵磁等。
1.直流勵磁
直流勵磁的產生主要來源于直流電流勵磁產生的穩定磁場和永磁體產生的恒定磁場。下圖 2.7 中展示了直流勵磁波的波形圖,從圖中可以直接觀察到此種勵磁方式較為穩定,受到的干擾較小。

在現實的工作過程中直流勵磁方式中包含了較多的干擾信號,較為常見的有三種形式。第一種是由于直流信號促使測量管內流體極化,從而疊加干擾的極化電壓信號。第二種是極化電壓容易受到溫度的影響導致其跟隨變化。第三種是需要利用到更大的直流放大器,此放大器進行信號放大的過程將會更加困難。
2.交流勵磁

交流勵磁主要是在交流電流中所產生的勵磁方式,通常會在 60Hz 正弦波電流作用下產生。上圖 2.8 中展示了交流勵磁的波形圖,此種勵磁方式最大的優點是能夠有效的降低電流對電極所帶來的計劃作用。除此之外還能利用交流勵磁感應更大的電動勢,能夠有效提高磁感應強度。還有就是能夠將信號直接放大,不需要再設置前端放大器。
由于交流勵磁的種種優勢促使其在上世紀二十年代到五十年代風靡世界,但在交流勵磁的工作方式中也出現了較多明顯的缺點,其中如交流勵磁會產生明顯的正交和同相干擾、產生磁滯損失和渦流損失等等。
在針對漿液和脈動流的檢測中,使用交流勵磁仍能起到更可快速、便捷的檢測方式。
3.低頻矩形波勵磁

低頻矩形波勵磁方式能夠彌補交流勵磁所帶來的缺陷,因此從上世紀七十年起成為新的測量方式風靡全球。
低頻矩形波立此方式能夠有效減弱電磁感應產生的干擾,同時也不容易出現極化現象。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 發生極有規律,能夠保證在一定的轉換時間內使得流量信號達到平穩狀態,同時圖中的波形穩定時間較長,因此保證能夠具有穩定的信號采樣過程。
值得重視的是若是使用其進行漿液性流體測量時,流體會產生一定的噪聲,從而形成新的干擾,對于檢測結果會造成一定的影響。
總結
本內容針對國內外研究高壓電磁流量計的歷程進行了回顧,簡單介紹了高壓電磁流量計工作的基本原理,分析了其基本結構,包括傳感器和轉化器,然后重點研究了影響高壓電磁流量計精度的因素,并分析了各種干擾因素的產生機理及其對策,其中包括正交、串模干擾等;除此之外還分析了不同勵磁技術對高壓電磁流量計檢測精度的影響,重點介紹了直流、交流、低頻矩形波三種勵磁技術;最后,基于這些影響高壓電磁流量計精度的因素,針對性提出了抗干擾措施,其中,硬件方面包括電源設計、傳輸線路、隔離技術、接地技術、電路設計以及 PCB 印刷技術中的抗干擾措施;軟件方面包括數字濾波、CPU 抗干擾、程序監控系統、故障自診斷技術等。

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