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电磁流量计精度提升与抗干扰技术
发布时间:2019-01-16

摘要:电磁流量计在我国工业、制造业及其他行业的应用十分广泛,在液体流量测量方面起到了不可替代的重要作用。由于流量计测量的精确程度直接影响到了生产质量,测量误差可能会对生产过程造成巨大的经济损失,因此,通过研究电磁流量计精度的影响因素,分析提升测量精度的方法和测量过程中的抗干扰能力具有十分重要的意义。
  随着我国科学技术和经济的不断发展与进步,电磁流量计在我国的工业、技术检测和管理等很多领域得到了广泛的使用,电磁流量计具有良好的耐腐蚀性,并具备可靠性高、适应性强的特点。近年来,各个领域在不断探索新技术的同时,对电磁流量计的精确程度和稳定性也提出了更高的要求。能够影响电磁流量计精度的因素有很多,但只要明确了主要的干扰因素,就能够有针对性地利用软硬件技术来降低干扰因素对测量精度的影响,有效提升电磁流量计工作的可靠性。
1基本原理介绍
  电磁流量计是以法拉第电磁感应定律为理论基础而制造的一种流量计。电磁流量计在工作时由磁路系统产生直流或交流磁场,用以提供测量所需的磁场环境,当被测液体在导管中通过磁场区域时,会做切割磁力线运动,此时就可以通过电极传感器将导管内的流量转换成为感应电势信号,并将信号传递给转换器。转换器将获取的各种不同的流量信号进行分析、对比和放大,最终转换成为标准的信号输出给积算仪,积算仪通过对信号的处理,将测得的流量在仪表上显示,并对测量结果进行一定的记录,其基础工作流程如图1所示。
电磁流量计工作流程图
2电磁流量计精度影响因素分析
  电磁流量计的干扰信号有很多,这些干扰信号会和实际的流量信号相混合,产生一种十分复杂的数据处理情况。因此,要提高电磁流量计对液体的测量精确度,就必须对这些干扰信号产生的原因进行分析与总结,以便有针对性地采取抗干扰措施,电磁流量计的常见影响因素如下。
2.1正交干扰
  电磁流量计的磁路系统包含有两个励磁线圈,而导管内的液体与传感器电极及转换器结构组成了一个闭合的回路,如图2所示。理论情况下,磁力线(图中B)应与闭合回路相平行,但是由于装配过程中的误差,导致磁力线不可能完全平行于这一闭合回路,出现部分磁力线成一定角度穿过回路的现象,这引起了即使没有液体流动的情况下,传感器的电极上也会产生感应电动势,就形成了正交干扰的基本形式。
  当磁力线圈中的电流发生变化时,由于传感器电极的作用,在磁场发生转变的过程中,两个电极所形成的闭合回路会产生相反的感应电压,当磁场再次发生变化时,传感器的电磁回路又会再次产生相反的感应电压。由于磁力线圈磁场的变化总是由一个稳定状态向另一个稳定状态进行转变,再由此状态转变为原状态,因此,所引起的电极反向感应电压也具有相似的特质,说明正交干扰的产生只与磁力线圈的磁场变化有关,与实际被测的液体流量无关。因此,磁力线圈的励磁频率是正交干扰强弱的主要影响因素。
2.2同相干扰
  在电磁流量传感器中,部分主磁通会在流体内部形成正交干扰的闭合涡电流,由于交变电流的产生会导致出现交变磁场,而引起与之正交相连的二次磁通产生,同时因二次磁通的影响,又会引起与二次磁通正交相连的涡电流产生,这就是同向干扰产生的主要原因。
  下式是由正交干扰公式经过微分得到的同向干扰公式,通过公示可知,同相干扰与流量信号相位相同,大小与流量无关,因此很难将同向干扰产生的信号与流量信号进行分离,只能通过减少磁路系统的励磁频率来降低同向干扰信号的影响。
er=ω2Bmsinωt=(2πf)2Bmsinωt
式中:er为同相干扰电压;f为为励磁频率;ω和t为常量
2.3串模干扰与共模干扰
  串模干扰是在单端信号输入的同时,还有多种干扰信号与其叠加在一起成为前置放大器的输入信号。若干扰信号过大,容易导致放大器饱和而无法正常工作。当设备存在漏磁问题时,也会在周围形成很强的交变磁场,从而会引起串模干扰的形成。为了降低串模干扰产生的影响,现阶段的流量传感器通常将“零阻值”的被测流体作为转换放大器的接地端,而传感器的两个电极作为放大器的输入端,这就很好的抑制了幅度相等和极性相同的串模干扰。共模干扰主要是由于静电干扰引起的,一般情况下,共模干扰不会直接影响测量的结果,但是若转换放大器的输入参数存在不对称问题时,共模干扰就会转变为串模干扰来影响最终的测量结果,将电解质与金属材料圈和电极进行屏蔽能够有效地降低共模干扰的影响。
2.4直流干扰
  在被测液体与电极和接液部件接触过程中,电解质中的正负离子会分别作定向运动,这会使被测液体在电极和接液部件之间形成电位差,通常将这种现象称为极化现象。如图3所示,理论上来说,两电极A和B对接液部件的电位e1、e2大小相等、方向相反,此时两电极的电位差等于零。但是,若两电极的材质或表面状态存在差异,此时A、B电极之间的电位差就不为零,这就形成了极化电压,极化电压与共模状态的电压e3一起叠加在流量信号中,被输入转换器的差动放大器。当极化电压过大,则会对差动放大器的输入端造成较大影响,导致信号无法放大或流量信号的输出波动过大,从而降低了电磁流量计的测量精度。
电磁流量计极化电压示意图
3电磁流量计的抗干扰方式
  由于电磁流量计测量精度的干扰因素很多,且电磁流量计的工作条件通常也比较恶劣,电磁流量计的测量准确程度除受到系统内部产生的信号干扰外,还会不可避免的受到多种环境因素的影响,电磁流量计测量的误差,会给生产带来重大的经济损失。因此,提升流量计的可靠性与测量精度,减少干扰对测量值的影响程度,是电磁流量计发展必须要做的工作。
3.1硬件抗干扰技术
(1)电源端所产生的干扰是电子产品较为常见的精度干扰因素,由于这种干扰无法完全被去除,只能通过减小干扰脉冲的幅度来降低其影响。在实际工作中常采用在交流进线端串接入低通LC滤波器的方式来实现,这种方法在实际的工作中产生了显著地效果。
(2)传输电缆所产生的杂散电磁场会通过感应和辐射的方式进入信道而产生干扰,利用双芯屏蔽电缆能够实现较长线路传输的抗干扰功能。对于环境更为恶劣的情况,为提高抗干扰能力,可采用光电隔离方式将系统控制部分与I/O口部分分开,并采用双电源供电来降低干扰产生的精度影响。
(3)除了有针对性的抵抗干扰之外,还可以采取增加硬件的方式提升系统的整体抗干扰能力。例如:选择和使用抗干扰能力强的单片机;使用硬件看门狗电路;使用电压检测电路;尽可能使用单片机的内部程序存储器和内部数据存储器等。
3.2软件抗干扰技术
(1)通过在系统程序的关键位置插入部分单字节指令或将单字节指令进行重写,从而达到恢复“跑飞”程序的目的,这种方法称之为指令冗余。指令冗余的主要方法包括以下两点:一是在双字节指令和3字节指令之后插入两个单字节NOP指令,以保证其后的指令不被拆散。二是对于程序流向起决定作用的指令和某些对系统工作状态有重要作用的指令的后面,可重复写上这些指令,以确保这些指令的正确执行。
(2)若“跑飞”程序进入非程序区或者表格区时,指令冗余则无法起到抗干扰的目的,此时可采用设置软件陷阱对“跑飞”程序进行拦截,软件陷阱能将“跑飞”程序引向某一位置,再通过编制的程序对“跑飞”程序进行恢复。
(3)某些程序被干扰后容易陷入死循环模式,通过程序监视技术,能够及时发现运行超时的程序,并采用相应的方式使程序复位,保证程序的正常运行。
4结语
  总之,在保证电磁流量计基本使用功能的前提下,通过对现阶段技术的影响因素进行分析,就能够有针对性地降低干扰对测量结果产生的影响,从而保证电磁流量计工作过程的可靠性,避免因测量不准确而导致的经济损失和事故发生。

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